FABRİKA ATIKLARININ NEDEN OLDUĞU BOYAR MADDE KİRLİLİKLERİNİN BİYOLOJİK ADSORBENT KULLANILARAK SULU ORTAMDAN ADSORPSİYON TEKNİĞİ İLE UZAKLAŞTIRILMASI

Transkript

1 KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİYOLOJİ ANABİLİM DALI FABRİKA ATIKLARININ NEDEN OLDUĞU BOYAR MADDE KİRLİLİKLERİNİN BİYOLOJİK ADSORBENT KULLANILARAK SULU ORTAMDAN ADSORPSİYON TEKNİĞİ İLE UZAKLAŞTIRILMASI METİN KERTMEN YÜKSEK LİSANS TEZİ KAHRAMANMARAŞ EYLÜL-2006

2 KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİYOLOJİ ANABİLİM DALI FABRİKA ATIKLARININ NEDEN OLDUĞU BOYAR MADDE KİRLİLİKLERİNİN BİYOLOJİK ADSORBENT KULLANILARAK SULU ORTAMDAN ADSORPSİYON TEKNİĞİ İLE UZAKLAŞTIRILMASI METİN KERTMEN KROMOZOM ANORMALLİKLERİ ÜZERİNE ETKİSİNİN SAPTANMASI YÜKSEK LİSANS TEZİ KAHRAMANMARAŞ EYLÜL-2006

3 KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİYOLOJİ ANABİLİM DALI FABRİKA ATIKLARININ NEDEN OLDUĞU BOYAR MADDE KİRLİLİKLERİNİN BİYOLOJİK ADSORBENT KULLANILARAK SULU ORTAMDAN ADSORPSİYON TEKNİĞİ İLE UZAKLAŞTIRILMASI METİN KERTMEN Kod No : YÜKSEK LİSANS TEZİ Bu Tez 14/09/2006 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oy Birliği ile Kabul Edilmiştir Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Dr. Metin DIĞRAK Bilal ACEMİOĞLU Sadık DİNÇER 1. DANIŞMAN 2. DANIŞMAN ÜYE Yrd.Doç.Dr. Özlem EREN KIRAN ÜYE.... Yrd.Doç.Dr. Sinan DAYISOYLU ÜYE Yukarıdaki imzaların adı geçen öğretim üyelerine ait olduğunu onaylarım. Prof. Dr. Özden GÖRÜCÜ Enstitü Müdürü Bu çalışma KSÜ Araştırma Fon Saymanlığı tarafından desteklenmiştir. Proje No: 2005/1-18 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

4 İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER SAYFA İÇİNDEKİLER..... I ÖZET. II ABSTRACT III ÖNSÖZ... IV ÇİZELGELER DİZİNİ... V ŞEKİLLER DİZİNİ... VI EK ŞEKİLLER DİZİNİ.. VII SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ..... VIII 1. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOT MATERYAL Kullanılan besiyerleri Deneyde kullanılan Biyomas ın özellikleri Deneyde kullanılan Biyomas ın hazırlanışı Deneylerde kullanılan boyar maddeler ve özellikleri Kullanılan boyar maddeler Boyar madde çözeltilerinin hazırlanışı Çalışmada kullanılan deney ekipmanları METOD Biyosorpsiyon Çalışmaları Analizler Sulu ortamdan uzaklaştırılan boyar madde miktarlarının hesaplanması BULGULAR VE TARTIŞMA Boyar maddenin sulu çözeltiden giderilmesi üzerine temas süresinin etkisi Başlangıç boyar madde konsantrasyonunun biyosorpsiyona etkisi üzerine ait bulgular ph nın biyosorpsiyona etkisi üzerine ait bulgular Sıcaklığın biyosorpsiyona etkisi üzerine ait bulgular Termodinamik incelemeler İzoterm incelemeleri SONUÇLAR VE ÖNERİLER 47 KAYNAKLAR EKLER. 54 ÖZGEÇMİŞ. 58 I

5 ÖZET KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİYOLOJİ ANABİLİMDALI YÜKSEK LİSANS TEZİ ÖZET FABRİKA ATIKLARININ NEDEN OLDUĞU BOYAR MADDE KİRLİLİKLERİNİN BİYOLOJİK ADSORBENT KULLANILARAK SULU ORTAMDAN UZAKLAŞTIRILMASI 1. Danışman: Doç. Dr. Metin DIĞRAK 2. Danışman: Doç. Dr. Bilal ACEMİOĞLU ÖZET Yıl: 2006 Sayfa:57 Jüri : Prof. Dr. Sadık DiNÇER Jüri : Doç. Dr. Metin DIĞRAK Jüri : Doç. Dr. Bilal ACEMİOĞLU Jüri : Yrd. Doç. Dr. Özlem EREN KIRAN Jüri : Yrd. Doç. Dr. Sinan DAYISOYLU Bu çalışmada Aspergillus flavus; night blue, kristal viyole ve metilen mavisi nin sulu çözeltiden adsorpsiyon tekniği ile uzaklatırılması için biyosorbent olarak kullanılmıştır. Biyosorpsiyon üzerine, temas süresi, çözelti konsantrasyonu, ph ve sıcaklığın etkisi araştırılmıştır. Adsorplanan maksimum boyar madde miktarının 90. dakikada meydana geldiği görülmüştür. Ve bu nedenle 90. dakika biyosorpsiyon dengesi olarak kabul edilmiştir. Her üç boyar madde için artan konsantrasyonla adsorplanan boyar madde miktarı artarken, artan sıcaklıkla azalma gözlenmiştir. Ayrıca kristal viyole ve metilen mavisi için artan ph ile biyosorpsiyon artarken, night blue için ise artan ph ile azalma gözlenmiştir. Termodinamik incelemeler neticesinde, her üç boya içinde biyosorpsiyon negatif Gibbs enerjisine ve negatifentalpi değerine sahip iken, biyosorpsiyon entropisi pozitif olarak bulunmuştur. İzoterm incelemelerinin bir sonucu olarak ise Freundlich izoterm modeline en iyi uyum gözlenmiştir. Anahtar kelimeler: Night blue, Kristal viyole, Metilen mavisi, Aspergillus flavus, Biyosorpsiyon II

