Fabrication and characterization of hollow fiber membrane with bisbal additive: Membrane bioreactor (MBR) application

Dünyanın en önemli problemlerinden birisi su kıtlığı sorunudur. 21. yüz yıl itibariyle, kısıtlı su kaynakları ve nüfus artışı sebebiyle su ihtiyacı da her geçen gün artmaktadır. Bu ihtiyacı karşılayabilmek için suyun yeniden kullanılması ve arıtılması oldukça önem teşkil etmektedir. Son yıllarda membran filtrasyon sistemleri ileri arıtma teknolojisi olarak, geleneksel ileri arıtma sistemlerine göre daha az alan gereksinimi duyması, kolay uygulanabilirliği ve kimyasal ilaveler gerektirmemesi gibi avantajlarıyla oldukça revaçta bir alternatif haline gelmiştir. İleri arıtma sistemlerinin gelişmesiyle, halihazırdaki kaynakların yönetilmesi ve ortaya çıkmakta olan su krizinin çözülebilmesi pratik olarak mümkün görünmektedir. Membran filtrasyon sistemlerinde, etkin bir sonuç alabilmek için çözülmesi gereken bazı konular bulunmaktadır. Bunlardan birisi ve en önemlisi olan tıkanma problemleri, membran filtrasyon sistemlerinin işletilmesi esnasında sorun teşkil etmektedir. Bu problemi çözebilmek için çeşitli yollar ve yaklaşımlar geliştilmekte ve denenmektedir. Tıkanma oluşmadan evvel müdahale etmenin en etkili ve iyi yol olduğu düşünülmektedir. Bu müdahale membranların yapıları geliştirerek yapılmaktadır. Membran üretimi esnasında, üretim materyallerine antibakteriyel maddeler ilave edilerek, membran filtrelerin daha dayanıklı ve biyotıkanmaya dirençli olmaları sağlanmakta, böylece kirlenme ve tıkanma oluşumunu en aza indirgemek amaçlanmaktadır. Membranların özelliklerinin geliştirilmesiyle, daha etkin ve faydalı bir sonuç elde etmek ve ilgili sorunları çözebilmek mümkündür. Bu çalışma kapsamında; polietersülfon (PES) kullanılarak ultrafiltrasyon düzeyinde ince boşluklu (hollow fiber) membran üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen bu membranlara antibakteriyel madde ilavesi yapılarak, anti-biyotıkanma özelliği edinmesi amaçlanmış ve batık membran biyoreaktörde işletilmesi ile üretilen membranların anti-biyotıkanma özelliğinin araştırılması hedeflenmiştir. Bu amacı gerçekleştirebilmek için, antibakteriyal madde ilavesi olarak bizmut tiyollerden biri olan ve güçlü antibakteriyel özelliğiyle bilinen BisBAL maddesi kullanılmıştır. Ultrafiltrasyon mertebesindeki ince boşluklu membranlar, faz ayrımı yöntemi kullanılarak üretilmiştir. BisBAL ilavesi miktarı, daha evvelki çalışmalar (Durmaz, 2014) baz alınarak 30 µm. olarak belirlenmiştir. En uygun çözelti reçetesini bulabilmek için, bir birçok farklı konsantrasyon ve farklı malzemeler kullanılarak membran üretimleri gerçekleştirilmiştir. Bunların sonucunda %18 PES, %7 PVP K90 ve %73 NMP kullanılmasına karar verilmiştir. Bu reçete kullanılarak BisBAL ilaveli ve ilavesiz (saf) membranlar üretilmiş ve farklı işletim parametreleri kullanılarak en uygun döküm şartları bulunmuştur. Parametrelerdeki değişkenler çekme hızı, hava boşluğu ve koagülasyon banyosu sıcaklığı olmuştur. Üretilen membranlar, üretim sonrasında sodyum hipoklorit çözeltisinde 2 gün boyunca bekletilerek bir ön işleme tabi tutulduktan sonra modüller halinde hazırlanıp, karakterizasyon testlerine geçilmiştir. Membranlara; geçirgenlik, porozite, temas açısı, geri kazanım, toplam kirlenme