Endüstriyel atıksu akımlarından biyoplastik elde edilmesi

Abstract

Dünyada plastik üretimi ve kullanımı her yıl artmaktadır. Biyoplastikler, şu anda yıllık üretilen 414 milyon tondan fazla plastiğin yaklaşık %0,5'ini temsil etmektedir. Son birkaç yılın ardından durgunluk döneminin sonrasında, küresel plastik üretimi 2023'te tekrar artış göstermiştir. Küresel biyoplastik üretim kapasitesinin, 2024'te yaklaşık 2,47 milyon tondan 2029'da yaklaşık 5,73 milyon tona önemli ölçüde artması beklenmektedir. Yüksek tüketimin yol açtığı plastik kirliliği dolayısı ile gerek sucul gerekse karasal kirlenmenin boyutu giderek artmaktadır. Sıfır atık gibi yeşil yaklaşımlar plastik kullanımının azaltılması konusunda önemli bir yol kat edilmesini sağlamakla birlikte, günümüzde kullanımından kaçınılamayacak kadar çok işlevsel hale gelmiş plastik ürünler için çevre dostu alternatiflerin araştırılması da büyük önem taşımaktadır. Biyoplastikler çevresel sorunları çözmek için mevcut seçeneklerden biri olarak ortaya çıkmaktadır. Polihidroksialkanoatlar (PHA'lar) en yaygın kullanım alanı bulan biyolojik olarak ayrışabilen biyopolimerlerdir. Biyopolimerlerin üretimi endüstriyel olarak saf kültürler ve özel besi maddeleri kullanılarak gerçekleştirilmekte ve bu üretim sonucunda elde edilen biyoplastikler oldukça pahalıya mal olmaktadır. Özellikle plastik atıklarının azaltılması için tek kullanımlık plastiklere tüm dünyada getirilen kısıtlama ile birlikte biyoplastiklere olan ihtiyaç daha da artmıştır. Ancak atıksu arıtma tesislerinde bulunan karışık aktif çamur kültürlerinin de biyopolimer depolayabildiklerinin anlaşılması ile birlikte, atıksulardan biyoplastik hammaddesi olan biyopolimerlerin elde edilmesi konusundaki çalışmalar hız kazanmıştır. Karışık kültürlerin biyopolimer depolamasına ilişkin çalışmalarda karşılaşılan en önemli sorun ise işlemin fizibilitesi olmuştur. Son 10-15 yılda gerçekleştirilen birçok araştırmada uygun atıksular ve uygun işletme koşullarının bulunması halinde aktif çamur kültürü ile biyopolimer üretiminin ekonomik olarak uygulanabilir hale getirilebileceği ortaya konmuştur. Bu tez kapsamında tekstil endüstrisi, bulgur endüstrisi ve atık bitkisel yağlardan biyodizel üretim prosesi atıksularının doğrudan ya da fermentasyon sonrası kullanılarak elde edilen polihidroksibütirat (PHB) başta olmak üzere PHA türleri, miktarları ve en fazla biyopolimer üretilebilecek işletme koşulları ile biyopolimerin yapısına ve çevreye zarar vermeyecek ekstraksiyon yöntemleri araştırılmıştır. Seçilen tekstil endüstrisi atıksuyu içeriğindeki asetat sayesinde doğrudan depolama için kullanılabilmiş, bulgur atıksuyu için yapılan ön fermentasyon çalışmaları depolama için kullanılacak uçucu yağ asitlerinin etkisini ve optimizasyonunu sağlamaya imkan vermiş, atık bitkisel yağlardan biyodizel üretim prosesi atıksuyu (ham gliserol) ise PHA depolama mekanizmasında yağ üzerinden depolama tepkisinin incelenmesini sağlamıştır. Bu kapsamda, zenginleştirilmiş kültürün PHA üretim potansiyeli çamur yaşı, açlık/tokluk evreleri ve çevrim sayısı değişkenleriyle denenerek maksimize edilmeye çalışılmıştır. Üretimi gerçekleşen biyopolimerlerin hücre içinden ekstraksiyonu ile üretiminin ekonomik ve çevre dostu bir biçimde uygulanabilirliğini sağlamaya yönelik optimizasyonu için en uygun yöntem ve işletme koşulları belirlenmiştir. Çalışma, yalnızca karışık kültür ile PHA birikimini incelemekle kalmayıp, aynı zamanda biyokimyasal depolama ve büyüme stokiyometrisi hakkında değerli bilgiler sağlayan respirometrik çalışmaların sonuçlarını da sunmaktadır. Maksimum PHA depolama kapasitesi, akümülasyon testleri ile değerlendirilmiştir. Ayrıca, PHA (PHB, PHV ve PH2MV) ekstraksiyonu, NaOH