Biyolojik yöntemle endüstriyel atıksulardan biyopolimer depolama şartlarının belirlenmesi

Abstract

Günümüzde her alanda kullanılabilen petrol türevli plastikler, kaynakların sınırlı olması, doğada uzun süre parçalanmadan kalması, çevreye ve canlılara zarar vermesi nedeniyle yerini biyoplastiklere bırakmaya başlamıştır. Biyoplastikler toksik olmayan, canlı bünyesiyle biyouyumlu ve karbon ayak izinin düşük olması gibi avantajlarla öne çıkmaktadır. Her ne kadar petrol türevli plastiklere alternatif olarak kabul edilse de henüz endüstriyel üretim düzeyine ulaşamamıştır. Biyoplastikler organik katı atıklar, bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmalar gibi yenilenebilir biyolojik kaynaklardan elde edilen plastiklerdir. Saf ve karışık kültür mikroorganizmalar tarafından karbon kaynağı varlığında ve nütrient ve iz metal eksikliğinde Poli-ß-hidroksibütirat (PHB) biyopolimeri sentezlenerek depolanır. PHB üretiminde alternatif karbon kaynaklarının arasında endüstriyel atıksuların organik içerikleri de bulunmaktadır. Özellikle gıda endüstrisi atıksularının karbon kaynağını olarak kullanılmasıyla üretim maliyeti düşürebilmektedir. Üretim aşamasında C/N oranı, çamur yaşı, sıcaklık ve çözünmüş oksijen konsantrasyonu gibi parametreler oldukça önemlidir. Bu tez çalışmasının temel amacı meyve suyu endüstrisi atıksuyunu karbon kaynağı olarak kullanarak, karışık kültürle PHB biyopolimerini maksimum seviyede elde etmek için uygulanabilecek optimum proses şartlarını belirlemektir. Sentetik vişne suyu üretim atıksuyunun yanı sıra azot ve fosfor kaynağı olarak evsel atıksu kullanılmıştır. Aerobik biyolojik çalışma, atıksu arıtım tesisinden elde edilen karışık kültürlerle ardışık kesikli reaktörde tokluk ve açlık fazları ile günlük 2 döngü, 20, 28 ve 30°C olmak üzere 3 farklı sıcaklık seviyesi, C/N oranı 30, 40 ve 60 g KOİ/g N, çamur yaşı 1, 2, 5 ve 10 gün seviyelerinde işletilmiştir. Yapılan çalışma sonucunda maksimum PHB biyopolimeri üretimi için optimum şartlar, 28°C, C/N 40 ve çamur yaşı 5 gün olarak belirlenmiştir. Sıcaklığın 28°C'ye çıkarılmasıyla C/N 30, 40 ve 60'ta PHB üretimi artarak gerçekleşmiştir. Sıcaklık arttıkça PHB üretim oranı da artmıştır. Çamur yaşı 1, 2, 5 ve 10 gün için yapılan çalışmalarda en yüksek PHB üretimi çamur yaşı 5 gün için gerçekleşmiştir. Çamur yaşı 1 gün için bazı numunelerde PHB üretimi yoktur. Çamur yaşı 10 gün için alınan numunelerde, çamur yaşı 5 güne göre PHB üretim oranı daha düşüktür. C/N oranı 30, 40 ve 60 arasında en yüksek üretim oranı C/N 40'ta gerçeklemiştir. Bakteri düşük C/N oranlarında (C/N 30) ortamdaki karbonu büyüme ve çoğalma için kullanırken, ortamdaki yüksek karbon miktarından da olumsuz etkilenmektedir.

Petroleum-derived plastics having limited resources, resistence to biodegradation in the environment and hazardous character for living organisms can be replaced by bioplastics which stand out with their advantages such as being non-toxic, biocompatible with the living body and low carbon footprint. Although they are accepted as alternatives to petroleum-derived plastics, their production has not yet reached the industrial level. Bioplastics are plastics derived from renewable biological resources such as organic solid waste, plants, animals and microorganisms. Poly-ß-hydroxybutyrate (PHB) biopolymer is synthesized and stored by pure and mixed culture microorganisms in the presence of carbon source and nutrient and trace metal deficiency. Among the alternative carbon sources in the production of PHB are the organic contents of industrial wastewater. In particular, the use of food industry wastewaters as the carbon source can reduce production costs. During the production phase, parameters such as C/N ratio, sludge age, temperature and dissolved oxygen concentration are regulated. The main purpose of this study is to determine the optimum process conditions that can be applied to obtain the maximum level of PHB biopolymer with mixed culture by using the fruit juice industry wastewater as a carbon source. In addition to the synthetic sour cherry juice production wastewater, domestic wastewater was used as the nitrogen and phosphorus source. Mixed sludge culture obtained from the municipal wastewater treatment plant was used for the aerobic biological study, in a sequential batch reactor with feast and famine phases, using 2 cycles per day, 3 different temperature levels (20, 28 and 30°C), C/N ratio 30, 40 and 60 g COD/g N, sludge retention time (SRT) of 1, 2, 5 and 10 d. As a result of the study, optimum conditions for maximum PHB biopolymer production were determined as 28°C, C/N 40 and SRT 5 d. By increasing the temperature to 28°C, PHB production increased at C/N 30, 40 and 60. As the temperature increased, the PHB production rate also increased. In the periods conducted for SRT 1, 2, 5 and 10 d, the highest PHB production occurred for SRT 5 d. There was no PHB production in some samples for SRT 1 d. Biomass had a lower PHB production rate for SRT 10 d than 5 d. The highest production rate was obtained at C/N 40 among 30, 40 and 60 g COD/g N. Bacteria used carbon in the environment for growth and reproduction at low C/N ratios (C/N 30) while their PHB accumulation was adversely affected by the high carbon content.