Membran biyoreaktörlerde (MBR) tıkanmaların önlenmesi için yetersayı etkisinin azaltılması (Quorum quenching) mekanizmasının kullanılması
Using Quorum quenching mechanism to prevent fouling in membran bioreactors
Yazar: MELTEM AĞTAŞ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Dünyamızın %70'i sularla kaplı olmasına rağmen, tatlı su kaynakları bunun yalnızca %2,5'luk oranına tekabül etmektedir. Yanlış ve aşırı kullanım, su kaynaklarının bilinçsizce kirletilmesi hali hazırda az olan bu oranın daha da azalmasına yol açmaktadır. İçme suyu sıkıntısının son yıllarda artmasıyla beraber, su ve atıksu arıtımına verilen önem de paralel olarak artmaktadır. Su ve atıksu arıtımına kullanılan klasik yöntemler zaman zaman yeterli olmamakta veya istenilen su kalitesine ulaşamamaktadır. Bu bağlamda yeni teknolojilerin kullanımı öne çıkmaktadır. Bu yeni teknolojilerden biri de membran proseslerdir. Membran prosesleri temel olarak, iki fazı birbirinden ayıran zar olarak tanımlanabilir. Bahsi geçen iki faz, atıksu arıtımında genellikle sıvı-katı fazdır. 
Membran prosesler farklı özelliklerine göre sınıflandırılabilmektedir. Bunlardan biri de por çapıdır. Por çapına göre membranlar; mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ve ters osmoz olarak ayrılabilir. Bu membranlar kullanım alanlarına göre; kolloidleri, yağ moleküllerini, büyük molekül ağırlığına sahip organikleri, şeker ve bazı multivalent tuzları, çözünmüş katıları hatta bakteri, virüs ve diğer mikropları tutabilmektedir. Özellikle bakteri, virüs ve mikropların tutulması içme suyu arıtımında çok önemli bir etmendir.
Başlangıçta membran prosesler pahalı olmasına rağmen, gün geçtikçe artan membran üretim firmaları, membran üzerine yapılan çalışmaların fazlalaşması ve membranın artan kullanım alanları sayesinde uygulanabilirliği de artmıştır. 
Membran proseslerin kullanıldığı bir alan da membran biyoreaktör (MBR)lerdir. Membran biyoreaktörler, klasik aktif çamur sistemine benzemektedir. MBR'ler temel olarak, biokütleyi tutmak için kullanılan membran ayırma prosesi ile birleştirilmiş klasik bir aktif çamur prosesi olarak tanımlanabilmektedir. MBR'lerin klasik aktif çamur sistemine göre birçok avantajı bulunmaktadır. MBR'lerin son çökeltim tankına ihtiyaç duymaması, MLSS değerlerinin oldukça yüksek olması, kaliteli su çıkışı sağlaması, kompakt bir yapıya sahip olduğundan alandan tasarruf edilmesi bu avantajlardan bazılarıdır. Fakat her proseste olduğu gibi MBR prosesinde de bazı dezavantajlar bulunmaktadır. Bu dezavantajlardan en önemlisi, MBR içerisinde bulunan membranın tıkanmasıdır. Membran tıkanması sonucunda arıtılan su miktarı azalır, membranların temizlenmesi gerekir ve uzun vadede membranların kullanım ömrü azalır. Bu da MBR işletiminde sorun teşkil etmektedir. Özellikle arıtılan su miktarının azalması ekonomik olarak problem olmaktadır. 

Membran tıkanmalarının giderilmesi için fiziksel ve kimyasal temizleme yöntemleri uygulanabilir. Membranların suyla yada su-hava karışımıyla geri yıkanması, membran üzerindeki kirliliğin hava ile sıyrılması fiziksel temizleme yöntemlerindendir. Fiziksel temizleme yöntemlerinin yetersiz kaldığı zamanlarda, kimyasal temizleme uygulanır. Kimyasal temizleme ise, bazı belirli kimyasal çözeltileri ile membranın yıkanması olarak düşünülebilir. Bu temizleme periyotları sırasında sistemin durdurulması gerektiğinden, ayrıca temizleme sırasında uygulanan kimyasal sarfiyatı ve uygulanan havadan dolayı işletme maliyeti artmaktadır. 
Bu membran temizleme yöntemlerinin yanı sıra, yeni metodlar da aranmaktadır. Tıkanmayı önleyici ve/veya azaltıcı yeni yöntemlerden biri de bakteriler yardımı ile yapılmaktadır.