6 ABSTRACT UNIVERSITY OF KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF BIOLOGY MSc THESIS ABSTRACT REMOVAL FROM THE AQUEOUS SOLUTION OF DYES CAUSING FACTORY EFFLUENTS POLLUTION BY USING BIOLOGIC ADSORBENT BY ADSORPTION TECHNIQUE 1 st. Supervisor : Assoc. Prof. Dr. Metin DIĞRAK 2 nd. Supervisor : Assoc. Prof. Dr. Bilal ACEMİOĞLU Year: 2006 Page: 57 Jury :Prof. Dr. Sadık DiNÇER Jury :Assoc. Prof. Dr. Metin DIĞRAK Jury :Assoc. Prof. Dr. Bilal ACEMİOĞLU Jury :Asist. Prof. Dr. Özlem EREN KIRAN Jury :Asist. Prof. Dr. Sinan DAYISOYLU ABSTRACT In this study, Aspergillus flavus has been used as biosorbent for the removal of nigh blue, crystal violet and methylen blue from aqueous solution by adsorption technique. Contact time, solution concentration, ph and temperature effect on biosorption has been investigated. It has been seen that the maximum amount of adsorbed dye take place for the ninth minute. And therefore, ninth minute has been accepted as biosorption aquilibrium. For each three dyes, while the amount of dyeadsorbed increases with increasing concentration, it has been seen that it decrease with increasing temperature. Also, while biosorption increase with increasing ph for methylen blue and crystal violet, it has been seen that biosorption decrease with increasing ph for night blue. As the result of thermodinamic investigations, for each three dyes, while biosorption has negative Gibbs energy and negative enthalpy values, it has been found that entropy is positive. As the result of isotherm investigations, it has been seen that biosorption is consistent with well Freundlich isotherm model. Key words: Night blue, Chrystal violet, Methylen blue, Aspergillus flavus, Biosorption III

7 ÖNSÖZ ÖNSÖZ K.S.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsüne Yüksek Lisans Tezi olarak sunulan Fabrika Atıklarının Neden Olduğu Boyar Madde Kirliliklerinin Biyolojik Adsorbent Kullanılarak Sulu Ortamdan Uzaklaştırılması isimli bu çalışmada; Tekstil, boya, deri, kozmetik vs. sanayisinin neden olduğu kirliliklerin Mikroskobik Fungal (Biyomass) Mikroorganizmayla boyar maddelerin kesikli yöntem kullanılarak sulu ortamdan giderilmesine çalışılmıştır. Bu çalışma boyunca, manevi desteğinin yanı sıra; her türlü fikri kolaylığı ve malzeme teminini sağlayan çok değerli danıman hocam sayın Doç. Dr. Metin DIĞRAK a, bölüm imkanlarından faydalanmamı sağlayan bölüm başkanımız Prof. Dr. ngiz BAHADIROĞLU na, deneysel çalışmaların yürütülmesi aşamasında malzeme ve materyal temininde bana kolaylık sağlayan sayın hocam Prof. Dr. M. Hakkı ALMA ya ve çok değerli zamanını ayırarak tezimin her aşamasında ve özellikle sonuçların değerlendirilmesi aşamasında büyük yardımları olan danışman hocam sayın Doç. Dr. Bilal ACEMİOĞLU na en içten teşekkürlerimi sunarım. Deneysel çalışmaların yürütülmesi ve analizler sırasında M. Fatih KARDAŞ a, Mustafa SARI ya, ngizhan ZENBİLCİ ye, Arş. Gör. Murat ERTAŞ a ve tezin yazım aşamasında yaptığı yardımlarından dolayı Murat KİREÇCİ ye teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca her zaman olduğu gibi bu çalışmamda da maddi ve manevi desteğini esirgemeyen sevgili aileme ve değerli arkadaşlarıma teşekkür ederim. Eylül 2006, KAHRAMANMARAŞ IV

8 ÇİZELGELER DİZİNİ ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 3.1. Night blue nun fiziksel özellikleri Çizelge 3.2. Kristal viyole nin fiziksel özellikleri. 15 Çizelge 3.3. Metilen mavisi nin fiziksel özellikleri Çizelge 4.1. Farklı başlangıç konsantrasyonlarında night blue boyar maddesinin Aspergillus flavus üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen bazı değerler Çizelge 4.2. Farklı başlangıç konsantrasyonlarında Kristal viyole boyar maddesinin Aspergillus flavus üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen bazı değerler 22 Çizelge 4.3. Farklı başlangıç konsantrasyonlarında Metilen mavisi boyar maddesinin Aspergillus flavus üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen bazı değerler Çizelge 4.4. Farklı ph larda Aspergillus flavus a night blue biyosorpsiyonun zamana göre elde edilen bazı değerler Çizelge 4.5. Farklı ph larda Aspergillus flavus a kristal viyole biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen bazı değerler.. 30 Çizelge 4.6. Farklı ph larda Aspergillus flavus a metilen mavisi biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen bazı değerler Çizelge 4.7. Farklı sıcaklıklarda Aspergillus flavus üzerine night blue nun biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen bazı değerler Çizelge 4.8. Farklı sıcaklıklarda Aspergillus flavus üzerine kristal viyole nin biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen bazı değerler Çizelge 4.9. Farklı sıcaklıklarda Aspergillus flavus üzerine metilen mavisi nin biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen bazı değerler Çizelge Night blue boyar maddesinin sıcaklık parametreleri incelenerek elde edilen termodinamik değerler Çizelge Kristal viyole boyar maddesinin sıcaklık parametreleri incelenerek elde edilen termodinamik değerler Çizelge Metilen mavisi boyar maddesinin sıcaklık parametreleri incelenerek elde edilen termodinamik değerler.. 42 Çizelge Night blue, kristal viyole ve metilen mavisi için 25C de, ve normal ph(6,4-6,6) şartlarında elde edilen Freunlich ve Langmuir İzoterm sabitleri 46 V

9 ŞEKİLLER DİZİNİ ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Endüstriyel sistem ve atıklar Şekil 3.1. Ekim yapılmadan önce hazırlanan sıvı besiyeri Şekil 3.2. A. flavus sporlarının mikroskobik görüntüsü.. 13 Şekil 3.3. Petri kaplarında gelişen A. flavus kolonileri. 13 Şekil 3.4. Night blue boyar maddesinin açık formülü Şekil 3.5. Kristal viyole boyar maddesinin açık formülü. 15 Şekil 3.6. Metilen mavisi boyar maddesinin açık formülü.. 15 Şekil 4.1. Farklı başlangıç boyar madde konsantrasyonlarında night blue boyar maddesinin Aspergillus flavus üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen (mg/g) değerlerin grafiği Şekil 4.2. Farklı başlangıç boyar madde konsantrasyonlarında kristal viyole boyar maddesinin Aspergillus flavus üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen (mg/g) değerlerin grafiği Şekil 4.3 Farklı başlangıç konsantrasyonlarında Metilen mavisi boyar maddesinin Aspergillus flavus üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen (mg/g) değerlerinin grafiği Şekil 4.4. Farklı başlangıç ph ların Night blue boyar maddesinin A. flavus üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen (mg/g) değerlerinin grafiği Şekil 4.5. Farklı başlangıç ph ların Kristal viyole boyar maddesinin A. flavus üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen (mg/g) değerlerinin grafiği 31 Şekil 4.6. Farklı başlangıç ph ların Metilen mavisi boyar maddesinin A. flavus üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen (mg/g) değerlerinin grafiği 33 Şekil 4.7. Farklı sıcaklıkların Night blue boyasının A. flavus biyosorbenti üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen (mg/g) değerlerin grafiği Şekil 4.8. Farklı sıcaklıkların kristal viyole boyasının A. flavus biyosorbenti üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen (mg/g) değerlerinin grafiği 38 Şekil 4.9. Farklı sıcaklıkların Metilen mavisi boyar maddesinin A. flavus biyosorbenti üzerine biyosorpsiyonunda zamana göre elde edilen değerlerinin grafiği 40 Şekil Night blue nun A. flavus üzerine biyosorpsiyonunun Freundlich izotermi. 44 Şekil 4.11.a. Kristal viyole nin A. flavus üzerine biyosorpsiyonunun Freundlich izotermi 44 Şekil 4.11.b. Kristal viyole nin A. flavus üzerine biyosorpsiyonunun Langmuir izotermi. 45 Şekil 4.12.a. Metilen mavisi nin A. flavus üzerine biyosorpsiyonunun Freundlich izotermi. 45 Şekil 4.12.b. Metilen mavisi nin A. flavus üzerine biyosorpsiyonunun Langmuir izotermi.. 45 VI

