Partial purification of quorum quenching (QQ) enzyme lactonase and membrane applications
Quorum quenchıng (QQ) enzimi laktonazın kısmi saflaştırılması ve membran uygulamaları
- Tez No: 945125
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Membran sistemlerinde biyotıkanma, mikroorganizmaların ve bu mikroorganizmalar tarafından salgılanan organik maddelerin membran yüzeyinde birikmesiyle meydana gelen önemli bir sorundur. Bu birikim, membran performansını düşürmekte ve operasyonel verimliliği azaltmaktadır. Geleneksel biyotıkanma kontrol yöntemleri, ön işlemler, fiziksel ve kimyasal temizlik gibi sınırlı başarı sağlayan yöntemlerle sınırlıdır. Bu nedenle, biyotıkanmayı önlemek için yenilikçi ve çevre dostu çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, Quorum Quenching (QQ) teknolojisi kullanılarak üretilen kısmi saflaştırılmış laktonaz enziminin, biyotıkanma kontrolü amacıyla ince film kompozit ters ozmoz (İFK-TO) membranlara uygulanması incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, İFK-TO membranların üretimi için gerekli olan membran destek tabakasının üretimi gerçekleştirilmiştir. Membran destek tabakasının üretimi için %16, %18, %19 ve %20 polietersülfon (PES) polimer konsantrasyonları test edilmiştir. %16 PES konsantrasyonuna sahip membranların saf su akı değeri 116±27 L/m².h, %18 PES konsantrasyonunda 98±24,7 L/m².h, %19 PES konsantrasyonunda 86±21 L/m².h ve %20 PES konsantrasyonunda ise 52±13 L/m².h olarak bulunmuştur. Sonuçlar, artan polimer konsantrasyonunun membran yoğunluğunu artırarak geçirgenliği azalttığını göstermiştir. Literatürde PES destek tabakası membranlar için bildirilen saf su akı değerlerinin 60 L/m².h ile 330 L/m².h arasında değiştiği görülmektedir. Bu sonuçlar doğrultusunda, membran destek tabakasının üretimi için optimum polimer konsantrasyonu %16 PES olarak belirlenmiştir. İFK-TO membran üretiminde kullanılan ilk metotta PES polimer konsantrasyonları yeniden optimize edilmiştir ve İFK kaplamanın ardından gerçekleştirilen filtrasyon testlerinin ardından akı sonuçlarına bakılarak optimum polimer konsantrasyonu %18 PES olarak belirlenmiştir. Denenen ilk metotta akı değerleri tutarlı olsa da giderim verimlerini iyileştirmek için, İFK-TO membranların üretiminde iki farklı metot daha test edilmiş ve performans karşılaştırmaları yapılmıştır. %18 PES-Metot-2 membranları için saf su ve tuzlu su akıları sırasıyla 11±1,5 ve 10±0,8 L/m².h olarak ölçülmüştür. Tuz giderim verimi yaklaşık %86,5 olarak hesaplanmıştır. Metot-3 ile üretilen membranlarda ise saf su ve tuzlu su akıları sırasıyla 7±0,4 ve 6±1,0 L/m².h olarak bulunmuş, tuz giderim verimi %82,4 olarak belirlenmiştir. Literatürde ters ozmoz membranlarının tuz giderim verimlerinin genellikle %95'in üzerinde olduğu bilinmektedir. Ancak bu çalışmada elde edilen %86,5 tuz giderim verimi, tez hedefleri kapsamında yeterli görülmüş ve Metot-2 ile üretilen membranlar tercih edilmiştir. Filtrasyon testlerinin ardından, üretilen membranların tümü temas açısı (CA), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) analizleriyle karakterize edilmiştir. QQ Laktonaz enzimi, Bacillus sp. T5 bakterisinden amonyum sülfat çöktürme yöntemiyle üretilmiş ve kısmi saflaştırma gerçekleştirilmiştir. Enzim aktivite testleri 4°C, 25°C ve 37°C sıcaklıklarında ve pH 5,5, 7 ve 8,5 koşullarında yapılmıştır. Sonuçlar, enzimin optimum aktivitesinin 25°C ve pH 7'de gerçekleştiğini göstermiştir. Enzim miktarı, Bradford testi kullanılarak belirlenmiş ve üretim süreçlerinin tekrarlanabilir olduğu görülmüştür. Amonyum sülfat çöktürmesi (ASP) sonrası elde edilen protein miktarı 1 saat bekletme süresi sonunda, kısmi saflaştırılarak ortalama 0,9 mg/mL olarak belirlenmiştir ve 6 mL örnek hacmi ile toplam protein içeriği 5,7 mg olarak hesaplanmıştır. Deneysel sonuçlara göre, %5 ACA ile modifiye edilen membranlara gerçekleştirilen immobilizasyon işlemi sonucunda elde edilen verim %90±16 olarak hesaplanmıştır. Bu oran, enzimlerin yüksek oranda