Atıksulardan Biyoplastik Üretimi

Atıksu arıtmanın birincil amacı her zaman su kalitesini dolayısıyla insan sağlığını korumak amacıyla atıksudaki kirleticilerin uzaklaştırılması olmuştur. Ancak, günümüzde kaynakların giderek tükenmesi ve sürdürülebilirliğin ihtiyaç haline gelmesi nedeniyle atıksuyu atık olarak değil kaynak olarak değerlendirme ihtiyacı doğmuştur. Bu durum sadece atıksu için değil, tarımsal ve endüstriyel atıklar gibi doğrudan insan faaliyetleriyle oluşan tüm atıklar için geçerlidir. Atıklar, yenilenebilir kaynaklar olup, sadece enerji üretmek haricinde biyoplastik, besin geri kazanımı gibi faydalı ürün eldesinde de kullanılabilmektedir. Kaybolan atık kaynaklarının %50’sinden fazlası atıksularda bulunmaktadır dolayısıyla atıksu arıtımında lineer bir ekonomi modelinden döngüsel ekonomi modeline geçişi sağlayan teknolojik gelişmelere odaklanılması gerekmektedir. Bu bağlamda, atıksu arıtma tesisleri Atıksu Geri Kazanım Tesisleri veya Atıksu Biyorafinerileri olarak düşünülmeye başlanmıştır. Atıksu biyorafinerisi, karışık mikrobiyal kültür biyoteknolojisini kullanmaktadır, yani mikroorganizmaları kullanarak faydalı ürün elde etmektedir ve bunun yanında atıksuyu arıtıp yeniden kullanımını sağlamaktadır. Biyolojik olarak tamamen bozunabilen Polihidroksilalkanoat (PHA), bakteri fermentasyonu yoluyla atıksudan geri kazanılabilen biyopolimerdir ve dünya çapında karşı karşıya kalınan plastik sorununu azaltmada rol oynayabilecek bir üründür (Mannina vd., 2020; de Souza Reis vd., 2020).

 

Polihidroksialkanoatlar, geleneksel bozunmayan plastiklere benzer özelliklere sahip oldukları için çok ilginç bir biyo-bazlı biyopolimer sınıfıdır. Bunlar, atıksuda bulunan karmaşık organik substratlar dahil olmak üzere farklı yenilenebilir kaynaklardan bakteriyel fermantasyon yoluyla üretilebilir, böylece atıksu arıtma tesisleri geri kazanılan plastik ile döngüsel ekonomiye entegre edilebilir. Endüstriyel atık akımlarından katma değerli polihidroksialkanoatların (PHA’lar) üretimi, geleneksel/petrol bazlı plastiklerin yerini alabilecekleri için araştırmacıların ve proses endüstrilerinin dikkatini çekmiştir. PHA’lar, imalat sektöründe çeşitli uygulamalara sahip (örn. tıbbi ekipman, paketleme) yüksek bozunabilirliğe sahip biyopolimerlerdir (Novelli vd., 2021). PHA fizikokimyasal özellikleri ve en önemlisi biyobozunur özelliği nedeniyle en umut verici alternatiflerden biri olsa da üretim maliyetinin yüksek olması, endüstriyel ölçekte üretimine geçilmesi önünde bir engeldir. Bu maliyeti azaltmak için araştırmalar, karışık mikrobiyal kültürleri içeren çeşitli atıkların (belediye organik atıkları ve atıksu gibi) hammadde olarak kullanımına yoğunlaşmaktadır.

Karışık mikrobiyal kültür tarafından PHA’nın hücre içi depolanması ilk olarak atıksu arıtma tesislerinde biyolojik fosfor giderimi prosesi sırasında gözlemlenmiştir. Bu sistemlerde anaerobik/aerobik prosesler birbirini izler ve PHA birikimi karbon kaynağı depolayabilen iki mikroorganizmanın varlığında anaerobik faz sırasında gerçekleşir: polifosfat biriktiren organizmalar (PAO’lar) ve glikojen biriktiren organizmalar (GAO’lar). Anaerobik koşullar altında her iki mikroorganizmanın da elektron alıcısı sınırlayıcı hale geldiğinden, karbon substratını bünyelerine alırlar ve PHA sentezi boyunca kullanırlar. Bu proses için gereken enerji, hücre içi depolanmış polifosfat (PAO’lar ile) veya glikojen (GAO’lar ile) tarafından sağlanır. Daha sonra depolanan PHA aerobik koşullar altında, mevcut oksijen kullanılarak büyüme, metabolik faaliyetler ve glikojen/polifosfat oluşturulması için tüketilir (Schuler & Jenkins, 2003; Mannina vd., 2020).

