Meyve işleme endüstrisi atıksuyundan polihidroksialkanoat üretim koşullarının araştırılması
Investigation of conditions of polyhdroxyalkanoate production from fruit processing industry wastewater
Yazar: EZGİ BEZİRHAN ARIKAN
Danışman: DOÇ. DR. HAVVA DUYGU BİLGEN
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, meyve işleme endüstrisi atıksuyundan ardışık kesikli reaktörlerde Polihidroksialkanoat (PHA) biyopolimerinin üretimi araştırılmıştır. Bu amaçla, (i) meyve işleme endüstrisi atıksuyu ve kıtlık evrelerinin başlangıcında azot (N) fosfor (P) ilavesi yapılarak, (ii) meyve işleme endüstrisi atıksuyu ile N-P ilavesi yapılmadan, (iii)sentetik atıksu ile kıtlık evrelerinin başlangıcında N-P ilavesi yapılarak ve (iv)sentetik atıksu ile N-P ilavesi yapılmadan olmak üzere 4 farklı koşulda aklimasyon (kültür zenginleştirme) araştırılmıştır. Aklimasyon, atıksuların, 6 gün çamur yaşı, 1 döngü ve 2 g KOİ/L.gün hacimsel yük ile aerobik dinamik besleme koşullarında ardışık kesikli reaktörlerde (4 L) 30 gün boyunca işletilmesi ile gerçekleştirilmiştir.
Çalışmanın ilk aşamasında, optimum bolluk süresi ve optimum organik yükün belirlenebilmesi amacı ile reaktörlere 2 şer gün aralıklarla farklı organik yükteki (1, 2, 3, 4, 5 g KOİ/L) atıksular beslenmiş ve her bir organik yüklemedeki PHA üretimi belirlenmiştir. Optimum organik yükün belirlenmesi çalışmalarında, organik yükün artması ile PHA üretiminin de arttığı belirlenmiştir. Ayrıca, 4 g KOİ/L organik yükün reaktörlerde, 1/3 bolluk/kıtlık süresi oranını sağlaması nedeniyle optimum organik yük 4 g KOİ/L olarak belirlenmiştir. Optimum organik yükteki atıksular ile beslenen reaktörlerde PHA üretim kapasiteleri sırası ile 1. koşulda %1,55 (g PHA/g kuru biyokütle), 2. koşulda %7,89 (g PHA/g kuru biyokütle), 3. koşulda %7,30 (g PHA/g kuru biyokütle) ve 4. koşulda %3,25 (g PHA/g kuru biyokütle) olarak belirlenmiştir. Bu nedenle gerçek atıksu ile beslenen reaktörlerde N-P ilavesinin PHA üretim kapasitesini azalttığı, buna karşın, sentetik atıksu ile beslenen reaktörlerde N-P ilavesinin PHA üretim kapasitesini artırdığı tespit edilmiştir.
Çalışmanın ikinci aşamasında, 4 farklı koşuldaki reaktörlerin tümü, aynı işletme koşullarında (6 gün çamur yaşı, 24 sa döngü, 2 g KOİ/L.gün hacimsel yük) ancak 4 g KOİ/L organik yükteki atıksular ile 20 gün daha işletilmiş ve aklimasyon tamamlanmıştır. Aklimasyonun tamamlanmasının ardından, bir döngü boyunca her bir reaktörden her saat başı numuneler alınmış ve PHA analizleri gerçekleştirilmiştir. 24 saatlik döngü analizleri sonucunda, sentetik atıksu ile beslenerek azot fosfor ilavesi ile aklime edilen reaktörde döngünün başlangıcından 3 saat sonra en yüksek PHA üretim kapasitesinin %21,16 (g PHA/g kuru biyokütle)  olduğu tespit edilmiştir. Gerçek atıksu ile beslenerek azot fosfor ilavesi yapılmadan aklime edilen reaktörde ise döngünün başlangıcından 4 saat sonra en yüksek PHA üretim kapasitesinin %60,94 (g PHA/g kuru biyokütle)  olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak, azot fosfor ilave edilmeden gerçek atıksu ile beslenerek aklime edilen çamurdaki biyokütlelerin PHA depolama adaptasyonunun daha iyi olduğu belirlenmiştir.
Çalışmanın son aşamasında,  2 farklı aklime çamur ile gerçek meyve işleme endüstrisi atıksuyundan, çamur yaşının ve hacimsel yükün PHA üretimine etkisi araştırılmıştır. Sonuç olarak, meyve işleme endüstrisi atıksuyunda çamur yaşının azalması ile üretilen PHA üretim kapasitesinin arttığı, hacimsel yükün artması ile de PHA üretim kapasitesinin arttığı tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, the production of polyhydroxyalkanoate (PHA) biopolymer from fruit processing industry wastewater was investigated in sequential batch reactors. For this purpose, activated sludge obtained from domestic wastewater treatment plant was acclimated in 4 different conditions;(i) with real fruit processing industry wastewater and nitrogen-phosphorus addition at the famine phase, (ii) with real fruit processing industry wastewater and without nitrogen-phosphorus addition, (iii) with synthetic wastewater and nitrogen-phosphorus addition at the famine phase, (iv) with synthetic wastewater and without nitrogen-phosphorus addition. Acclimation experiments was carried out in laboratory-scale reactors (4 L) and reactors was then operated at 6 days of sludge retention time and with one cycle for 30 days in aerobic dynamic feeding.
At the first stage of the study, each reactor was operated with different organic loading rate (1, 2, 3, 4, 5 g COD / L) wastewater in order to determine the optimum organic loading rate (OLR) with optimum feast phase time for 10 days and PHA production was determined for each different OLR. It was determined that PHA production increased with increasing OLR and optimum OLR was determined as 4 g COD/L, because of providing 1/3 feast/famine ratio in the reactors. For the optimum OLR, PHA production capacities were determined as 1.55% (g PHA/g dry biomass) for the first condition, 7.89% (g PHA/g dry biomass) for the 2nd condition, 7.30% (g PHA/g dry biomass) for the 3rd condition and 3.25% (g PHA/g dry biomass) for the 4th condition, respectively. Therefore, it was concluded that the addition of N-P in the reactors fed with real wastewater reduced the PHA production capacity, whereas the addition of N-P in the reactors fed with synthetic wastewater increased PHA production capacity.
At the second stage, all reactors were operated with wastewaters at optimum OLR (4 g COD/L) for 20 days and the acclimation was completed. At the end of the acclimation, samples were taken from each reactor for per hour during one cycle (24 h) and PHA analyzes were performed. Analysis showed that max PHA production capacity for feeding with synthetic wastewater with nitrogen-phosphorus addition (iii) and feeding with real wastewater without nitrogen-phosphorus addition (ii) was 21.50% and 60.95% (g PHA/g dry biomass), respectively. As a result, it was determined that PHA production capacity for feeding with real wastewater and without adding nitrogen phosphorus was higher than in the other conditions.
At the last stage, the effect of sludge retention time (SRT) and volumetric loading rate (VLR) on PHA production from real wastewater was investigated with different two acclimated sludge.  As a result, it was determined that PHA production increased with decreasing SRT and increasing VLR.