membran yüzeyine bağlandığını ve modifikasyonun immobilizasyona elverişli bir yüzey sağladığını göstermektedir. Diğer yandan, %10 ACA ile modifiye edilen membranlarda immobilizasyon verimi %80,2±14 olarak belirlenmiştir. Daha yüksek ACA oranına rağmen immobilizasyon veriminin nispeten daha düşük olması nedeniyle daha geniş yüzey alanı denemeleri %5 ACA ile modifiye edilmiştir. Daha geniş yüzey alanına sahip %5 ACA ile modifiye edilmiş membranlar üzerinde yapılan immobilizasyon çalışmaları sonucunda elde edilen verim %86±2,8 olarak tespit edilmiştir. Yüzey alanının artırılması, membran üzerinde daha fazla enzim bağlanmasına olanak tanımış ve daha homojen bir immobilizasyon sağlamıştır. Ayrıca, bu yüksek verim oranı, çapraz bağlama reaksiyonunun kontrollü ve tekrarlanabilir bir şekilde yürütüldüğünü göstermiştir Biyotıkanma testleri, enzim immobilize edilmiş membranların performansını değerlendirmek amacıyla model mikroorganizma olarak Escherichia coli (E. coli) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmaların başlangıcında, modifiye edilmemiş yani bare membranlara ait saf su akı değeri yaklaşık olarak 6,2 L/m²·h olarak ölçülmüştür. Bu membranlar, E. coli ile inkübasyon sürecinin ardından yoğun biyofilm oluşumuna maruz kalmış ve buna bağlı olarak akı değerinde %51,6 oranında azalma gözlemlenmiştir. Son durumda saf su akı değeri 3,0 L/m²·h seviyesine düşmüştür. Buna karşın, immobilize membranlar başlangıçta 5,4 L/m².h saf su akısına sahipken, biyofilm oluşumu sonrası %42,6 azalarak 3,1 L/m².h'ye düşmüştür. Bu durum, biyofilm tabakasının membran yüzeyinde önemli bir tıkanma yarattığını ve membran performansını ciddi şekilde olumsuz etkilediğini göstermektedir. Buna karşılık, laktonaz enzimi ile fonksiyonelleştirilmiş ve kısmi saflaştırma işlemine tabi tutulmuş enzimlerin immobilize edildiği İFK-TO (İnce Film Kompozit – Ters Osmoz) membranlarda başlangıçtaki saf su akı değeri 5,4 L/m²·h olarak kaydedilmiştir. Aynı biyofilm oluşturma koşullarına maruz bırakılan bu membranlarda ise akı değeri yalnızca %42,6 oranında düşüş göstermiş ve biyofilm sonrası ölçümde 3,1 L/m²·h seviyesine inmiştir. Bu bulgular, enzim immobilizasyonunun membran yüzeyinde biyofilm gelişimini baskılayarak akı kaybını minimize ettiğini ve biyotıkanmaya karşı önemli bir direnç sağladığını ortaya koymuştur. Membranların mikrobiyal tutunma ve koloni oluşumuna karşı gösterdiği direnç, antimikrobiyal aktivite testleri ile desteklenmiştir. Yapılan testlerde, fonksiyonel membranların çevresinde belirgin inhibisyon bölgelerinin oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu inhibisyon halkaları, enzim immobilizasyonunun bakteriyel büyümeyi engellediğini ve membran yüzeyinin antimikrobiyal özellik kazandığını doğrulamaktadır. Ayrıca, konfokal lazer taramalı mikroskop (CLSM) ile yapılan görüntüleme analizleri, immobilize membranların yüzeyinde bakteri tutunmasının ve biyofilm gelişiminin belirgin şekilde azaldığını göstermiştir. Bunun yanı sıra, FTIR analizleri, membran yüzeyine immobilize edilen enzimlerin kimyasal varlığını doğrulayan karakteristik pikleri ortaya koymuştur. Bu spektral analizler sayesinde enzim-membran etkileşimi detaylı şekilde izlenebilmiş ve başarılı immobilizasyon işlemi teyit edilmiştir. SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) görüntüleri ise çıplak gözle gözlemlenemeyen yüzey morfolojisine dair bilgiler sunmuş; özellikle biyofilm oluşumu sonrası bare membranlarda yüzeyin yoğun bir bakteriyel tabaka ile kaplandığını, buna karşılık immobilize membranlarda bu birikimin sınırlı kaldığını ortaya koymuştur. Sonuç olarak, bu tez kapsamında kısmi saflaştırılmış laktonaz enzimi ile fonksiyonelleştirilmiş İFK-TO membranlar başarıyla üretilmiş ve biyotıkanmaya karşı etkili bir çözüm sunmuştur. Elde edilen bulgular, biyokatalitik membranların su arıtma sistemlerinde kullanılabilirliğini artırabilecek potansiyele sahip olduğunu göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Biofouling is a