10 EK ŞEKİLLER DİZİNİ EK ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Ek Şekil 1. Biyosorpsiyon çalışması sonrası rengi açılan night blue boyası 55 Ek Şekil 2. Biyosorpsiyon çalışması sonrası rengi açılan kristal viyole boyası. 55 Ek Şekil 3. Biyosorpsiyon çalışması sonrası rengi açılan metilen mavisi boyası Ek Şekil 4. Ek Şekil 4. Biyosorpsiyondan önce A. flavus un mikroskop görüntüsü Ek Şekil 5. A. flavus a night blue biyosorpsiyonu sonrası mikroskobik görüntü Ek Şekil 6. A. flavus a kristal viyole biyosorpsiyonu sonrası mikroskobik görüntü Ek Şekil 7. A. flavus a metilen mavisi biyosorpsiyonu sonrası mikroskobik görüntü 56 Ek Şekil 8. Tartımlarda kullanılan PRECISA marka hassas terazi 57 VII

11 SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ BOD : Biyolojik oksijen değeri (kg/m 3 ) C : Partikül içi difüzyon kinetiği sabiti olan kesişim değeri C 0 : Boyar maddenin başlangıç konsantrasyonu () : Adsorbent tarafından tutulan maddenin konsantrasyonu () C e : Adsorpsiyon sonrası çözeltide kalan maddenin konsantrasyonu () m : Adsorbentin kütlesi (g/l) K f : Freundlich İzoterminde adsorpsiyon kapasitesini gösteren sabit n : Freundlich İzoterminde adsorpsiyon şiddetini gösteren sabit b : Langmiur adsorpsiyon izotermine ait deneysel sabit Q : Adsorplayıcının herhangi bir t anında birim ağırlığı başına adsorpladığı madde miktarı (mg/g) : Adsorbentin birim ağırlığı başına tuttuğu madde miktarı (mg/g) SS : Atık sulardaki süspanse katılar t (dak) : Zaman (dakika) T : Sıcaklık ( C) V : Kullanılan çözelti hacmi (L) W : Kullanılan adsorbentin miktarı (g) X : Adsorplanan maddenin kütlesi (mg) dk : Dakika rpm : 1 dakikadaki karıştırma hızını gösteren birim G 0 : Standart Gibbs serbest enerji (j/mol) H 0 : Standart entalpi (j/mol) S 0 : Standart entropi (j/mol) N : Normalite M : Molarite µ : Mikro mol : molekül sayısını bildirir g : Gram ml : Mililitre L : Litre mg : Miligram λ max : Boyar maddenin gösterdiği maksimum dalgaboyu nm : nanometre R : Gaz sabiti (8.314 kj/molk) R 2 : Korelasyon katsayısı ln : e tabanına göre logaritma Ads : Adsorpsiyon VIII

12 GİRİŞ 1.GİRİŞ Evsel, endüstriyel, tarımsal ve diğer kullanımlar sonucunda kirlenmiş veya özellikleri kısmen veya tamamen değişmiş sular ile maden ocakları ve cevher hazırlama tesislerinden kaynaklanan sular ve yapılaşmış kaplamalı ve kaplamasız şehir bölgelerinden cadde, otopark ve benzeri alanlarda yağışlarda yüzey veya yüzey altı akışa dönüşmesi sonucunda oluşan sular atık su olarak tanımlanabilir. (Anonim, 1988; Tünay, 1996a; Tünay,1996b). Şekil 1.1. de bir endüstriyel sistem ve bu sistemden en genel halde kaynaklanan atık türleri verilmiştir. Bu tür atık sular bir takım fiziksel, kimyasal ve biyolojik özelliklere sahiptir. Atık suda bulunan katı maddelerin derişimi, suyun sıcaklığı, ph değeri, kokusu, rengi ve bulanıklığı suyun en önemli fiziksel parametreleridir (Uslu, 1987). Şekil 1.1. Endüstriyel sistem ve atıklar (Şengül, 1989) Atık suyun içerdiği çözünmüş organik maddeler, toksik maddeler (ağır metaller ve fenol türü bileşikler), azotlu ve fosforlu maddeler ise suyun kimyasal özelliğini etkileyen maddelerdir (Akpınar, 1998). Diğer taraftan sularda bulunabilecek tek hücreli veya çok hücreli mikroorganizmalar (en çok rastlanan türü koli basili, streptokok) ise atık suların biyolojik özellikleri ile ilgili parametrelerdir (Baklaya, 1998). Özellikle tekstil, kozmetik, boya kağıt, deri, gıda, plastik vs. gibi bir çok endüstriyel atık suların neden olduğu organik (proteinler, karbonhidratlar, yağ, gres, sürfaktanlar, fenoller, pestisidler, klorlu bileşikler vb.), inorganik (krom, çinko, kurşun, nikel, bakır, arsenik, civa, antimon, kadmiyum vb.) ve çeşitli boyar madde kirlilikleri insan sağlığını ve ekolojik dengeyi tehdit etmektedir. Yaklaşık olarak farklı ticari boyar madde ve pigment mevcut olup, dünya çapında 7x10 5 ton/yıl üzerinde boyar madde ve pigment üretilmektedir. Bu boyar maddelerin yaklaşık %10-15 nin atık sulara bırakıldığı tahmin edilmektedir (Papić ve ark., 2004). 1