derecesi, BSA giderimi, mekanik dayanıklılık testleri uygulanmış ve taramalı elektron mikroskobu, stereo mikroskop ve optik profilometre kullanılarak yüzey morfolojileri tanımlanmıştır. Elde edilen sonuçlar göz önünde bulundurularak en iyi sonucun alındığı üretim parametreleri (hava boşluğu: 0 cm, çekme hızı: 7,1 m/s ve koagülasyon banyosu sıcaklığı: 35 oC) en uygun olarak belirlenmiş ve membran biyoreaktör uygulamasında kullanılmak üzere bu koşullarda, BisBAL ilaveli ve ilavesiz (saf) olarak üretilmiştir. Karakterizasyon testlerinin sonuçlarına bakıldığında, membranların olması gerektiği gibi içi boşluklu ve yuvarlak şekli sağladığı görülmüş, düzgün bir üretim gerçekleştirildiğine karar verilmiştir. Ayrıca BisBAL ilavesinin membran yapısına etkisi de açıkça görülmektedir. Saf membranlarda parmağımsı yapı görülürken, ilaveli membranların yapısının süngerimsi hale geldiği gözlemlenmiştir. Ayrıca BisBAL ilaveli membranların daha iyi geçirgenlik ve mekanik dayanıklık edinmesinin yanı sıra kirlenme özelliklerinde ve temas açılarında düşme gözlenmiş olup, daha hidrofilik ve daha az kirlenme kapasitesine sahip oldukları söylenebilmektedir. Membranların antibakteriyel özellikleri, Mikroorganizma Kültür Koleksiyonları Enstitüsü (KÜKENS)'den alınan E. coli suşu ile ayrıca belirlenmiştir. Saf kültür bakterilerinin membranlar üzerinde büyümeleri 6 gün boyunca, 37 °C sıcaklık ortamında, agarlarda gözlemlenmiştir. BisBAL ilaveli membranların üzerinde, saf membranlara nazaran daha az büyüme görülmüştür. Tüm bu sonuçlar dikkate alındığında, BisBAL ilaveli membranların antibakteriyel özellik kazandığı söylenebilir. İnce boşluklu membran modülleri; lab ölçekli (6lt.), havalandırmalı kesikli membran biyoreaktörde 30 gün boyunca işletilmiştir. Sentetik atık su kullanılan bu sistemde, BisBAL ilaveli membranların antibiyotıkanma özellikleri araştırılmıştır. Membran biyoreaktör işletimi boyunca, akı, kimyasal oksijen ihtiyacı ve atık suyun askıda katı madde ile askıda uçucu katı madde miktarları günlük olarak ölçülmüş ve hesaplanmıştır. Atık suyun ortalama askıda katı madde miktarı 16000 mg/l civarındadır. BisBAL ilaveli membrana ait kimyasal oksijen ihtiyacı giderim yüzdeleri ve akı miktarları, saf membrane göre daha yüksek değerlerde ölçülmüştür. Biyokirlenme ile ortamdaki hücre dışı polimerik madde ve çözünmüş mikrobiyal ürün (EPS-SMP) miktarı arasında, literatür taraması kısmında detaylıca bahsedildiği üzere, bir paralellik söz konusudur. Bundan dolayı işletimin sonunda membranların üzerinde biriken kek tabakalarının EPS-SMP miktarları ölçülmüş ve beklenildiği üzere BisBAL ilaveli membranda daha az miktarda EPS-SMP varlığı görülmüştür. Tüm alınan sonuçlar, BisBAL ilavesinin antibiyotıkanma özelliğini destekler nitelikte çıkmıştır. Ayrıca, konfokal lazer mikroskobu kullanılarak biyofilm tabakası kalınlığı ölçülmüştür. Membran biyoreaktör işletiminin 25., 27. ve 29. günlerinde, membranların biyofilm tabakası kalınlıkları ölçülmüş, saf membrandaki tabakanın daha fazla ve zamanla daha fazla artan miktarlarda olduğu gözlemlenmiştir. BisBAL ilaveli membranın daha ince bir tabaka biyofilmle kaplı oluşu ve evvelki sonuçlar göz önüne alındığında BisBAL ilavesinin üretilen membrana anti-biyotıkanma özelliği kazandırdığı söylenebilmektedir.