ve NaOCl'nin yanında tekstil ön ağartma işlemlerinden gelen atık NaOH kullanılarak ve biyokütlenin farklı ön işlemlere tabi tutulmasıyla gerçekleştirilmiş, bu sayede atıkların kaynak olarak kullanımının potansiyeli vurgulanmıştır. Atık bitkisel yağlardan biyodizel üretim prosesi atık akımlarından olan ham gliserol doğrudan karışık kültüre beslenerek zenginleştirme çalışmaları yapılmış ve çevrim sayısı artırılarak hücrelerin PHA depolama kapasiteleri izlenmiştir. Sudan Black ile yapılan spektrofotometrik ve mikroskobik incelemeyle hücre içinde depolanan PHA granülleri tespit edilmiştir. Yürütülen respirometrik deneylerde yüksek depolama verimleri elde edilmiştir. Zenginleştirme reaktörü işletme koşulunun 2 çevrimden 4 çevrime artırılmasından sonra reaktör biyokütle konsantrasyonunda düşüş görülmüş ve flok yapısında bozulma gözlenmiştir. F/M oranının artmasıyla ham gliserolde yer alan yüksek sodyum ve diğer safsızlıkların reaktör içinde birikerek yüksek konsantrasyona ulaşması sonucu kültürün büyüme ve aktivitesini inhibe ettiği, bu sebeple flok yapısı ve KOİ gideriminin bozulduğu tespit edilmiştir. Tekstil endüstrisi atıksuları ile yürütülen çalışmalarda 95°C'de reaktif boyama ve ağartma işlemleri içeren örgü kumaş son işlemler prosesinden temin edilen yumuşatma banyosu atıksuları ile karışık kültürler üzerinde PHA depolama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Günde 1, 2 ve 4 çevrim olarak işletilen zenginleştirme reaktöründen alınan biyokütle ile yapılan depolama çalışmalarında artan çevrim sayısı ile daha yüksek depolama seviyeleri elde edilebildiği tespit edilmiştir. Her bir işletme koşulu için respirometrik deneyler gerçekleştirilmiş ve en yüksek depolama dönüşüm oranı (YSTO) yalnızca tekstil atıksuyunun beslendiği çalışmalarda 0,84 gKOİ/gKOİ, tekstil atıksuyu ve asetatın beraber beslendiği çalışmalarda ise 0,88 gKOİ/gKOİ olarak belirlenmiştir. Respirometrik çalışmalardan sonra akümülasyon deneyleri yapılmış, bu deneylerde kullanılan biyokütle günlük 4 çevrimle işletilen reaktörden alınmış ve farklı setlerde yalnızca tekstil atıksuyu ya da tekstil atıksuyu ve asetat karışımı (KOİ bazında %43 tekstil atıksuyu, %57 asetat) beslenmiştir. Maksimum PHA depolama kapasitesini belirlemek için, 10 ardışık besleme ile gerçekleştirilen akümülasyon deneylerinde, yalnızca tekstil atıksuyunun beslendiği sistemde, başlangıç hücre içi PHA konsantrasyonu 0,25 gPHA/gUAKM iken, 4 ardışık besleme sonrası maksimum 0,36 gPHA/gUAKM'ye kadar artış göstermiş, 10 besleme sonunda 0,32 gPHA/gUAKM elde edilmiştir. Akümülasyon reaktöründen elde edilen biyokütle ile, çözelti olarak NaOH, NaOCl ve tekstil endüstirisi örme kumaş 95°C reaktif boyama işleminin ilk aşaması olan ön ağartma işleminden elde edilen atık NaOH'ın kullanıldığı ve ekstraksiyon öncesi liyofilizasyon ve farklı sürelerde kurutma işlemlerinin uygulandığı saflaştırma çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Maksimum PHA saflığı 3 gün kurutulmuş biyokütlenin NaOCl ile ekstraksiyonu ile %63 olarak belirlenmiş ve PHA'nın tümü geri kazanılmıştır. Tekstil atıksuyu ve asetatın birlikte beslenerek yürütüldüğü akümülasyon deneylerinde, başlangıç hücre içi PHA konsantrasyonu 0,08 gPHA/gUAKM olup bu değer kademeli olarak artış göstermiş ve deney sonunda 0,25 gPHA/gUAKM'ye ulaşmıştır. Yapılan ekstraksiyon çalışmalarında en yüksek saflık oranı %55,4 olarak liyofilize edilmiş biyokütlenin NaOCl ile ekstraksiyonu ile elde edilmiş ve bu çalışmada da PHA'nın tamamı geri kazanılabilmiştir. Ekstraksiyon çalışmalarında tekstil endüstrisi ön ağartma işleminden elde edilen atık NaOH ile yürütülen çalışmaların verimlerinin daha düşük olduğu görülmüş, PHA saflıkları da