13 GİRİŞ Bu renkli atıklar, akarsu, göl ve denizlere özellikle de yüzey sularında yer altı su sistemlerine karışarak içme sularını kirletebilir. Temas edilmesi halinde ise deride tahriş, kanser, mutasyon ve bazı alerjik durumların meydana gelmesine neden olur(acemioğlu, 2004a). Bu nedenle endüstriyel atıklardan bu tür boyar madde kirliliklerinin uzaklaştırılması oldukça önemlidir. Bunun için aktif karbon adsorpsiyonu, kimyasal oksidasyon, ters osmoz, koagülasyon, flokülasyon, ve biyolojik işlemler gibi çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Her bir tekniğin bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Bu yöntemlerden aktif karbon adsorpsiyonu ise organik ve inorganik boyar madde kirliliklerinin giderilmesinde oldukça etkilidir (Acemioğlu, 2004b). Ancak aktif karbon kullanımı yüksek ekonomik değere sahip olduğundan (Acemioğlu, 2004a), Türkiye gibi gelişmekte olan ülkeler için pek uygun değildir. Bu nedenle uçucu kül, perlite, kil, odun tozu ve ağaç kabuğu gibi bazı lignoselülozik maddeler (lignin ve selüloz içeren maddeler) (Acemioğlu, 2004a), bazı biyosorbentler (mayalar, küf mantarları, algler ve bazı bakteriler) kullanılması daha uygundur(de Angelis ve Rodrigues, 1987; Miranda ve ark., 1996; Gallagher ve ark., 1997; Özmıhçı ve Kargı, 2004; Akar ve Tunalı, 2006). Son yıllarda boyar madde kirliliklerinin giderilmesi için ucuz maliyetli adsorbentlerin kullanılması yaygınlaşmıştır. Bu çalışmalar, tezin ikinci kısmı olan önceki çalışmalar kısmında bahsedilecektir. Bu çalışmada adsorbsiyon tekniği kullanılarak night blue, kristal viyole, ve metilen mavisi boyar maddelerinin sulu ortamdan uzaklaştırılması için adsorbent olarak Aspergillus flavus mantarı kullanılmıştır. Biyolojik bir materyal olan Aspergillus flavus sporları vajetatif durumdayken ürettiği mikotoksin olan aflatoksinin neden olduğu gıda zehirlenmeleri, pnömonitis (Hoog ve ark., 2000), otitis (Jesenska ve ark., 1992; Harley ve ark., 1995), sinüzit (Drakos ve ark., 1993) ve deri hastalıklarına neden olmasından dolayı iyi bilinen bir mikromantar türüdür. Biyosorpsiyon çalışmalarında Aspergillus spp. gibi küf mantarları laboratuvar koşulları kullanılarak öldürüldüklerinde, sporlarının yüzey kısımlarında bulunan karboksil, amino, fosfat ve sülfonat gibi fonksiyonel grupların pozitif ve nagatif yüklü olmalarından dolayı boyar madde ile biyomas arasında gerçekleşen etkileşim sayesinde biosorpsiyon olayı gerçekleşmektedir (Tobin ve ark.,1990; Akthar ve ark., 1996; Fourest ve Volesky, 1996; Kapoor ve Viraraghavan, 1997; Fu ve Viraragavan, 2002b). Burada kullanılan her üç boyar madde de katyonik yapıda olup özellikleri tezin materyal ve metod kısmında verilmiştir. Atom iyon ya da moleküllerin bir katı yüzeyinde tutulmasına adsorpsiyon, tutunan taneciklerin yüzeyden ayrılmasına desorpsiyon, katıya adsorplayıcı (adsorbent), katı yüzeyinde tutunan maddeye ise adsorplanan (adsorbat) adı verilir. Adsorpsiyon olayı yüzeyi ilgilendiren bir durum olduğu için adsorpsiyon, bir katı veya bir sıvının sınır yüzeyindeki konsantrasyon değişmesi olayı olarak da tanımlanır (Choy ve ark., 1999). 2

14 GİRİŞ Adsorbent ile hareket eden adsorbat molekülleri arasındaki etkileşim zayıf veya kuvvetli şekilde oluşabilir. Buna göre adsorpsiyon olayı, kimyasal veya fiziksel olmak üzere ikiye ayrılır. Eğer adsorplayıcı madde ile adsorplanan atom, iyon yada moleküller arasında van der waals etkileşmeleri şeklinde zayıf etkileşmeler söz konusu ise bu tür adsorpsiyon fiziksel adsorpsiyon olarak tanımlanır ve fiziksel adsorpsiyon aynı zamanda tersinirdir. Eğer adsorbent ve adsorbat molekülleri arasındaki etkileşim van der waals etkileşimlerinden daha kuvvetli ise yani yüzeye tutunmalar kovalent bağ oluşumu gibi kuvvetli etkileşimlerle gerçekleşiyorsa bu tür adsorpsiyon kimyasal adsorpsiyon olarak tanımlanır ve kimyasal adsorpsiyon ise genellikle tersinmezdir. Fiziksel adsorpsiyon genellikle sıcaklık artışı ile azalırken kimyasal adsorpsiyon sıcaklık artışı ile artar. Fiziksel adsorpsiyon bir veya birden fazla tabakalı olabildiği halde, kimyasal adsorpsiyon tek tabakalı olur. Adsorpsiyon olayı hem katı hem de sıvı yüzeyinde meydana gelmekle birlikte, daha çok katı yüzeyinde olan adsorpsiyon olayları incelenmektedir. Eğer katı yüzeyine adsorpsiyon; gaz fazında oluyorsa buna gaz adsorpsiyonu, çözelti fazından oluyorsa, çözeltiden adsorpsiyon olarak adlandırılır(erdik ve Sarıkaya, 1984). Gaz veya sıvı fazdaki atom, iyon veya moleküller bir katı yüzeyine adsorplandıklarında hareketlerinde bir azalma olur ve entropileri düşer. Çözelti ortamında adsorpsiyon durumlarında entropi değişimi bazen pozitif olabilmektedir. Sabit sıcaklık ve basınçta adsorpsiyon genellikle kendiliğinden gerçekleştiği için adsorpsiyon esnasındaki serbest entalpi değişimi veya Gibbs serbest enerjisi negatif işaretli olur. Gibbs serbest enerjisi, entropi ve entalpi arasındaki ilişki G= H-T S bağıntısıyla gösterilebilir (Yadava ve ark., 1991; Acemioğlu ve Alma, 2001; Acemioğlu ve ark., 2004). Gibbs serbest enerji ile entropinin negatif olması, adsorpsiyon entalpisi H ın da genellikle negatif olmasını gerektirir. Adsorbsiyon entalpisi H ın negatif olması ise adsorpsiyonun ekzotermik olduğuna işaret eder(erdik ve Sarıkaya, 1984). Bir adsorpsiyon olayında, adsorbentin kimyasal yapısı, tanecik boyutu ve gözenek yapısı oldukça önemlidir(erdem ve ark., 2005). Tanecik boyutu küçük olan (yani spefisik yüzey alanı büyük olan tanecikler) daha fazla adsorplama özelliği gösterirler. Diğer taraftan adsorplanan maddenin türü, ortamın sıcaklığı, ph, iyonik güç, adsorbat konsantrasyonu, temas süresi gibi parametreler de adsorpsiyonu etkiler. Adsorpsiyon bu tür parametrelerin bir fonksiyonu olarak adsorbent ve adsorbat molekülleri arasındaki etkileşimin tür ve derecesine göre değişir. Sabit sıcaklıktaki adsorbent tarafından adsorplanan madde miktarı ile denge konsantrasyonu arasındaki (gaz adsorpsiyonu durumunda denge basıncı) bağıntıya adsorpsiyon izotermi adı verilir. Adsorpsiyon izotermleri genellikle; adsorbentin kapasitesi ve adsorpsiyon enerjisi, adsorpsiyonun ne türde olduğu gibi bir takım önemli bilgilerin elde edilmesini sağlar. Bu nedenle bilim adamları tarafından çok sayıda izoterm modelleri ileri sürülmüştür. İleri sürülen modellerden en sık kullanılanı Langmuir (eşitlik 1.1.) ve Freundlich (eşitlik 1.3.)adsorpsiyon izoterm modelleridir. 3

