Atık su arıtma çamurlarından biyopolimer geri kazanımı ve nanofiber üretimi

Abstract

Bu çalışmada, mikroorganizmaların yaşam döngülerinde depoladıkları hücre içi granüler polihidroksialkanaotların (PHA) yenilikçi ekstraksiyon yöntemleri ile hücre dışına çıkarılması ve PHA-biyopolimerinin nanofiber üretiminde kullanılması süreci değerlendirilmiştir. Maya endüstrisi atık su arıtma tesisi aktif çamur prosesinden alınan aktif çamurun laboratuvar ortamında, aynı endüstrinin atık suyu ile beslenmesi sonucu mikroorganizmaların depoladıkları PHA'nın hücre dışına çıkarılması için 3 farklı ekstraksiyon yöntemi kullanılmıştır: Solvent ekstraksiyonu, karışık mikrobiyal kültürden PHB ekstraksiyonu için ilk defa kullanılan süperkritik CO2 prosesi ve PHA ekstraksiyonu için ilk defa kullanılan hidrodinamik kavitasyon prosesi. Ekstraksiyon çalışmaları verim, saflık ve molekül ağırlığı parametreleri bakımından karşılaştırıldığında kullanılan ekstraksiyon yönteminin, proses verimini ve biyopolimerlerin fiziksel ve termokimyasal özelliklerini etkilediği görülmektedir. En yüksek ekstraksiyon verimi ve elde edilen polimer malzemenin özellikleri bakımından diğer proseslere göre daha üstün polimerin elde edildiği sCO2 prosesinde ekstrakte edilen biyopolimer kullanılarak nanofiber üretim çalışmaları yapılmıştır. sCO2 ile ekstraksiyon prosesinde elde edilen ortalama 78% PHB saflığındaki biyopolimer elektroeğirme prosesinde nanofiber üretiminde kullanılmıştır. Üretilen nanofiberlerin morfolojik, kimyasal, termal ve mekanik özellikleri araştırılmıştır. SEM analizlerinde nanofiberlerin mikrometre mertebesinde ince uzun ipliksi şeklinde yapıları gözlemlenmiştir. Atıklar kullanılarak biyopolimer bazlı yeni ürün elde edilmesi sürecinde karışık mikrobiyal kültürde PHA üretimi, üretilen PHA'nın hücreden ekstraksiyonu ve elde edilen PHA-biyopolimerinden nanofiber malzeme üretimi aşamalarındaki proses parametreleri incelenmiş olup, bir atık değerlendirme prosesi yürütülmüştür.

In this study, the extraction of intracellular granular polyhydroxyalkanoates (PHA) stored by microorganisms in their life cycle by innovative extraction methods and the use of PHA-biopolymer in nanofiber production were evaluated. The biomass for the extraction experiments was obtained from a PHA production reactor where activated sludge was fed with anaerobically pretreated yeast industry wastewater. Three different extraction methods were used for extraction of PHA stored by microorganisms: solvent extraction, supercritical CO2 process and hydrodynamic cavitation process. When the extraction studies are compared in terms of yield, purity and molecular weight parameters, it has been evaluated that the used extraction method effects the process yield and the physical and thermochemical properties of the biopolymers. Nanofiber production studies were carried out using the PHA-biopolymer which was extracted in the sCO2 process, where the highest extraction yield and best polymer properties were obtained. The biopolymer with an average purity of 78% obtained in the extraction process with sCO2 was used in nanofiber production in the electrospinning process. Morphological, chemical, thermal and mechanical properties of the nanofibers were investigated. In SEM analysis, nanofibers were observed to have micrometer sized fine long fibers and it was concluded that it was a successful production. In the process of obtaining new biopolymer-based products using wastes, the process parameters in the PHA production, extraction and nanofiber material production stages were examined and a waste valorization process was carried out.