Yüksek ve kararlı PHA üretimine sahip polihidroksialkanoat depolayan mikroorganizmalardan oluşan biyokütle, tokluk/bolluk ve açlık/kıtlık döngüsel koşullarına maruz kaldığı tamamen aerobik koşullar altında gerçekleştirilen ve PHA üretiminde yaygın olarak kullanılan aerobik dinamik besleme stratejisi izlenerek zenginleştirilebilir. Bu stratejide, aerobik koşullar altında, kısa süreli karbon kaynakları mevcudiyetinin (bolluk) ardından uzun süreli kıtlık döngüsü gerçekleştirilir. Bolluk sırasında karbon kaynağı mikroorganizmalar tarafından bünyeye alınır ve PHA granülleri olarak depolanır. Bu aşamada PHA depolayabilen bakteriler, mikrobiyal popülasyonun geri kalanına göre rekabet avantajına sahiptir çünkü dış karbon kaynağı tükendiğinde, kıtlık aşamasına dayanmak için karbon ve enerji kaynağı olarak biriken PHA’yı kullanacaklardır. Dolayısıyla, PHA depolayan mikroorganizmalar kıtlık sırasında büyüyebilirken, PHA depolayamayan mikroorganizmalar açlıktan ölecektir (Albuquerque vd., 2010; Dias vd., 2006). Aerobik dinamik besleme, karışık mikrobiyal kültür tarafından PHA üretimi için en çok çalışılan ve etkili stratejidir. Bolluk/Kıtlık (B/K) oranı, özellikle beslenmede kullanılan farklı substrat türü ve konsantrasyonları nedeniyle, bir çalışmadan diğerine büyük farklılıklar gösterir. Bununla birlikte, bolluk aşamasının uzunluğu, substratın tamamen tükenmesi için yeterli olmalı ve kıtlık aşamasının uzunluğu, daha önce birikmiş PHA’nın önemli ölçüde tüketilmesine izin verecek kadar uzun olmalıdır (Mannina, 2020; Hao vd., 2018; Paul vd., 2012). Endüstriyel atık akışından kaynaklanan besleme stoğundaki organik içerik genellikle önce farklı asitojenik fermantasyon süreçleri ile uçucu yağ asitlerine (UYA’lar) dönüştürülür, verilen karbonhidratlar tercihen mikroorganizmalar tarafından glikojen olarak, UYA’lar ise PHA olarak depolanır.

PHA üretiminde hammadde olarak atık/atıksuyun fermentasyon ürünleri kullanılır ve kullanılan atık/atıksuyun türü fermentasyon atıklarının UYA bileşimi etkiler, dolayısıyla PHA üretimini ve bileşimini de etkiler. Ayrıca, karbonhidratların belirli UYA’lara fermentasyonu, çalışma ortamının koşulları değiştirilerek sağlanabilir ve genellikle tercih edilen polimer kalitesi (daha sert ve esnek) yüksek Polihidroksivalerat(PHV):Polihidroksibütirat(PHB) oranlarında elde edilmektedir (Kourmentza & Kornaros, 2016). PHA biyosentezinde farklı endüstrilerden gelen atık akımları karbon kaynağı ve mikrobiyal aşı olarak kullanılabilir. Aşı olarak PHA depolayabilen türleri içeren mikrobiyal karışık kültür olan biyokütle, kentsel veya endüstriyel atıksu arıtma tesislerinin ikincil çamurundan sağlanmaktadır (Novelli vd., 2021; Tu vd., 2019; Werker vd., 2018).

 

PHA üretimi için daha önce kullanılmış olan atık/atıksu türleri (Mannina vd., 2020)

Gıda atığı, şeker kamışı melası, zeytin endüstrisi atıksuyu, atık aktif çamur, peynir altı suyu, hurma/palm yağı fabrikası atıkları, turşu atıksuyu, kağıt hamuru ve kağıt fabrikası atıkları, gliserol, sabunlu çıkış suları, şaraphane çıkış suyu, çöp sızıntı suyu, kullanılmış kahve telvesi, süt gübresi, peynir altı suyu ve süt ürünleri, dondurma ve süt atıksuları.

Aşağıdaki şekilde karışık mikrobiyal kültür ile gerçekleştirilen biyoplastik üretiminin aşamaları özetlenmiştir. Mikroorganizma hücresinde PHA depolanması maksimize edildikten sonra PHA’nın ekstrasiyonu için kloroform, dimetilkarbonat gibi çeşitli çözücüler ve yöntemler uygulanmaktadır.

Özetle, plastik üretimi için hammaddenin azalması, geleneksel plastiklerin doğada bozunamaması gibi nedenlerle plastik üretiminde kaynak alternatifleri aranmaktadır ve atıksu da umut vadeden alternatiflerden biridir. Bu kapsamda çalışmalar sürmekte olup endüstriyel ölçekte üretime geçilebilmesi için özellikle üretim maliyetinin azaltılması yönünde laboratuvar ve pilot ölçekli çalışmalar ile yeni yöntemler denenmektedir. Umarız ki çevreye, insanlığa faydalı sonuçlar alınacaktır.

 

Kaynakça:

[1] Mannina, G., Presti, D., Montiel-Jarillo, G., Carrera, J., & Suárez-Ojeda, M. E. (2020). Recovery of polyhydroxyalkanoates (PHAs) from wastewater: A review.Bioresource technology, 297, 122478.

[2] de Souza Reis, G. A., Michels, M. H., Fajardo, G. L., Lamot, I., & de Best, J. H. (2020). Optimization of green extraction and purification of PHA produced by mixed microbial cultures from sludge.Water, 12(4), 1185.

[3] Novelli, L. D. D., Sayavedra, S. M., & Rene, E. R. (2021). Polyhydroxyalkanoate (PHA) production via resource recovery from industrial waste streams: A review of techniques and perspectives.Bioresource Technology, 331, 124985.

[4] Schuler, A. J., & Jenkins, D. (2003). Enhanced biological phosphorus removal from wastewater by biomass with different phosphorus contents, part I: experimental results and comparison with metabolic models.Water Environment Research, 75(6), 485-498.

[5] Albuquerque, M.G.E., Concas, S., Bengtsson, S., Reis, M.A.M., 2010a. Mixed culture polyhydroxyalkanoates production from sugar molasses: the use of a 2-stage CSTR system for culture selection. Bioresour. Technol. 101 (18), 7112–7122.

[6] Dias, J.M.L., Lemos, P.C., Sera!m, L.S., Oliveira, C., Eiroa, M., Albuquerque, M.G.E., Ramos, A.M., Oliveira, R., Reis, M.A.M., 2006. Recent advances in polyhydroxyalk- anoate production by mixed aerobic cultures: From the substrate to the final product. Macromol. Biosci. 6 (11), 885–906.

[7] Paul, E., Neuhauser, E., Liu, Y., 2012. Biodegradable Bioplastics from Fermented Sludge, Wastes, and Effluents. In: Biological Sludge Minimization and Biomaterials/ Bioenergy Recovery Technologies, pp. 465–498.

[8] Hao, J., Wang, H., Wang, X., 2018. Selecting optimal feast-to-famine ratio for a new polyhydroxyalkanoate (PHA) production system fed by valerate-dominant sludge hydrolysate. Appl. Microbiol. Biotechnol. 102 (7), 3133–3143.

[9] Kourmentza, C., & Kornaros, M. (2016). Biotransformation of volatile fatty acids to polyhydroxyalkanoates by employing mixed microbial consortia: The effect of pH and carbon source.Bioresource technology, 222, 388-398.

[10] Tu, W., Zhang, D., & Wang, H. (2019). Polyhydroxyalkanoates (PHA) production from fermented thermal-hydrolyzed sludge by mixed microbial cultures: the link between phosphorus and PHA yields.Waste Management, 96, 149-157.

[11] Werker, A., Korving, L., Hjort, M., Bengtsson, S., Anterrieu, S., Deeke, A., Karlsson, A., van der Kooij, Y., Visser, C., Alexandersson, T., Sijstermans, L., Morgan-Sagastume, F., Tietema, M., Magnusson, P., et al., 2018. Consistent production of high quality PHA using activated sludge harvested from full scale municipal wastewater treatment – PHARIO. Water Sci. Technol. 78 (11), 2256–2269.

[13] Resim Kaynağı: https://www.nweurope.eu/projects/project-search/wow-wider-business-opportunities-for-raw-materials-from-wastewater/news/turning-sewage-water-into-bioplastics/