15 GİRİŞ Langmiur adsorpsiyon izotermi aşağıdaki şekilde ifade edilir: Q0 b qe ( x / m) = 1 + b Burada, = Adsorbentin birim ağırlığı başına tuttuğu madde miktarı (mg/g) x = Adsorplanan madde miktarı (mg) m = Adsorbentin kütlesi (g) C e (C 2 )= Adsorpsiyon sonrası çözeltide kalan maddenin konsantrasyonu () b = Adsorpsiyon enerjisini ifade eden Langmuir sabiti Q 0 = Adsorpsiyon kapasitesi(mg/g) (1.1.) Langmuir izoterminin lineerize edilmiş hali aşağıdaki gibi gösterilebilir: C ( x / m) 1/ Q0 b / 0 / q = Q (1.2.) e e + Burada; C e ye karşı C e / değerleri grafiğe geçirilerek, grafik yardımıyla Q 0 ve b sabitleri bulunur (Gündoğan ve ark. 2004, Acemioğlu ve Alma, 2004). Freundlich izotermi ise aşağıdaki eşitlikle gösterilmiştir: q e 1/ n ( x / m) K C = (1.3.) bu denklemin lineerize hali f e ln =ln K f +1/n (ln C e ) şeklinde ifade edilir. (1.4.) Burada, = Adsorbentin birim ağırlığı başına tuttuğu madde miktarı (mg/g) x = Adsorplanan maddenin kütlesi (mg) m = Adsorbentin kütlesi (g) K f = Adsorpsiyon kapasitesini gösteren sabit n = Adsorpsiyon şiddetini gösteren sabit C e = Adsorpsiyon sonrası çözeltide kalan maddenin konsantrasyonu () Burada; lnc e ye karşı ln değerleri grafiğe geçirilerek, grafik yardımıyla k ve n sabitleri bulunur (Antos ve ark., 2002; Gündoğan ve ark. 2004, Acemioğlu ve Alma, 2004). Eğer adsorpsiyon biyolojik materyaller (biyomas) ile; örneğin bakteri, mantar, maya, küf, alg, vb. gibi çeşitli organizmalar ile yapılırsa biyosorpsiyon olarak adlandırılır. Literatürde çok sayıda biyosorpsiyon çalışmaları mevcut olup, bunlardan bazıları tezin önceki çalışmalar adlı bölümünde özetlenmiştir. Literatürde, organik, inorganik ve boyar madde adsorpsiyonu veya biyosorpsiyon ile ilgili çok sayıda çalışma mevcut olduğu için, bu bölümde genellikle çeşitli biyomas materyalleri veya organizmalar kullanılarak gerçekleştirilen boyarmaddelerin biyosorpsiyonu ile ilgili çalışmalardan bahsedilecektir. 4

16 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Biyosorpsiyon, çeşitli bileşenlerin (organik, inorganik, metal iyonu, vb.) biyolojik kökenli malzemeler tarafından (biyokütle, biyopolimer vb.) ortam ph sına bağlı olarak aktif ya da pasif alınımı olarak tanımlanır. Pasif alınım, biyosorbent yüzeyindeki aktif merkezlere yüzey adsorpsiyonu, kompleks ve şelat oluşumu gibi mekanizmalarla gerçekleşirken, aktif alınım ise, kirleticinin hücre içine alınımı şeklinde olup, kovalent bağ oluşumu, yüzey çöktürme, redoks reaksiyonları, hücre zarında stoplazmaya taşınım ve sitoplazmadaki protein, lipit gibi yapılara bağlanma şeklinde olur. Sulu ortamdan boyar madde biyosorpsiyonu ile ilgili son yıllarda yapılan bilimsel çalışmalar; atık sulardaki boyar madde kirliliği konusundaki çevre araştırmalarına büyük ölçüde ışık tutmaktadır. Çeşitli biyosorbentler (mantar, maya, bakteri, alg )ve boyar maddeler ile yapılan bazı biyosorpsiyon çalışmaları aşağıda özetlenmiştir. De Angelis ve Rodrigues (1987) in maya (Candida) biyomasını kullandıkları bir biyosorpsiyon çalışmasında remazol brillant blue tekstril azo boyasının renk giderimi için optimum şartları belirlemeye çalışmışlardır. Sonuçta ph 1,5 te 100 boya konsantrasyonu ve 5 biyomas kullanılması durumunda maksimum renk gideriminin %98,7 olduğunu belirlemişlerdir. Biyosorpsiyon kapasitesinde ise artan ph ile azalma olduğunu gözlemlemişlerdir. Mou ve arkadaşları (1991), Ganoderma spp fungal biyomasını kullanarak %15 gibi yüksek bir oranda boyar madde ve klor iyonu içeren bir tekstil fabrikası atık suyundan alınan örneklerle çalışmışlardır. Yüksek boya konsantrasyonlarında yüzde renk gideriminin düşük olduğunu belirlemişlerdir. Canlı hücrelerin boyaların rengini gidermede biyodegredasyonun yanı sıra biyosorpsiyon mekanizması da önemli bir rol oynayabildiğini öne sürmüşlerdir. Boya solusyonuna diğer yaş hücreleri (Myrothecium verrucaria) ilave etmişler ve ilk birkaç dakika içinde boyanın %50 den fazlasının uzaklaştığını ve yaklaşık on dakika içinde de dengeye ulaştığını gözlemlemişlerdir. Bu durum biyosorpsiyonun oldukça hızlı olduğunu göstermektedir. Daha sonra vajetatif halde bulunan hücreye bağlı olan boya, boya molekülünün tipine bağlı olarak bir hafta gibi bir süre içinde büyük oranda (%90) metabolik olarak parçalanmış olduğunu gözlemleyip kullandıkları acid red, orange(ii) ve 10B (blue) boyar maddelerini sulu ortamdan 24 saatte sırasıyla, %81-98, %25-91 ve %58-98 oranlarında gidermeyi başarmışlardır. Brahimi-Horn ve arkadaşları (1992), dekolorizasyonda boyanın intraselüler(hücreler arası) kompartmanlarının her hangi bir rolünün olup olmadığını görebilmek amacıyla sağlam ve hücre yapısı zarar görmüş hücrelerin 1-24 saat üç farklı boya solusyonunda(acid orange II, 10B (blue) ve acid red,) inkübe etmişlerdir. Bir saat sonunda aynı oranda boyanın adsorbe edildiği görülmüştür. Ancak 24 saat sonunda, zarar görmüş hücrelerin kullanıldığı çalışmada biyosorpsiyon oranı hemen hemen sabit kalırken sağlam hücrelerin kullanıldığı çalışmada adsorpsiyon oranında büyük bir artış gözlenmiştir. Bu durum, bağlama kapasitesi bakımından hücre bütünlüğünün önemli olduğuna ve bazı boyaların hücre içine alındığına işaret etmektedirler. Bu araştırmacılar deneylerinde M. varrucaria mantar biyomasının divalent bir boya olan Acid Red in %77 monovalent bir boya olan Acid Orange II nin %45 oranda giderildiğini göstermişlerdir. Sonrasında boyaları bağlı oldukları hücrelerden desorplayabilmek için metanol 5