significant challenge in membrane systems, caused by the accumulation of microorganisms and their secreted substances on membrane surfaces, leading to reduced efficiency and performance. Current strategies for mitigating biofouling, including pre-treatment and chemical cleaning methods, are often insufficient and environmentally unsustainable. Quorum Quenching (QQ) technology, which disrupts microbial communication pathways and inhibits biofilm formation, has emerged as a promising solution. This thesis investigates the use of partial purified lactonase enzyme, a QQ enzyme, to control biofouling in thin-film composite reverse osmosis (TFC-RO) membranes. The study started with the fabrication of TFC-RO membranes using phase inversion for support layer production, followed by interfacial polymerization to develop the active layer. Three different procedures were tested to make the membranes most efficient with the %18 PES-Method-2 as the configuration selected based on better filtration performance and structure properties. The membranes were identified through contact angle (CA), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM) analyses. Partially purified lactonase enzyme was prepared from Bacillus sp. T5 with ammonium sulfate precipitation, partially purified. Enzyme activity tests were carried out at various temperature (4°C, 25°C, 37°C) and pH (5.5, 7, 8.5) and found to be in optimum at 25°C and pH 7 respectively. The enzyme was immobilized onto ACA-modified TFC-RO membranes using the chemical crosslinking process. Process achieved enzyme immobilization efficiencies up to 90% which showed effectiveness of process. The performance of the immobilized membranes was tested via biofouling (using Escherichia coli (E. coli) as a model organism). The results illustrated that immobilization of enzyme promoted fouling resistance whereby they had retained higher flux values and salt rejection efficiencies post biofouling than bare membranes. The results of antimicrobial activity tests and confocal microscope images verified that immobilized membranes inhibited bacterial growth. Finally, this thesis was able to develop TFC-RO membranes functionalized with partial purified lactonase enzyme in order to control biofouling. The identified outcomes emphasize the promise of this novel methodology for enhancing membrane performance, and overcoming biofouling-related impediments in water treatment systems.
Benzer Tezler
- Midye (Mytilus Galloprovincialis Lam.) hepatopankreas beta-D-galaktozidaz izoenzimlerinin kısmen saflaştırılması
Partial purification of mytilus galloprovincialis lam. hepatopancreas beta-D-galaktosidase
FATMA CEREN DİKMEN
- Sığır karaciğer arginazının kısmen saflaştırılması ve bazı kinetik özelliklerinin araştırılması
Partial purification of bovine liver arginase and investigation of some kinetic properties
AYŞEGÜL AKBAY
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1997
BiyokimyaAnkara ÜniversitesiBiyokimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL HAKKI GÖKHUN
- Arpa fidesinden oksalat aksidas enziminin kısmen saflaştırılması ve saflaştırılan enzimin idrar analizinde kullanılması
Partial purification of oxalate from barley seedlings and determination of oxalate levels in urine by using purified enzyme
ALPHAN GÖGEN
- Trichoderma atroviride'den elde edilen kitinazın kısmi saflaştırılması
Partial purification of chitinase from Trichoderma atroviride
ZEYNEP ÇAĞLAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
BiyokimyaYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İNCİ ARISAN ATAÇ
- Montivipera wagneri ve M. raddei engerek türlerinin zehirlerinden L-amino asit oksidaz enziminin kısmi saflaştırılması
Partial purification of L-amino acid oxidase enzyme from the venoms of vipers Montivipera wagneri and M. raddei
MERYEM İREM DURĞUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyokimyaNevşehir Hacı Bektaş Veli ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NAŞİT İĞCİ