Evaluation of pha biopolymer production potential of high salinity industrial wastewater

Son yıllarda, petrol kaynaklı plastikler, çevre ve toplum sağlığı üzerindeki olumsuz etkileri nedeniyle tüm dünyada ana gündem olarak yer almaktadır. Geniş uygulama alanlarına sahip olan plastik endüstrisi, üretim alanlarında oldukça önemli ve vazgeçilmez ürünler olarak yer almaktadır. Ancak plastik hammaddesi olarak sınırlı kaynaklardan petrol ve türevlerinin kullanımından dolayı; artan plastik üretimine bağlı olarak kaynakların tükenmesi söz konusudur. Çevre ve toplum sağlığını korumak adına, geleneksel plastiklerin yerini alabilecek alternatif plastik türevleri için çalışmalar başlatılmıştır. Bu bağlamda, mikroorganizmalar tarafından yenilenebilir atık kaynaklarından üretilen biyopolimerler çevre uyumluluğu sayesinde konvansiyonel plastiklerin yerini alabilecek plastikler olarak karşımıza çıkmaktadır. Bununla birikte, biyopolimerlerin yüksek üretim maliyetleri, endüstriyel üretim yapılarak piyasada yer edinmesini zorlaştırmaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, polyhydroxyalkanoat depolayan saf kültür yerine zenginleştirilmiş karışık kültürden oluşan mikroorganizmalar yardımıyla, yüksek tuzlulukta turşu atıksuyu kullanılarak gıda atığından PHA biyopolimerinin üretilmesidir. Atık rejimlerin, mikroorganizmlar için besi maddesi olarak kullanılması üretim maaliyetini azaltıcı faaliyetler kapsamında önemli bir gelişmedir. PHA üretim maliyetinin %40'ının hammadeden kaynaklandığı göz önünde bulundurulduğunda, atık rejimlerin besi maddesi olarak kullanılmasının önemi daha iyi anlaşılacaktır. Ayrıca organik madde kaynağı olarak yenilenebilir kaynakların kullanılması; üretim sürecinde oluşacak atıkların minimizasyonu ve atık yönetimi açısından önemlidir. Polihidroksialkanoatlar, hücre içi karbon ve enerji depoları olarak çeşitli bakteriler tarafından üretilen ve hücre sitoplazmasında granüller olarak biriken hidroksialkanoatların polyesterleridir. Bu termoplastik malzemelerin dahil edilen monomer birimlerine bağlı olarak sert kristalli polimere veya elastik kauçuğa benzer çeşitli mekanik özelliklere sahip olduğu bilinmektedir. 80 taneden fazla HA çeşidinin olduğu bilinmektedir. Son dönemde, PHA depolama mekanizmasının incelenmesi için birçok çalışma yapılmıştır. Açlık/tokluk koşulları altında PHA biriktiren mikroorganizmalara organik madde sağlandığında PHA deolamasının maksimuma ulaşması için uzun açlık sürelerinin uygulanmasının depolamayı olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Bu bağlamda, aerobik dinamik besleme rejimi ile açlık/tokluk ve yüksek tuzlulukta stres koşulları altında PHA depolama kapasitesini en üst düzeye çıkarmak için ardışık kesikli sistemler kullanılarak, deneysel çalışmalar yürütülmüştür. Bu çalışmada, kompozit turşu atıksuyu, konsantre salamura proses atıksuyu ve sentetik substrat organik madde kaynağı olarak kullanılmıştır. Sentetik atıksu ile beslenen reaktörün, kontrol reaktörü olması amaçlanmıştır. Böylece PHA depolama kapasitesinin atık türüne göre değişimi incelenmiş olacaktır. Ayrıca turşu endüstrisinin yüksek tuzluluk ihtiva etmesi nedeni ile PHA depolamadaki etkisi incelenecektir. Bu amaçla, karışık kültürün yüksek tuzluluk şartlarına aklimasyonunu sağlamak için turşu endüstrisi atıksu arıtma tesisinden aktif çamur alımı sağlanmıştır. Çamur yaşı 8 gün olarak işletilen laboratuvar ölçekli ardışık kesikli reaktörler, PHA depolayan karışık kültürün zenginleştirilmesi amacı ile aerobik dinamik besleme koşulları altında ve açlık-tokluk şartlarında çalıştırılmıştır. Karışık kültür zenginleştirme çalışmaları, içerisinde farklı konsantrasyonlarda organik asit ve tuzluluk olan kompozit turşu atıksuyu (AKR-1) ve konsantre salamura proses atıksuyu (AKR -3) ile yürütülmüştür. Bu iki reaktöre ek olarak, pepton ve asetat içeren sentetik substrat beslenen kontrol reaktörünün (AKR-2) de PHA depolama kapasitesi incelenmiştir. Ayrıntılı çevrimiçi izleme ve ardışık kesikli deneyler ile ölçüm yapılarak turşu endüstrisi atıksuyu için en uygun besleme konsantrasyonu ve stratejisi belirlenmiştir. Bu bağlamda, AKR- 1 toplam 238 gün, AKR- 2 toplam 212 gün ve AKR- 3 toplam 60 gün işletilerek PHA depolama kapasiteleri gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, yüksek tuzluluk şartlarında PHA depolayan karışık kültürün zenginleştrilmesinin PHA üretim kapasitesini belirgin bir şekilde arttırdığını göstermiştir. Biyokütlede maksimum PHA depolaması, kompozit turşu endüstrisi atıksuyu ile beslenen AKR-1'de %44 iken, bu oran pepton ve asetat karışımı ile beslenen AKR-2'de %19 olarak belirlenmiştir. Bununla birlikte, karışık mikrobiyel kültürün konsantre salamura proses atıksuyu ile yapılan zenginleştirme çalışmaları PHA depolama kapasitesini azaltmıştır. Konsantre salamura proses atıksuyundaki klorür miktarı, komposit turşu endüstirisi atıksuyununun neredeyse 5 katıdır. Ardışık kesikli reakörlerin çok yüksek tuzlulukta sürekli olarak çalışması mikrobiyal aktiviteyi baskılayabilir ve bunun sonucunda zenginleştirilmiş karışık kültürün PHA depolama kapasitesi zamanla giderek azalır. Kesikli yürütülen deneylerde PHA depolama kapasitesinin tek/çoklu besleme rejimine ve atıksu konsantrasyonuna bağlı olarak değişim profili incelenmiştir. En yüksek PHA depolama kapasitesi %64 g KOİ/g UAKM ile çoklu besleme rejiminde ve seyreltik salamura atıksuyu kullanıldığında sağlanmıştır. Karışık kültürün en düşük depolama kapasitesinin sentetik atıksu ile yapılan beslemede elde edildiğini göz önünde bulundurarak; sonuçlar açık bir şekilde, yüksek tuzluluktaki stres koşullarının PHA depolama kapasitesini belirgin bir şekilde arttırdığını göstermektedir. Sonuç olarak, bu çalışma atıkların hammade kaynağı olarak kullanılarak karışık mikrobiyel kültür ile PHA biyopolimer üretiminin mümkün olduğunu göstermektedir.