Bu bağlamda yeni bir düşünce tarzı olan  'Yetersayı Etkisi-Quorum Sensing' öne çıkmıştır. Son yıllarda tek hücreli bakteri âlemi hakkındaki anlayışımızda bir dizi değişiklikler meydana gelmiştir. Bakteri hücrelerinin birbirleri ile işbirliği içinde olmadığı, sosyal etkileşim ve çok hücreli davranışları sergilemediğine dair görüşler değişmiştir. Bakterilerin hücre içi aktiviteleri sonucunda karmaşık işbirliği gerektiren davranış modelleri sergilediği görülmüştür. Bu aslında hücre nüfus yoğunluğunun bir fonksiyonu olan ve gen ifadesinin düzenlenmesini kolaylaştıran yayılım özelliğine sahip (bazen fermon veya oto-uyarıcı olarak da adlandırılan) küçük sinyal molekülleri sayesinde gerçekleşir. Bu fenomene 'Yetersayı Etkisi' (QS) ('çoğunluğu algılama') adı verilmektedir.
Yetersayı etkisinin ortaya çıkmasıyla beraber, bu etkiyi ortadan kaldırabilen yani hücreler arası iletişimi kesen bir mekanizma olan 'Yetersayı Etkisinin Azaltılması-Quorum Quenching' mekanizması öne sürülmüştür. Bu mekanizma 3 şekilde işleyebilir. Birincisi sinyal molekülünün üretilmesinin engellenmesi, ikincisi üretilen sinyal molekülünün degredasyonu veya inhibisyonu, son olarakta sinyali alımının önlenmesidir. 
Bu tez kapsamında, üretilen sinyal moleküllerinin degredasyonu yolu denenmiştir. Literatürde bu yolun denemesi için 3 farklı çalışma vardır. Hepsi enzimatik tabanlı olmakla beraber, yöntemler kendi içlerinde farklılık göstermektedir. Burada amaç kullanılan enzimle üretilen sinyal molekülünün degrede edilmesidir. Bu yöntemler; enzimatik yöntem (direkt enzim uygulaması ve manyetik enzim taşıyıcılar), mikrobiyovesel yöntemi ve hücre doldurulmuş boncuklar yöntemidir. Bu çalışmada, mikrobiyovesel yöntemi ve hücre doldurulmuş boncuklar yöntemi denenmiştir

Abstract:
70% of our world is covered with water, although freshwater resources is only 2.5% which corresponds to the ratio. Incorrect and excessive use of water resources, pollution of the water resources lead to a further reduction of this ratio. Increasing shortage of drinking water in recent years, together with the importance given to the water and wastewater treatment is increasing in parallel. Water and wastewater treatment from time to time in the conventional methods is not sufficient or does not reach the desired water quality. In this context, the use of new technology comes to the fore. One of these new technologies are membrane processes. Membrane processes basically be defined as a membrane that separates two phases. These two phases are usually liquid-solid phases in wastewater treatment.
Membrane filtration is used for gel, large molecules, particulate matter, ions, suspended solids and dissolved substances separation. The degree of membrane permeability is dependent on membrane pore diameter. Microfiltration (MF) membranes have the largest pore diameter and we can keep particulate matter on these type of membranes. Most selective membrane is reverse osmosis membrane (RO-reverse osmosis) and these membranes can separate sodium and chlorine monovalent (monovalent) ions. Hydraulic diameters of these ions is less than 1 nm. So we can say, RO membranes have very small pores. These pores can be seen only with a very strong microscope.
By using microfiltration membranes, particles which are molecular size of 0.1 to 20 µm can be handled. In the process of microfiltration separation mechanism is based on the size difference. One of the microfiltration process to use, by fermentation of microorganisms from the resulting product is removed. Also colloids, oil molecules and cells in a heterogeneous distributed particles may also be used in parsing.
Ultrafiltration membranes are used for holding particles pore sized 0.001-0.1 μm. Pressure across the membrane is the driving force behind the mass flow and membranes can be operated at pressures as low as 30-80 psig. Ultrafiltration membranes are used for holding macromolecules, colloidal particles and intensification non-concentrated products. Ultrafiltration in pharmaceutical and food industries, commercial wastewater purification and evaluation of the use also in the production of fruit juice and milk are also available applications.
Nanofiltration membranes's pore size is larger than reverse osmosis membranes's pore size but smaller than ultrafiltration membranes's pore size. These membranes's pore size is approximately 0.002 µm. These membranes are usually used for seperatin organic materials which having a moleculer weight greater than 200 (lactose, sucrose and glucose etc.). Nanofiltration membrane can hold sugar and some multivalent salts (MgSO4 etc.) while most of monovalent salts (NaCl etc.) pass through it. Nanofiltration membranes are used for water softening by holding calcium and magnesium ions, water demineralization, removal of TOC (total organic carbon) from wasterwater and removal of heavy metals. 
By using reverse osmosis membranes (having pore size smaller than 0.001 μm), dissolved substances, viruses, bacterias and other microbes can be removed from the wastewater. The most important area of usage of reverse osmosis process is obtaining drinking water from sea water. The most prominent feature in this process, however, is no phase change occurs. According to other membrane processes, this process requires relatively low amounts of energy. Fields of application of this process is very wide. Food processing and production of ultra-pure water for electronics industry, water production for the pulp and paper industry, obtain quality water in pharmaceutical industry, and waste water treatment applications like can be mentioned.
Membrane materials generally are two types of polymeric and ceramic. There are also metal membrane filters, but there are specific application areas for such membranes.
Many polymeric and ceramic materials are used in making the membrane, but in general top layer will provide the necessary selective permeability and a thin surface layer to provide mechanical stability layer has a thicker porous support. Therefore a conventional membrane has a anisotropic structure. Polymeric membranes generally; high surface porosity and may be selective as possible for high efficiency and fine pore size distribution, are to be produced. The membrane must also be mechanically strong. The membrane material must be resistant to thermal and chemical etching, because the membrane is chemically cleaned, it will expose to excessive temperature, pH and / or be exposed to concentrations of oxidant. Against further clogging, the membrane material should be slightly resistant.
One of the areas which membrane processes used in is membran bioreactors (MBR). The first membrane bioreactor, in the late 1960s has been commercially developed by Dorr-Oliver. This bioreactor, was applied on ships for purifying waste. Other laboratory scale MBRs which are associated with the activated sludge process has been reported in the same years. 
Membrane bioreactors, is similar to the conventional activated sludge system. MBRs mainly can be defined as a conventional activated sludge system which is combined with membrane processes to keep biomass in the aeration basin. MBRs have many advantages compared to conventional activated sludge systems. A MBR does not need the final sedimentation tank, has quite high MLSS values, provides quality water output, has a compact structure which helps to save space. However, in each process, as in the MBR process has several disadvantages. The most important of these disadvantages is the clogging of the membrane which is in the MBR. As a result of membrane fouling, amount of treated water is reduced. Therefor the membranes should be cleaned and in the long term life of the membrane is reduced. This poses problems in the MBR operation. Reducing the amount of treated water can economically be a problem.
Physical methods and chemical cleaning can be used for removal of membrane fouling. Backwashing membranes with water or water-air mixture, the membrane stripping with air are physical cleaning methods. When physical cleaning methods are insufficient, chemical cleaning is applied. Chemical cleaning can be considered as washing membranes with certain chemical solutions. During this cleaning cycle, system must be stopped, furthermore the chemical consumption which occurs during cleaning and applying air increase operation costs.
Besides these membrane cleaning methods, new methods are being sought. Clogging preventive and / or reducing new methods are carried out with the aid of bacteria. In this context, a new way of thinking that 'Quorum Sensing' has come forward. In recent years, a number of changes have occurred about our understanding about the kingdom of single-celled bacteria. 
The opinions about bacterial cells aren't in cooperation with each other, whether they don't exhibit social interaction and multicellular behavior has changed. As a result of the intracellular activity of bacteria that require complicated cooperation has been observed to exhibit behavior models. This is actually achieved by the small signal molecules which are function of the cell population density and facilitate the regulation of gene expression and with the emission characteristic (Fermon or auto-stimulatory sometimes called). This phenomenon is called Quorum Sensing. 
The higher bacterial population density increase QS signaling molecules, as a result of increased synthesis of extracellular signaling molecules in the medium increases the concentration of QS. By threshold concentration is reached, the signal transduction cascade is activated. This cascade supresses the QS target genes which are necessary to synthesis the QS signal molecules. This pressure increase the production of these signals.  
Today, we can see that the methods developed for the control of microorganisms are very few. But microorganisms that have developed resistance mechanisms are varied accordingly. Quorum quenching is the way to destroy the signal communication between microorganisms and keep the community of microorganisms under control. The researches about Quorum quenching mechanism are based on three strategies
The first strategy is preventing the production of quorum sensing molecules. Second, the QS molecule degradation or inhibition methods are used. The most common way of preventing the spread of QS signal is degradation of QS signals. The last method is preventing the receiving the signal molecule. To prevent QS signal is received, the AHL analogs, which are competing against the receptor, are being tested. Such analogs are generally derived by extending the side chain of AHL molecules. 
In this thesis, degradation of signaling molecules produced is tested. In the literature, there are three different studies to try this way of thinking. All enzymatic-based, although the methods are different in themselves. The goal here is degradation of signal molecule with the produced enzyme. These methods are enzymatic methods (direct application of enzymes and magnetic enzyme carrier), microbiovessel method and the cell entraping bead method. In this study, microbiovessel method and the cell entraping bead method were tested.