Mikroalg hasadında membran proseslerin kullanımı ve işletme şartlarının optimizasyonu
Application of membrane processes in microalgae harvesting and optimisation of operational conditions
Yazar: HARUN ELCİK
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÇAKMAKCI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada, mikroalgal kültürün sebep olduğu membran tıkanması esas alınarak mikroalg hasadı için en uygun membran yönteminin belirlenmesi amaçlanmıştır. Hasat çalışmalarında, ticari ve laboratuvar ortamında üretilen polimerik düz plaka membranlar ve farklı konfigürasyonlara sahip seramik membranlar kullanılmıştır.
Membran tıkanmasını azaltmak için tıkanmaya dirençli ve yüksek akıya sahip hidrofilik yardımcı polimer katkılı polisülfon (PS) membranlar laboratuvar ortamında üretilmiştir. Membran özelliklerini iyileştirmek için hidrofilik yardımcı polimer olarak Pluronik F 127 kullanılmıştır. Üretilen membranların morfolojileri, yüzey pürüzlülükleri, kimyasal yapıları ve hidrofobisiteleri/hidrofilisiteleri gibi karakteristik özellikleri sırasıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM), atomik kuvvet mikroskobu (AFM), enerji dağılım spektroskopisi (EDS), zayıflatılmış toplam yansıma fourier dönüşümü kızılötesi (ATR-FTIR) spektroskopisi ve temas açısı cihazları kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Membranların hasat performanslarının belirlenmesi amacıyla, membran özelliklerinin ve işletme şartlarının membran tıkanması üzerindeki etkileri incelenmiştir, farklı temizleme prosedürleri ile tıkanmanın geri kazanılabilirliği araştırılmıştır, membran tıkanmasının filtrasyon dirençleri üzerindeki etkisi incelenmiştir, tıkanma mekanizmalarının daha iyi anlaşılabilmesi için kirlenmiş membranların karakterizasyonu SEM, EDS, ATR-FTIR ve temas açısı cihazları kullanılarak yapılmıştır. Ayrıca, membranların kritik ve limit akı değerleri, mikroalg hasat verimleri (mikroalg kazanma oranları, konsantrasyon ve hacimsel azaltma faktörleri) de incelenmiştir.
Çalışma sonuçları, mikroalgal hücrelerin yanı sıra hücrelerin salgıladıkları hücre dışı organik maddelerin (polisakkaritler, proteinler, yağlar) de önemli ölçüde membran tıkanmasına sebep olduğunu göstermiştir. Membran sistemler karşılaştırıldığında, mikroalg hasadında batık membran sistemlerin belirli aralıklarla fiziksel (su veya hava ile) geri yıkamalar yapılarak uzun süre işletilebilmesinin mümkün olduğu görülmüştür. Kullanılan tüm membranlarda mikroalgal hücreler hem tersinir hem de tersinmez membran tıkanmasına sebep olmuştur. Polimerik membranlarda önemli ölçüde tersinmez membran tıkanması meydana gelmiştir. Seramik membranlar kullanılarak su ve hava ile yapılan temizleme çalışmalarında basınçlı havanın membran temizlenmesinde daha etkili olduğu görülmüştür. Bu çalışmada, batık membran sisteminde 0.1-1 µm gözenek çapına sahip seramik membranların belirli aralıklarda basınçlı hava ile temizlenerek mikroalg hasadında verimli bir şekilde kullanılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
In this study, determination of the most appropriate membrane method for microalgae harvesting was aimed to taking on the basis of membrane fouling caused by microalgal cells. In the harvesting studies, polimeric flat sheet membranes both commercial and manufactured in the laboratory as well as ceramic membranes which have different configurations were used. In order to reduce membrane fouling, in the laboratory, polysulfone (PS) membranes, which modified with hydrophilic co-polymer, have fouling resistant property and high permeability were fabricated. In order to improve the membrane's properties, Pluronic F 127 was used as a hydrophilic co-polymer. Characteristic specifications of the fabricated membranes, such as morphology, surface roughness, chemical structures and hydrophobicity/hydrophilicity, were studied by using scanning electron microscopy, atomic force microscopy (AFM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), attenuated total reflection-Fourier infrared (ATR-FTIR) spectroscopy, and contact angle devices.
To determine the harvesting performance of membranes, the effects of the membrane properties and operating conditions on the membrane fouling were examined, the reversibility of membrane fouling was investigated using different cleaning procedures, the effect of membrane fouling on the filtration resistances was investigated, in order to better understand the mechanisms of fouling, characterisation of fouled membranes were performed by using SEM, EDS, ATR-FTIR and contact angle devices. Moreover, critical and limiting flux values and microalgae harvesting efficiencies (microalgae recovery rates, concentration and volumetric reduction factors) of membranes were also investigated.
The experimental results showed that microalgal cells as well as extracellular organic matters which contain proteins, polysaccharides and lipids cause severe membrane fouling. Compared to the membrane systems, it was found that submerged membrane systems can be operate for long time with periodic physical (with water or air) backwashing. Microalgal cells caused both reversible and irreversible fouling for all membranes. In the polymeric membranes, significantly irreversible fouling was occurred. In the cleaning studies conducted with water and air using ceramic membranes, pressure air exhibited better performance than water in terms of the membrane cleaning. Results in this study showed that ceramic membrane having 0.1-1 μm pore size in the submerged membrane system can be used with periodically cleaning via pressure air.