Gümüş-bakır iyonlarının galvanizli çeliğin mikrobiyolojik korozyonuna etkisi
The effect of silver-copper ions to microbiological corrosion of galvanized steel
Yazar: TUBA ÜNSAL
Danışman: DOÇ. DR. ESRA  İLHAN SUNGUR ; PROF. DR. NURHAN CANSEVER
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Temel ve Endüstriyel Mikrobiyoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mikrobiyoloji = Microbiology

Özet:
Mikrobiyal biyofilm ve korozyon, endüstriyel tesislerin vazgeçilmez bir parçası olan soğutma sistemlerindeki en yaygın sorunların başında gelmekte olup, bakım giderlerinin artmasına ve enerji kayıplarına neden olmaktadır. Bu nedenle endüstriyel sistemlerde mikrobiyal aktivitenin kontrolü ve inhibisyonu gerekmektedir. Günümüzde son derece önemli bir konu olan ancak uygulamada yeteri kadar üzerinde durulmayan biyofilmin kontrolü, endüstriyel yatırım ve üretim maliyetlerini etkileyen en önemli faktörler arasındadır. 

Endüstride mikroorganizmaların kontrolü için kullanılan biyositlerin çoğu potansiyel karsinojen maddeler olup, bu maddeler içme ve kullanma sularına karışabilmektedirler, bu nedenle de biyosit kullanımında ortaya çıkan ekolojik ve çevresel problemleri engellemek için endüstride kullanımlarına dair yasal sınırlamalar getirilmiştir. Bu bakımdan yeni yöntemlerin geliştirilmesi ve var olan yöntemlerin bilinçli kullanımı daha da önem kazanmaktadır. Günümüzde biyosit kullanımına alternatif ve çevreyle dost olan Ag-Cu iyonizasyon sistemi tercih edilmektedir. Amerika ve Avrupa'da su hijyeni konusunda kullanımı ilk sıralarda tavsiye edilen bu sistemin, ülkemizde bilinçli kullanımı henüz gerçekleşmemiştir. Ag-Cu iyonları ile yapılan çalışmaların genellikle kısa süreli ve saf suşlar ile gerçekleştirilmiş olduğu belirlenmiştir. Bu iyonların uzun süreli uygulamalarında, metal yüzeylerde karışık mikroorganizma gruplarını içerdiği düşünülen olgunlaşma sürecindeki biyofilmin galvanizli çelikte neden olduğu mikrobiyolojik korozyona, biyofilmdeki aerobik heterotrofik (AHB) ve sülfat indirgeyen bakteriler (SRB) üzerine biyosidal etkinliğine ve biyofilmin yapısını nasıl etkilediğine dair bir çalışmaya rastlanmamıştır.

Tez kapsamında, EPA (Environmental Protection Agency) içme suyu için belirlenen maksimum Ag ve Cu iyon konsantrasyon değerlerinin (0.1 ppm Ag ve 1.3 ppm Cu) soğutma kulesini simüle eden model bir su sirkülasyon sisteminde; galvanizli çelik yüzeylerde oluşan karışık mikroorganizma gruplarını içerdiği düşünülen olgunlaşma sürecindeki biyofilmin galvanizli çelikte neden olduğu mikrobiyolojik korozyonuna, biyofilmdeki AHB ve SRB'lere karşı biyosidal etkinliğine ve biyofilmin yapısına olan etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Böylece Ag ve Cu iyonlarının uzun süreli kullanımlarında gelişmiş biyofilmin kontrolünde etkili olup olmadıkları ve bu süreçte biyofilmdeki değişimlerin biyofilmin direncini ve buna bağlı olarak galvanizli çeliğin mikrobiyolojik korozyon davranışını nasıl etkilediğinin belirlenmesi hedeflenmiştir. 

Bu amaçlar doğrultusunda, deneyler, 3'ü kontrol olmak üzere, 5 farklı düzenekte gerçekleştirilmiştir. Galvanizli çelik kuponlar model su sirkülasyon deney sistemine yerleştirilmiş ve sistem 6 ay boyunca kesintisiz olarak işletilmiştir. Sistemden aylık olarak çıkarılan kuponlardan mikrobiyolojik, EPS eldesi, ağır metal ve ayrıca korozyon oluşum analizleri gerçekleştirilmiştir. Sistem çalıştıktan bir ay sonra laboratuvar ölçekli iyonlu deney düzeneği devreye alınmış ve daha sonraki aylarda da yeniden kurulmuştur. Model su sisteminden her ay düzenli olarak çıkarılan kuponlar, 504 sa boyunca Ag-Cu iyonlarına maruz bırakılmıştır. Belirli temas süreleri (0, 6, 24, 168, 336 ve 504 sa) sonunda çıkarılan kuponlardan mikrobiyolojik, EPS eldesi, ağır metal ve ayrıca korozyon oluşum analizleri gerçekleştirilmiştir. Şebeke suyunun galvanizli çelik üzerine korozif etkisinin tespiti için kurulan steril kontrol sistemi (Kontrol 1), steril şebeke suyu ile doldurulmuş, galvanizli çelik kuponlar sisteme yerleştirilmiş ve sistem 6 ay süresince kesintisiz olarak laminar flowda işletilmiştir. Sistemden aylık olarak çıkarılan kuponların ağırlık kayıpları tespit edilmiş ve korozyon hızları hesaplanmıştır. Sistem çalıştırıldıktan bir ay sonrasından itibaren şebeke suyuna ek olarak Ag-Cu iyonlarının galvanizli çeliğin korozyon davranışına olan etkisini tespit etmek için laboratuvar ölçekli iyonlu steril kontrol düzeneği (Kontrol 2) kurulmuştur. Kontrol 1 sisteminden her ay düzenli olarak çıkarılan kuponlar, 504 sa boyunca Ag-Cu iyonlarına maruz bırakılmıştır. Belirli temas süreleri (0, 6, 24, 168, 336 ve 504 sa) sonunda çıkarılan kuponların ağırlık kayıpları saptanmış ve korozyon hızları hesaplanmıştır. Biyofilm içeren galvanizli çelik yüzeylere 504 sa boyunca model sistem suyunun etkisini belirlemek için ise laboratuvar ölçekli iyonsuz kontrol düzeneği (Kontrol 3) kurulmuştur. Her ay model su sirkülasyon deney sistemden çıkarılan kuponlar 504 sa boyunca model sistem suyuna maruz bırakılmıştır. Düzenek birinci aydan itibaren her ay düzenli olarak kurulmuş ve 504 sa boyunca laminar flow içerisinde işletilmiştir. Kuponların, 0, 6, 24, 168, 336 ve 504 sa'lik temas süreleri sonunda ağırlık kayıpları tespit edilmiş ve korozyon hızları hesaplanmıştır.
Deney süresince EIS deneyleri ve SEM incelemeleri ve EDS analizleri ile biyofilmin tabakalaştığı ve yapısının sürekli olarak değiştiği belirlenmiştir. Model sistemdeki sesil aerobik bakteri sayısının planktonik fazdakinden anlamlı derecede yüksek olduğu saptanmıştır (p<0.05). Karışık mikroorganizma gruplarının kendi ürettiği EPS'yi kullanabildiği tespit edilmiştir. Ağırlık kaybı ve elektrokimyasal deneylerden elde edilen veriler, model su sistemindeki galvanizli çeliğin mikrobiyolojik olarak korozyona uğradığını göstermektedir. Ag-Cu iyonlarına maruz kalan planktonik AHB sayısının 6 sa'lik temas süresine kadar azaldığı ve sonrasında artış gösterdiği, biyofilmdeki sayılarının ise ilk 5 aylık (Eylül-Ocak) deney sürecinde 24. sa'te kadar azaldığı ve sonrasında arttığı tespit edilmiştir. Sudaki AHB log düşüşünün SRB'den anlamlı derecede yüksek olduğu tespit edilmiştir (p<0.01). Ag-Cu iyonlarına maruz kalan biyofilmdeki EPS içeriğindeki karbonhidrat ve protein miktarının genel olarak 168. sa'lik temas süresi sonrasında azaldığı tespit edilmiştir. Ag-Cu iyonlarına temas sürelerine göre ise deney kuponlarının korozyon hızının zamanla azaldığı (p<0.01), kontrol kuponlarınkinin ise zamanla arttığı tespit edilmiştir (p<0.01). 

Tez çalışmasından elde edilen veriler doğrultusunda, biyofilmin dinamik bir yapıda olduğu, 504 sa'lik temas süresi sonunda EPA'nın önerdiği maksimum Ag (0.1 ppm) ve Cu (1.3 ppm) iyon konsantrasyonlarının karışık mikroorganizmaları içerdiği düşünülen biyofilmdeki AHB ve SRB'lere biyosidal etkinliğinin yeterli olmadığı, Ag-Cu iyonlarının biyofilmin yapısını değiştirdiği fakat biyofilmin galvanizli çelikte neden olduğu mikrobiyolojik korozyon hızını değiştirmemekle birlikte metalin korozyonunu kimyasal olarak hızlandırdığı sonuçlarına varılmıştır.

Abstract:
The major problems occurring in the cooling towers, which are indispensable parts of industrial facilities, include corrosion, pollution, and biofilm formation. Microbial biofilm and corrosion are one of the most frequent problems in cooling systems and they cause increases of maintenance costs and energetic losses. Therefore, the control and inhibition of microbial activity are required in industrial systems. Nowadays, the control of biofilm formation, which is a crucial issue in industry but not focused adequately during the application procedure, is one of the most important factors affecting the industrial investment and production costs.