daha düşük oranlarda elde edilmiştir. Bulgur üretim prosesi atıksuları ile ilk olarak ön çalışmalar yapılmış, bu amaçla hidroliz deneyleri gerçekleştirilmiştir. NaOH ile hidroliz sonrası nişastanın %90'nından fazlası daha düşük molekül ağırlıklı sakkaritlere parçalandığı, etanol ilavesi ile bu sakkaritlerin çöktürülmesiyle nişasta giderimi %98'in üzerine çıktığı görülmüştür. Daha sonra ham numune ile anaerobik fermentasyon çalışmaları yapılmış ve sonrasında yürütülen PHA depolama çalışmalarıyla farklı fermantasyon sürelerinde gerçekleşen PHA depolama kapasiteleri ile elde edilen PHA'nın kompozisyonu belirlenmiştir. Fermentasyon sonrası oluşan UYA türleri incelendiğinde bütirik asit ilk 10 günlük fermantasyon süresinde ana asit fraksiyonu olarak gözlenmiş ve onu asetik ve propiyonik asit fraksiyonları takip etmiştir. Maksimum PHA depolama kapasitesini belirlemek için gerçekleştirilen ve 10 ardışık besleme ile sağlanan akümülasyon deneylerinde, sentetik asetata aklime biyokütlenin aşı olarak kullanıldığı sistemde başlangıç hücre içi PHA konsantrasyonu 0,07 gPHA/gUAKM iken, 10 ardışık besleme sonunda 0,13 gPHA/gUAKM elde edilmiştir. Ekstraksiyon deneyleri sonucunda, maksimum PHA saflığı yaş biyokütlenin NaOCl ile ekstraksiyonu ile %21 (PHA geri kazanımı %87) olarak belirlenirken, maksimum PHA geri kazanımı %93 olarak (%16 saflık) 4 gün kurutulmuş biyokütlenin atık NaOH ile ekstraksiyonuyla elde edilmiştir. 4-çevrim olarak işletilen bulgur atıksuyu ile zenginleştirilmiş biyokütlenin aşı olarak kullanıldığı sistemde biyokütle başlangıç noktasında 0,02 gPHA/gUAKM PHA içeriğine sahip olup, onuncu beslemeden sonra maksimum PHA içeriği 0,30 gPHA/gUAKM olarak elde edilmiştir. Yapılan ekstraksiyon çalışmalarında en yüksek saflık oranı %48 olarak 3 gün kurutulmuş biyokütlenin NaOCl ile ekstraksiyonuyla elde edilmiştir (PHA geri kazanımı %66). En yüksek PHA geri kazanımı ise liyofilize biyokütlenin atık NaOH ile ekstraksiyonu ile %96 (%32 saflık) olarak belirlenmiştir. Bu tez kapsamında yapılan ekstraksiyon çalışmaları endüstriyel atıksulardan PHA üretiminin ön fizibilitesini ortaya koyabilmek için gerçekleştirilmiş olup, endüstrilerde bu yaklaşımın uygulanabilirliğine ilişkin değerlendirme yapılabilmesi için gerekli veriler elde edilmiştir. Atıksu numunelerinin alındığı tekstil endüstrisine yönelik yapılan fizibilite çalışmasında, bu atıksu numunelerinden en verimli PHA üretimi için, atıksu depolama/dengeleme tankından beslenen 10 m³'lük bir zenginleştirme reaktörünün inşa edilmesi gerektiği belirlenmiştir. Günlük yaklaşık 38 m³ yumuşatma atıksuyunun 35 m³'ü zenginleştirme için, 3 m³'ü ise 2 m³'lük bir reaktörde PHA birikimi için kullanılacaktır. Deneysel çalışmalar ışığında tekstil atıksularından günde yaklaşık 0,8 kg PHA elde edilmesinin mümkün olabileceği belirlenmiştir. Elde edilen PHA biyopolimerinin NaOCl ile ekstraksiyonu sonucunda %100 geri kazanım ile 0,8 kgPHA/gün üretilebilecektir. Ekstraksiyon prosesi için fabrikada oluşan atık NaOH akımı kullanıldığında ise geri kazanım en yüksek %76 oranında olacağından üretilebilecek PHA miktarı 0,6 kgPHA/gün olarak belirlenmiştir. Her iki ekstraksiyon yöntemi için elde edilen PHA depolamış biyokütlenin 3 günlük kurutma işlemine tabi tutulması öngörülmüştür. PHA üretimi için reaktör işletme maliyetlerinin tesis atıksu arıtma maliyetlerine oranla %25 daha fazla olması durumunda dahi, üretilen PHA maliyetinin 4,80 Avro/kgPHA olacağı hesaplanmıştır. Ekstraksiyon işleminin ticari NaOCl kullanılarak gerçekleştiği durumda maliyet 7,42 Avro/kgPHA'ya yükselmektedir. Ancak tesiste oluşan atık NaOH banyosunun ekstraksiyon için kullanılması durumunda maliyet 6,31 Avro/kgPHA olarak hesaplanmıştır.