Turşu endüstrisi atıksularının biyopolimer üretim potansiyelinin belirlenmesi
Determination of biopolymer production potential of pickle industry's wastewater
Yazar: DİLARA ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Plastiklerin kullanımı dünya genelinde her geçen yıl artmaktadır. Bu artış hem atık problemini hem de ham madde problemini beraberinde getirmektedir. Atık problemi sebebiyle politik ve çevresel sorunlar tüm dünyada yaşanmaktadır. Depolama alanları olarak günümüzde adalar ve okyanuslar dahil çok büyük alanlar kullanılmaktadır. Bunun yanında petrol türevlerinin kullanıldığı konvansiyonel plastikler için ham madde problemi yakın gelecekte yaşanmaya başlanacaktır. Bu doğrultuda alternatif kaynaklar aranmaya başlanmıştır. Özellikle alternatif olarak sunulabilecek bu kaynakların doğada çözünebilen çevre dostu kaynaklar olması önem taşımaktadır. Biyoplastikler yeni arayışlara bir seçenek oluşturmuştur. Biyoplastikler yenilenebilir kaynaklardan üretilmesine karşın getirdiği maliyet dolayısıyla geliştirilmeye muhtaçtır. Bu tez kapsamında hem biyo-bozunur hem de biyo-bazlı olarak katagorize edilen PHA biyopolimerlerinin üretim stratejileri incelenmiştir. PHA biyopolimerlerinin depolanabilmesi için farklı sistem konfigürasyonlarının deneme çalışması yapılmıştır. Çalışma çamur yaşı ve organik yükleme hızı gibi parametrelerin ardışık kesikli sistemlerde optimize edilmesini içermektedir. Kaynak probleminin getirdiği ekonomik zorluklara yönelik endüstriyel atıksularla çalışılması planlanmış ve karakterizasyonuna bakılarak turşu endüstrisi atıksularının kullanımı uygun görülmüştür. Turşu endüstrisi atıksuları uçucu yağ asitleri konsantrasyonu ve kompozisyonu bakımından PHA biyopolimer depolaması için uygundur. Ayrıca turşu endüstrisi atıksuları içerdiği yüksek tuzluluk dolayısıyla PHA biyopolimerlerinin depolandığı stres koşullarını sağlaması bakımından uygun görülmüştür. Çalışma üç farklı çamur yaşının seçildiği ardışık kesikli sistem incelemesini içermektedir. Seçilen çamur yaşları literatür doğrultusunda 2 gün, 4 gün ve 6 gün olarak seçilmiştir. Ayrıca sistemler iki farklı organik yükleme hızıyla çalıştırılmış ve artan organik yükleme hızının etkileri incelenmiştir.  
Reaktörler 2, 4 ve 6 günlük çamur yaşları için sırasıyla 137, 151 ve 191 gün çalıştırılmıştır. Herbir reaktör için haftalık olarak numuneler alınarak sistemin performans izlemeleri yapılmıştır. Performans izleme çalışmaları dahilinde KOİ, AKM, UAKM ve PHA biyopolimer ölçümleri yapılmıştır. Haftalık sistem performans izlemeleri organik yükleme hızının arttığı dönemde de uygulanmıştır. Ayrıca sistemin maksimum PHA depolama potansiyelinin görülmesi adına herbir sisteme 3'er defa çevrimiçi izleme çalışması yapılmıştır. Böylece sistem bir çevrim süresi (24 saat) boyunca izlenmiştir.  Yapılan çevrimiçi çalışmalarda çamur yaşı 2 gün reaktörü için 2880 mg KOİ/L.gün besleme yapıldığında %PHA olarak %62 g KOİ/g UAKM ve ΔPHA olarak 48 g KOİ/g UAKM depolama miktarları bulunmuştur. Aynı sistemde 5760 mg KOİ/L.gün besleme yapılırken %PHA olarak %83 g KOİ/g UAKM ve ΔPHA olarak 74.5 g KOİ/g UAKM depolama miktarları bulunmuştur. Çamur yaşı 4 gün olarak işletilen reaktörde ise ilk rejimde %PHA olarak %42 g KOİ/g UAKM ve ΔPHA olarak 32 g KOİ/g UAKM iken ikinci rejimde %PHA olarak %70 g KOİ/g UAKM ve ΔPHA olarak 56 g KOİ/g UAKM olmuştur. Çamur yaşı 6 gün reaktöründe ise sonuçlar %PHA olarak %40 g KOİ/g UAKM ve ΔPHA olarak 30 g KOİ/g UAKM iken ikinci rejimde %PHA olarak %66 g KOİ/g UAKM ve ΔPHA olarak 50 g KOİ/g UAKM olmuştur. Böylece sistem performansının azalan çamur yaşıyla arttığı görülmektedir. Organik yüklemenin iki katına çıkarılması da sisteme olumlu etki yapmıştır. Bu çalışma göstermektedir ki turşu endüstrisi atıksuları kullanılarak PHA biyopolimerleri üretilebilmektedir.

