İlaç aktif maddelerinin abiyotik-biyotik adsorpsiyon prosesleriyle giderimi ve biyorejenerasyonu
Removal of pharmaceuticals by abiotic and biotic adsorption processes and bioregeneration
Yazar: GULIMILA YALIMAI
Danışman: PROF. DR. GÜLSÜM YILMAZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, parasetamol (PAR) ve karbamazepinin (CBZ), toz aktif karbon (TAK) ile adsorpsiyon, desorpsiyon ve biyorejenerasyonu araştırılmıştır. Biyorejenerasyon çalışmalarına paralel olarak kontrol amaçlı, ilaç aktif maddesinin biyodegradasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. 
Abiyotik ortamda gerçekleştirdiğimiz adsorpsiyon deneylerinde adsorban olarak ahşap bazlı toz aktif karbon kullanılmış olup, her iki maddenin uygun temas süresi ve uygun TAK dozu ile adsorpsiyonu yüksek verimle (>%99) gerçekleşmiştir. Desorpsiyon deneyleri abiyotik ortamda 25oC'de gerçekleştirilmiş olup, her iki madde için yüksek desorpsiyon verimi elde edilememiştir. Her iki madde için aynı aktif karbon kullanıldığı için maddenin fizikokimyasal özelliğine bağlı olarak PAR'ün konsantrasyon gradyanı ile gerçekleşen kümülatif desorpsiyon verimi (%26,3) CBZ'e (%5,4) göre daha yüksek bulunmuştur. Bu sonuç, maddenin tersinirliği adsorban özelliği dışında adsorbatın özelliğine de bağlı olduğunu göstermiştir. Biyorejenerasyon çalışmalarında, ilaç aktif maddesiyle yüklenmiş toz aktif karbonun biyorejenere edilebilirliliği üç farklı çamur yaşında araştırılmıştır. Hastane atıksuyu ile beslenen membran biyoreaktör (MBR) sisteminden alınan biyokütle ile gerçekleştirilen biyorejenerasyon deney sonuçlarına göre, PAR'ün SRT 10 gün'deki biyorejenerasyon verimi %17,3, SRT 30 gün'deki biyorejenerasyon verimi %26,8, SRT 60 gün'deki biyorejenerasyon verimi %20,1 olarak, CBZ ise SRT 10 gün'deki biyorejenerasyon verimi %11,5, SRT 30 gün'deki biyorejenerasyon verimi %29,3, SRT 60 gün'deki biyorejenerasyon verimi %26,2 olarak bulunmuştur. Bu sonuçlar, 30 gün çamur yaşının biyorejenerasyon için optimum çamur yaşı olduğunu göstermiştir. CBZ'in desorpsiyon verimi çok düşük olduğu için, CBZ'in biyorejenerasyonu esas olarak hücre dışı enzimlerin etkisi ile gerçekleşmiştir. PAR'ün biyorejenerasyonu ise hem konsantrasyon gradyanı hem hücre dışı enzimlerin etkisi ile gerçekleşmiştir. Sonuçlar, tersinir olmayan bileşiklerin de aktif hücre dışı enzimler sayesinde biyorejenerasyonun mümkün olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, hücre dışı enzimlerin aktif olmasında çamur yaşının çok önemli bir faktör olduğu öngörülmüştür. Havalı ve havasız ortamda yürütülmüş olan biyodegradasyon çalışmalarında PAR, her iki ortamda yüksek miktarda (>%98) parçalanabilmektedir. CBZ ise, havalı ortamda %30-40 civarında biyolojik olarak parçalanabilirken, havasız ortamda parçalanamamaktadır. Bu sonuçlar, mikroorganizmaların aktif olduğu her koşulda PAR'ın kolay parçalanabildiğini göstermektedir. Biyolojik olarak parçalanmaya dirençli olan CBZ'in parçalanabilirliği çamur yaşına bağlı olarak gerçekleşmektedir.

Abstract:
In this study, adsorption, desorption and bioregeneration of paracetamol (PAR) and carbamazepine (CBZ) with powder activated carbon (TAK) were investigated. Parallel to bioregeneration studies, biodegradation studies of pharmaceuticals for control reactor have been carried out. 
In the adsorption experiments carried out in the abiotic environment, wood-based powdered activated carbon was used as the adsorbent and the adsorption of both materials with appropriate contact time and appropriate PAC dose was realized with high efficiency (>99%). Desorption experiments carried out in the abiotic medium at 25oC, and with high desorption efficiency were not obtained for both substances. The cumulative desorption efficiency of PAR (26.3%) was higher than that of CBZ (5.4%), depending on the physicochemical properties of the substance. This result shows that the reversibility of the substance is also dependent on the nature of the adsorbate, besides its adsorbing property. 
In the bioregeneration study, the bioregenerability of powdered active carbon pre-loaded with pharmaceuticals was investigated at three different sludge ages. According to the results obtained from bioregeneration experiment which carried out with activated sludge taken from hospital wastewater membrane bioreactor (MBR) system, the bioregeneration efficiency of PAR at SRT 10 days was found to be 17.3%, bioregeneration efficiency at SRT 30 days was found to be 26.3%, and bioregeneration efficiency at SRT 60 days was found to be 20.1%. For CBZ, the bioregeneration efficiency at SRT 10 days was found to be 11.5%, biyoregeneration efficiency at SRT 30 days was found to be 29.3%, and biyoregeneration efficiency at SRT 60 days was found to be 26.2%. These results show that sludge age of 30 days is the optimum sludge age for bioregeneration. Since the desorption efficiency of CBZ is very low, CBZ bioregeneration has been achieved mainly by extracellular enzymes. The bioregeneration of PAR has been effected by both desorbability and extracellular enzymes. The results showed that bioregenerations of non-reversible compounds were also possible via active extracellular enzymes. For this reason, sludge age is predicted to be a very important factor for the activity of extracellular enzymes. In biodegradation studies carried out in both aerobic and anaerobic/anoxic conditions, PAR is able to biodegraded of high efficiency (> 98%) in both conditions. CBZ does not biodegraded in the anaerobic/anoxic conditions. In aerobic conditions it can be biologically degraded up to 30-40%. These results show that PAR can be easily biodegraded in all conditions where microorganisms are alive. The degradability of the resistant substance of CBZ depends on the operating conditions and the characterization of the sludge.