Most of the biocides used in the control of microorganisms in the industry are potential carcinogenic substances and these may flow into rivers or refinement system waters. In order to prevent ecological and environmental problems regarding the use of biocides, legal limitations of the use of biocides have been provided. It is therefore developing new methods and using the existing methods consciously become even more important. Nowadays, Ag-Cu ionization system, which is an alternative to biocide usage and is environmentally friendly, is preferred. Although in America and Europe, this method has been recommended in the first place for water hygiene, it has not been used consciously in our country yet. It was determined that the studies performed with Ag-Cu ions were carried out with pure strains and in short-times. In the long-term applications of these ions, there are no studies, about the effect of ions on the microbial corrosion of the galvanized steel surfaces during the maturing period of biofilm and how the ions affect the structure of the biofilm and the biocidal effect on SRB and AHB in the biofilm formed on the galvanized steel surfaces.

Within the scope of this thesis, a model water circulation system simulating a cooling tower was designed and the effect of Ag and Cu concentration levels, in accordance with EPA (Environmental Protection Agency, 0.1 ppm Ag and 1.3 ppm Cu) standarts on the maturing biofilm containing mixed bacterial population on galvanized steel surfaces was studied. It was aimed to determine the effect of ions on the microbial corrosion of the galvanized steel surfaces, how the ions affect the structure of the biofilm and the biocidal effect on of SRB and AHB in the biofilm formed on the galvanized steel surfaces. Therefore, by showing the changes of the biofilm structure in time, it was aimed to determine if these ions are efficient in the control of mature biofilm over a long period of use. In addition, the resistance of biofilm and how galvanized steel affects the microbiogical corrosion behavior will be identified.

In accordance with these purposes, the experiments were carried out in five separate systems, three of which were control. Galvanized steel coupons were placed in the model water circulation test system and the system was operated continuously for 6 months. Microbiological, EPS, heavy metal and corrosion formation analyses were carried out for galvanized steel coupons extracted from the model water circulation system monthly. After a month of the running the circulation system, the laboratory-scale experimental setup containing Ag-Cu ions were put into use. The coupons, which are extracted from the model water circulation system monthly, were subjected to the Ag-Cu ions in the laboratory-scale experimental setup during 504 hours. Microbiological, EPS, heavy metal and corrosion formation analyses were carried out for galvanized steel coupons after different contact times (0, 6, 24, 168, 336 ve 504 hours). Sterile control system (Control 1) was set up to detect the corrosive effect of tap water on galvanized steel. Galvanized steel coupons were placed in the control 1 system and the system was operated continuously for 6 months. The weight loss and the corrosion rates of the coupons, which were extracted from the control 1 system each month, were determined. After a month of the running the control 1 system, the laboratory-scale sterile control setup containing Ag-Cu ions (Control 2) were set up to determine the Ag-Cu ions effect on the microbial corrosion of galvanized steel. The coupons, which are extracted from the control 1 system each month, were subjected to the Ag-Cu ions in the control 2 during 504 hours. The weight loss were determined and the corrosion rates of the coupons were calculated after different contact times (0, 6, 24, 168, 336 ve 504 hours). Laboratory-scale control system without ions (Control 3) was set up to detect the effect of model system water during 504 hours on biofilm including galvanized steel. The coupons, which are extracted from the model system each month, were subjected to the control 3 during 504 hours. The weight loss were determined and the corrosion rates of the coupons were calculated after different contact times (0, 6, 24, 168, 336 ve 504 hours).

During the experiment, the results of EIS experiments and surface analyses showed that the biofilm layers and structure were changed continuously. This suggests that the biofilm is dynamic and constantly changing. It was found that sessile AHB count were higher than planktonic forms in model system (p<0.05). It was determined that the microorganisms in mixed culture had the ability to biodegrade the carbohydrate and protein produced by own. The results of weight loss and electrochemical experimentsindicated that the galvanized steel was underwent microbial corrosion in the model system. It was found that the count of planktonic AHB exposed to Ag-Cu ions decreased up to 6 h contact time to ions and then increased. Also the count of the sessile forms decreased up to 24 h in the first 5 months (September-January) and then increased. It was determined that the log decrease of planktonic AHB were significantly higher than planktonic SRB (p<0.01). It indicates that planktonic SRB forms were more resistant to ions or/and the biofilm protect the SRB. It was determined that the carbonhydrate and protein amounts in the EPS content of the biofilm which was exposed to Ag-Cu ions were decreased after 168 h contact time. According to contact times to ions, it was determined that while the corrosion rates of test coupons were decreased (p<0.01) with time, the control coupons were increased (p<0.01). This is an indication that Ag-Cu ions were accelerated the corrosion of galvanized steel chemically.
The data which were obtained from the thesis showed that, the maximum concentrations of Ag (0.1 ppm) and Cu (1.3 ppm) ions which were suggested by EPA were not sufficent to biocidal activity on AHB and SRB. Also, it indicated that although Ag-Cu changed the biofilm structure, these ions did not alter the microbiological corrosion rate of galvanized steel caused by biofilm at the end of the 504 h contact time.