Abstract:
Plastic usage increases every year. This increase is being followed by waste problem and resource problem. There are lots of politic and environmental issues due to the waste problem in worldwide scale. Huge areas-including oceans and islands- are being used for storing the waste.  Therefore enviromental damage is being given, faunas are being harmed, water is being polluted. Also, conventional plastics are made from petroleum and petroleum resources are about to be depleted. So, alternative resources are wanted and under development.  The alternative resources should be environment friendly and bio-degredable. Bioplastics can be considered a good option. They are being produced by renewable resources but their cost need to be researced. This thesis offers PHA biopolymer production strategies which is categorized as biodegreable and biobased. Different system configrations have been tried for storing PHA biopolymers. This work contains optimization of sludge age and organic loading rate for sequencing batch reactor.  To avoid financial diffuculties, industrial wastewaters have been used. Pickle wastewaters' volatile fatty acid concentration and composition is fit for storing maximum amount of PHA biopolymers, therefore pickle wastewaters have been used for this work. Also pickle wastewaters salt rate is high which is needed to obtain the stress conditions for storing PHA biopolymers. In this study feast/famine strategies have used for PHA bioplymer accumulations. Reactors have worked with pickle wastewater at 6 pH. Reactor temperatures are 20±2 ºC.    This study contains three different sludge ages used in sequencing batch reactor. Sludge ages have been chosen by literature, and ages are 2 days,4 days and 6 days, respectively. Systems also worked on different organic loading rates to detect the effect of the organic loading rates. For first cycle organic loading rate is 2880 mg/L.day and in second cycle organic loaading rate is 5760 mg/L.day. Cloride concentrations for cycle one 7330 mg 𝐶𝑙−/L and in cycle two concentration of cloride is 16360 mg𝐶𝑙−/L. First cycle has worked 153 days for sludge age 6 reactor, 113 days for sludge age 4 days reactor and 100 days for sludge age 2 days reactor. After that days reactors have turned to second cycle tipe.  Reactors worked 137 days, 151 days and 191 days for the sludge ages of 2 days, 4 days and 6 days, respectivelty.  

Reactor volumes chosen 3L for 6 days and 2L for 2 and 4 days. Samples taken weekly and systems performance monitored. While monitoring, analysis' for COD, TSS, VSS and PHA biopolymer have been done. Weekly monitoring continued while organic loading rate is increased. For detecting the potential of maximum PHA storage, each system have been watched in cycle 3 times. Therefore system have been watched for one cycle (24 hours). In sequencing batch reactor 10 minutes for idle phase, 1320 minutes for aeration and reaction phase, 90 minutes for settling phase and 20 minutes for draw phase are chosen. System performances have been watched 3 times per week. Effluent quallities for sludge age 6 reactor pH 8,6, 170±110 mg TSS /L, 110±70 mg VSS/L and 195±45 mg COD/L. In first cycle VSS/TSS ratio equal to 0,69 and in second cycle it is equal to 0.54. Effluent quallities for sludge age 4 reactor pH 8.1, 125±80 mg TSS /L, 80±40 mg VSS/L and 200±50 mg COD/L. In first cycle VSS/TSS ratio equal to 0,71 and in second cycle it is equal to 0,61. Effluent quallities for sludge age 2 reactor pH 8,4, 150±100 mg TSS /L, 100±70 mg VSS/L and 160±60 mg COD/L. In first cycle VSS/TSS ratio equal to 0,69 and in second cycle it is equal to 0.59. Cycle analysis results are following : For sludge age 2 days and substrate concentration is 2880 mg COD/L × day. After feeding, PHA% is found 62% gCOD / gVSS  and ΔPHA is found 48 g COD / gVSS is stored. In the same system , 5760 mg COD / L × day feeding have been performed and PHA% is found 83% gCOD /gVSS and ΔPHA is found 74,5 gCOD / gVSS storage has been noted. For sludge age 4 days, in the first regime ; PHA% is found 42% gCOD / gVSS and ΔPHA is found 32 gCOD/gVSS storage and second regime PHA% is found 70% gCOD/gVSS and ΔPHA is found 56 g COD/gVSS noted. 

For sludge age 6 days, in first part PHA% is found 40% g COD / g VSS and ΔPHA is found 30 g COD/g VSS and after the feeding in second part PHA% is found 66%g COD/g VSS and ΔPHA is found 50 g COD/g VSS. As a overall result, we can see that the low sludge age works better in the system. Also, doubled organic loading rate increased the performance as well. This study shows PHA biopolymers can be produced by using pickle wastewaters. Compositions of volitile fatty acids have great effect of PHA biopolymers' monomers.  Low sludge ages and high organic loading rates fits best for PHA storages accoring to this study. It should be noted that high organic loading rates optimisations important for the feast/famine ratio.