17 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR kullanmışlar ve Orange II,10B (blue) ve acid red için sırasıyla yüzde giderilmenin %39, %35 ve %53 oranında gerçekleştiğini belirlemişlerdir. Aynı çalışmada Brahimi-Horn ve arkadaşları (1992), boyama prosesinde bazen sürfektan kullanıldığını bu nedenle boyalı atık sularda sürfektan bulunabildiğini ileri sürmüşlerdir. Atık sularda deterjan bulunmasının hücrelerin bağlama yeteneğini azaltabileceğini belirtmişlerdir. Bu araştırmacılar, noniyonik bir sürfektan olan Tween 80 yüksek konsantrasyonda bulunduğu zaman biyosorpsiyonun azaldığını ve aynı konsantrasyondaki Tween 80 in farklı boyalarda faklı etkiler oluşturduğunu belirtmişlerdir. Boussaid (1995), canlı Sagenomella striatispora nın kullanıldığı bir biyosorpsiyon ve biyodekolorizasyon çalışmasında kullanılan boyar maddenin (fabrika atığı kompleks bileşenleri olan atık boya) renginin %74 oranda açıldığını, ancak sadece 60 dakikadan daha az bir sürede oldukça hızlı olarak giderildiğini bulmuşlardır. Biyosorpsiyon olayında gerçekleşen boyar maddenin sadece %12 sinin mikroorganizma tarafından adsorplanarak ortamdan uzaklaştırıldığını deneysel verilere bağlı olarak belirtmiştir. Kapoor ve Viraraghavan (1995), boya giderimi ile ilgili yaptıkları bilimsel çalışmalarında; biyosorbent olarak bakterileri, mantarları ve algleri içeren bir çok mikroorganizmanın kullanılabileceğini öne sürmüşlerdir. Bunlar mikroorganizmalar arasında mantarların oldukça ekonomik ve basit fermentasyon koşullarında üretilebildiklerinden dolayı biyosorbentler arasında fungal olanların daha çok tercih edilmekte olduğunun önemini vurgulamışlardır. Knapp ve arkadaşları (1995), yedi farklı fungus ve birbirlerinden yapısal olarak farklı 14 sentetik boya ile bir çalışma yapmışlar ve biyosorpsiyona bağlı olarak rengin uzaklaştırılma yüzdesinin sınırlı olduğunu ve bunun genellikle %50 nin altında olduğunu rapor etmişlerdir. Bu çalışma sonucunda, hemen hemen aynı yapılara sahip olmalarına rağmen Brillant Yellow un Chrysophenine den daha kolay adsorbe olduğunu görmüşlerdir. Bu araştırmacılar, oldukça küçük yapısal farklılıkların renk gideriminin önemli ölçüde etkileyebileceğini ve buna da elektron dağılımı, yük yoğunluğu sterik faktörlerinin ve biyomasın yüzeyinde bulunan bazı fonksiyonel grupların neden olabileceğini belirtmişlerdir. Banat ve ark. (1996) boyalı atık sulardan BOD (Biyolojik Oksijen Değeri) nin giderilmesinde biyolojik muamele işlemlerinin etkili olduğunu ileri sürmüşlerdir. Ayrıca çalışmalarında boyar maddeleri parçalayabilen aerobik ve anaerobik bakteri türlerinin izole etmişler ve bu bakterilerin biyolojik parçalanmada etkili olduklarını bulmuşlardır. Çeşitli boyalı atıksuların sıcaklıkları 50-60ºC gibi bir değere sahip oldukları için biyosorpsiyon çalışmalarında bu sıcaklık değerlerinin de etkili olabileceğini belirtmişlerdir. Miranda ve arkadaşları (1996) nın yaptığı biyosorpsiyon çalışmasında biyomas olarak Aspergillus niger i kullanmışlar ve bu çalışmada boyar maddenin (şeker içeren fabrika atığı karışık boya ortamı) % arasında mantar yüzeyine adsorbe olduğunu sürmüşlerdir. 6

18 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Polman ve Breckenridge (1996), yaptıkları biyosorpsiyon çalışmasında etanol ve tween 80 kullanarak Rhizopus oryzae den reaktif Black 5 i kazanmaya çalışmışlar ve % 60 lık etanol (v/v suda) ile % 38,4; % 2 lik Tween 80ile de % 6,5 boya elde edebilmişlerdir. Benito ve arkadaşları (1997), yaptıkları biyosorpsiyon çalışmalarında biyomas olarak Trametes versicolor misellerini kullanmışlar ve toplam renk gideriminin sadece %5-10 unun adsorpsiyona bağlı olarak gerçekleştiğini ortaya koymuşlar,dır. Ortamda geriye kalan kısmın renginin gideriminin ise canlı halde bulunan aktif mantar sporlarının uzun süre ortamda boyar madde ile muamele edildiklerinde mantar tarafından salgılanan enzimler vasıtasıyla gerçekleştiğini öne sürmüşlerdir. Gallagher ve arkadaşları (1997), solusyondaki Remazol Brillant Red i adsorplamak üzere Rhizopus oryzae biyomasını kullanmışlar ve biyosorbanın infrared analizi ile R. oryzae nın Remazol Brillant Red i fiziksel yolla %87 ye kadar adsorbe ettiğini göstermişlerdir. Biyosorpsiyonun hem Freundlich hem de Langmuir izoterm modeline uyduğunu göstermişlerdir. Fu ve Viraraghavan (1999), canlı fungal biyomas (A. niger) için otoklavlama ve 0,1 H,0,1 M HCl, 0,1 M H 2 SO 4, 0,1 M CaCl 2, 0,1 M NaHCO 3, 0,1 M Na 2 CO 3, 0,1 M NaCl ile muamele ederek ön muamele işlemleri yapmışlardır. Bu araştırmacılar ön muamele işleminin etkinliğinin Basic Blue 9 ve Acid Blue 29 için farklı olduğunu görmüşlerdir. Basic Blue 9 un kullanıldığı çalışmada otoklavlama işlemi 1 g canlı fungal biyomasın biyosorpsiyon kapasitesini 1,17 mg dan 18,54 mg a çıkarmıştır. Acid Blue 29 un kullanıldığı çalışmada ise 1 g canlı biyomasın biyosorpsiyon kapasitesi 6,63 mg iken 0,1M H 2 SO 4 ile ön muamele işlemine tabi tutulduktan sonra 13,83 mg/g a yükselmiştir. Bu araştırmacılar,otoklavlama işleminin fungal yapıyı bozmuş olabileceğini ve böylece katyonik bir boya olan Basic Blue 9 un bağlanabileceği potansiyel bölgeleri açığa çıkarmış olabileceğini ileri sürmektedirler. H 2 SO 4 ile ön muamelede ise negatif yüklü olan fungal biyomas yüzeyinin pozitif yüklü hale dönüşmüş olabileceği ve bunun fungal biyomas ile anyonik bir boya olan Acid Blue 29 arasındaki etkileşimi artıracağı ileri sürmüşlerdir. Podgornik ve arkadaşları (1999), P. chrysosporium u kullanarak farklı kimyasal sınıf ve yapılara sahip olan boyaların dekolarizasyon hızlarını belirlemişledir. Bu araştırma sonunda dekolarizasyonun; kromofobik sistem, yükün işareti ve yükün dağılımına bağlı olmadığını ancak büyük ölçüde oksokromik gruba bağlı olduğunu tesbit etmişlerdir.bir boya molekülünün yapısı ile fungal parçalanabilirlik ve biyosorpsiyon arasındaki ilişkinin anlaşılabilmesi için daha fazla araştırmanın yapılmasının gerekli olduğuna dikkat çekmektedirler. Sumatri ve Phatak (1999) ın renk giderimi üzerine yaptıkları deneysel çalışmalarında kullanılan karışık fabrika atığı boyalı suyun %90-95 oranında rengini gidermeyi başarmışlardır. Bu çalışmaların ardından canlı haldeki biyoması 0,1M NaOH ile yıkamak suretiyle Aspergillus foetidus tan boyayı geri kazanmayı denemişler ve %31-41 oranında siyah sıvı ve alkali sıvı ile birlikte %75-85 oranında lignin elde etmişlerdir. 7

19 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fu ve Viraraghavan (2000), boya solusyonunun başlangıç ph sının, hem boya moleküllerinin hem de fungal biyomasın kimyasını etkilediğini belirtmişlerdir. Boya solusyonu için optimum başlangıç ph sının Basic Blue 9 için 6.0 ve Acid Blue 29 için 4,0 olduğunu bulmuşlardır. Basic Blue 9 un ph 2 de iyonlaşmsıyla oluşan protonların çok yüksek konsantrasyonda olmasından dolayı biyosorpsiyonun olmadığını görmüşlerdir. Fu ve Viraraghavan (2001), biyosorpsiyon olayında farklı kimyasal boyalar farklı moleküler yapılara sahiptir bu nedenle bir boyayı adsorbe ederek dekolorize edebilen bir fungusun başka boyaları aynı şekilde dekolorize edebilme kapasitesi farklı olabildiğini öne sürmüşlerdir. Bu durum ölü hücrelerden ziyade canlı hücrelerde görülür; çünkü canlı hücrelerde yüzey bileşenleri canlı hücre tarafından kontrol edilebildiğinden salgılanan enzimlerin de olayda rol oynadıklarınını vurgulamışlar ve bu bilgilerin ışığında yola çıkarak ölü yada canlı Aspergillus niger mantar biyosorbentini kullanıp bazı asit, baz v.s. gibi kimyasallarla muamele ederek canlı ve ölü mantar sporlarını mantar yüzeyinde bulunan fonksiyonel grupların daha aktif hale gelmesini sağlamışlardır. Biyosorpsiyon çalışması sonucunda ölü mantarların Congo Red boyar maddesini giderim kapasitesini en fazla olarak ph 6.0. da, 14,72 mg/g, canlı mantar sporlarının ise 12.1 mg/g olarak bulmuşlardır. Böylece öldürülen mantarların yüzeyinde bulunan karboksil, amino ve fosfat gruplarına canlı mantarlarınkinden daha fazla boyar madde adsorplandığını bulmuşlardır. Ayrıca ph nın sadece biyosorpsiyon kapasitesini değil aynı zamanda boya solusyonunun rengini ve bazı boyaların çözünürlüğünü de etkilediği ileri sürmüşlerdir. Bu nedenle ph nın renk gideriminde oldukça etkili bir faktör olduğunu yaptıkları çalışmalarında ifade etmişlerdir. Ayrıca Fu ve Viraraghavan (2001) ın yaptığı araştırmalar bazı ön muamele işlemlerinin biyosorpsiyon kapasitesini artırabileceğini göstermiştir. Bu ön muamele işlemlerinin başlıcaları: otoklavlama, formaldehit gibi organik kimyasallar yada NaOH, H 2 SO 4, NaHCO 3, CaCl 2 gibi inorganik kimyasallarla muamele etmek olduğunu belirtmilerdir. Fu ve Viraraghavan (2002a), yapmış oldukları biyosorpsiyon çalışmasında Aspergillus niger fungal biyosorbentini kullanarak Basic Blue 9, Acid Blue 29, Congo Red ve Disperse Red 1 boyar maddelerinin sulu ortamdan uzaklaştırılması için bazı deneyler yapmışlar ve değişik fonksiyonel grupların (karbolsil, amino ve fosfat ) boyar maddelerin biyosorpsiyonu üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Ancak deneylerden önce ön muamele işlemi gerçekleştirmişlerdir. Bu işlemde 2 g kuru biomass ı 130 ml metanol ve 1,2 ml HCI de 6 saat süreyle 125 rpm de çalkalamışlardır. Yapılan deneylerin sonunda 1g biyomas tarafından giderilen maksimum boyar made miktarının Basic Blue 9 un için 50 lik başlangıç boyar madde konsantrasyonu için 13,71 mg/g, Acid Blue 29 un için 45,96 başlangıç boyar madde konsantrasyonu için 17,55 mg/g Congo Red in 48,49 lik başlangıç boyar madde konsantrasyonu için 13, 00 mg/g ve Disperse Red in 1 13,50 lik başlangıç boyar madde konsantrasyonu için 5,59 mg/g olduğunu belirlemişlerdir. Fu ve Viraraghavan (2002b) nin boyalı atık suda yaptıkları biyosorpsiyon çalışmasında Aspergillus niger biyomasını NaOHCO 3 ile muamele ederek organik diazo direkt boyar madde olan congo red in giderimine çalışmışlardır. Canlı ve ölü halde bulunan biyomasın adsorpsiyon kapasitesini belirlemeye çalıştıkları deneylerde canlı 8

20 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR mantar hücrelerinin biyosorpsiyon kapasitesinin 12,1 mg/g ve ölü mantar hücrelerinin biyosorpsiyon kapasitesinin 14,72 mg/g olduğunu gözlemlemişlerdir. Ayrıca çalışmalarında ph nın boyanın kimyasını etkilediğini bulmuşlar ve elde ettikleri bulgularla yaptıkları izoterm incelemelerinde Langmuir, Freundlich ve BET izoterm modellerine uyum gözleyememişlerdir. O Mahony ve ark. (2002), yapmış oldukları biyosorpsiyon çalışmalarında Rhizopus arrhizus mantarını biyosorbent olarak kullanmışlar ve reaktif boyalar olan Cibacron Brillant Red, Remazol Brillant Blue R ve Remazol Brillant Orange 3R boyalarıyla çalışmışlardır. Deneylerinde sıcaklık, ph ve karışık çözelti(her üç boyanın da bulunduğu) konsantrasyonlarını kullanmışlar ve en fazla ph 10 da giderim sağlanmış olup miktarların sırasıyla Cibacron Red de %70, Remazol Brillant Blue R de %85 ve Remazol Brillant Orange 3R de ise %96 oranında olduğunu bulmuşlardır. Aksu (2003) nun yapmış olduğu biyosorpsiyon çalışmalarında biyosorbentin değişik fonksiyonel grupların (karbolsil, amino ve fosfat) boyar maddelerin biyosorpsiyonu üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Deneylerde kullanılan Saccharomyces cerevisiae mayası, diazo reaktif tekstil boyaların bioakümülasyonu için denenmiştir. Yüksek boya konsantrasyonları mayanın büyümesini inhibe ederek düşük renk giderimine neden olmuştur. Remazol black-b boyasının denenen boyalar içinde en yüksek biyokümülasyona sahip olduğu belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlarda Saccharomyces cerevisia tarafından giderilen boyar madde miktarının; 300 başlangıç konsantrasyonunda Remazol Black B için 88.5 mg/g, Remazol Blue için 84.6 mg/g ve Remazol Red RB için 48.8 mg/g olduğu bulunmuştur. Aksu ve Dönmez (2003) in yaptıkları biyosorpsiyon çalışmalarında boyar maddenin mayalar tarafından yüksek miktarda adsorplandığını görmüşlerdir. Kullandıkları remazol brillant blue R boyasının, Candida quilliermendi tarafından 100 lik çözeltide 102 mg/g, 300 lik çözeltide ise 152 mg/g olduğunu bulmuşlardır. Candida utilis mayasının kullanılması ile de 100 lik çözeltide 90 mg/g, 300 lik çözeltide ise 113 mg/g miktarında boyar giderimi olduğunu bulmuşlardır. Ayrıca Candida tropicalis ve Candida lipolytica için 100 lik ve 400 lik çözeltide gerçekleştirilen deneylerin sonucunda mayaların biyosorpsiyon kapasitelerinin sırasıyla 100 lik çözelti için 89 mg/g ve 169 mg/g, 400 lik çözeli için 101 mg/g ve 180 mg/g olduğunu bulmuşlardır. İzoterm incelemelerinde ise Langmuir ve Freundlich modellerine 0,99 korelasyonla uyum gerçekleştiğini ortaya koymuşlardır. Garg ve ark. (2004), sulu ortamdan malachite green boyar maddesinin biyosorpsiyonunu Proposis cinerea bitkisinin dallarından elde edilen talaşlar ile gerçekletirmişlerdir. Formaldehit (F1), granüler aktif karbon (G2) ve H 2 SO 4 (H3) ile muamele ederek ayrı ayrı gerçekleştirilen biyosorpsiyon deneylerinde; adsorbent dozu, ph ve boyar madde konsantrasyonunu parametre olarak kullanmışlardır. Biyomasın yüzeyinin modifiye edilmesi sonucu biyosorpsiyon kapasitesi F1>H3>G2 şeklinde sıralanmaktadır. ph deneyleri 2-10 arasında çalışılmış ve F1 in boya adsorpsiyonunu etkilemediği, G2 nin ph 6-10 arasında % 96 adsorpsiyon olduğunu belirlemişlerdir. Biyosorpsiyonun ph 2 de % 70 e düştüğünü ve H3 ün ise ph 10 da % 99 ve ph 2 de % 26,8 biyosorpsiyona neden olduğunu bulmuşlardır konsantrasyonunun çalışıldığı 3 saat süren deneylerde ilk 1 saatte adsorplanan boyanın dengede olduğu bulunmuş ve 9

21 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR konsantrasyonun artmasının adsorplanan boyar madde miktarının mg/g cinsinden değerini fazla etkilemediğini gözlemişlerdir. Biyosorbent dozunun 0,2-1 g/100ml olarak çalışıldığı deneylerde F1 in 0,2 g/100 çözeltisinde %100 oranında bir biyosorpsiyon gerçekleşmiş, G2 nin 0,2-1 g/100 miktardaki sonucu %52,6-100 olarak bulunmuş ve H3 ün 0,2-1 g/100 ml miktarında kullanıldığında %22,3-73,2 kadar malachite green boyar maddesinin adsorplandığı sonuçlarını elde etmişlerdir. Özmıhçı ve Kargı (2004), karışık bakteri kültürünü değişik boyar maddelerin biyosorpsiyon performansının değerlendirildiği çalışmada levafix brillant blue, direkt yellow 12, levafix rot, levafix red, everzol orange ve direkt red 28 boyalarını kullanılmışdır. Ayrıca aktif çamur tarafından dekolorizasyon ve biyosorpsiyon un birlikte gerçekleştiği deneylerde, sadece levafix rot boyasının rengi %90 açıldığını diğer tüm boyaların renginin %95 in üzerinde açılmış olduğunu deneysel verilerle ortaya koymuşlardır. