Membran biyoreaktörlerde titreşim ile tıkanma kontrolü

Membran Biyoreaktörlerde tıkanmanın geciktirilmesi çeşitli hidrolik yöntemlerle gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemler, hava ile sıyırma ve periyordik geri yıkama ve periyodik bekletme olarak sıklıkla kullanılmaktadır. Hava ile sıyırma membran yüzeyindeki kayma gerilmesini bir miktar arttırarak gözenekleri tıkayıcı paritüllerin membrandan uzak durmasını sağlamaktadır. Bunun dışında geliştirilmekte olan bir diğer teknolojisi titreşim ile membranların tıkanmasının geciktirilmesidir. Titreşim sayesinde direk membran yüzeyinin kendisini titreşmesi sağlanarak çok yüksek kayma gerilimi oluşturulmakta ve böylece membran tıkayıcı partiküllerin membran yüzeine çarparak uzaklaştırılması hedeflenmektedir. Bu tez çalışmasında öncelikle konu ile ilgili litertür taraması yapılmış ve literatürdeki başarılı örnekler incelenmiştir. Literatürdeki sistemlerin çoğunluğu laboratuvar ölçeğinde uygulanabilir sistemler olup gerçek ölçekli ve pilot uygulamaya uygun değildir. Bunun yanı sıra organik ve inorganik olmak üzere laboratuvar ortamında hazırlanmış süspansiyonlar kullanılarak batık MBR sistemi modellenmeye çalışılmıştır. Literatürde kullanılan sistemler mekanik olarak, membranların itme-çekme hareketiyle çeşitli yönlerde hareket ettirilmesine dayanmakta olup birkaç tanesi manyetik transduser yardımıyla yüksek frekans düşük genlik kullanılarak gerçekleştirilen deneylerden ibarettir. Bu çalışmada öncelikle hem pilot olarak hem de laboratuvar ölçeğinde kullanılacak modüller 3 Boyutlu olarak SOLIDWORKS programı ile tasarlanmış ve labortuavar ölçekli modül ise Computational Fluid Dynamics yöntemiyle ANSYS FLUENT programı kullanılarak modellenip simülasyonu yapılmıştır. Bu simülasyonlarda çeşitli frekans değerleri ve genlikleri modele girilerek, membran yüzeyinde oluşturacağı kayma gerilimleri karşılaştırılmıştır. Daha sonra polyetersülfon ve poliakrilonitril bazlı ince boşluklu membranlar üretilmiş fakat bunların titreşimli batık MBR modülü için dayanıksız olacağı yapılan deneylerle görülmüştür. Bunun üzerine güçlendirilmiş ince boşluklu PVDF bazlı membranlar sipariş edilmiş ve bu ticari membranlar kullanılarak titreşimli membran modülleri üretilmiştir. Membran modüllerinin yerleştirileceği titreşim sistemleri ise manyetik ve mekanik sistemler olarak tasarlanmış, sanayide üretimi gerçekleştirilmiş ve üretim aşamaları açıklanmıştır. Modül ve titreşim sistemlerinin üretimi tamamlandıktan sonra mekanik ve manyetik tahrikli titreşimlerin batık MBR modülleri üzerindeki etikisinin incelenmesi amacıyla laboratuva ve pilot ölçekli uzun dönemli deneyler gerçekleştirilmiştir. Laboratuvar ölçekli deneylerde hem kısa süreli kritik akının belirlenmesi deneyleri hem de uzun dönemli filtrasyon deneyleri sentetik atıksu beslemesi ile gerçekleştirilmiştir. Titreşimsiz kontrol modülü, mekanik titreşimli modül ve manyetik titreşimli modül laboratuvar ölçekli MBR sisteminde paralel olarak işletilmiş ve arıtma ve filtrasyon performansları takip edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, manyetik titreşimli modülün tıknmayı en iyi geciktirdiği, mekanik titreşimli modülün ise titreşimsiz modüle göre daha erken tıkandığı gözlemlenmiştir. Laboratuvar öleçeğinde en iyi sonucu veren titreşim sistemi ise pilot ölçekli deneyler için seçilmiş ve uzun dönemli deney pilot ölçekli olarak gerçek atıksu ile gerçekleştirilmiştir. Pilot ölçeğinde manyetik titreşimli modül ve titreşimsiz kontrol modülü sırayla çalıştırılmış ve elde edilen arıtma ve filtrasyon performansı verileri karşılaştırılmıştır. Manyetik titreşimli sistem 150 Hz frekans ile en iyi filtrasyon performasını sağlamıştır. Arıtma performansı olarak incelendiğinde ise hem titreşimli hem de titreşimsiz modüller birbirinin aynı sonuçları göstermiştir.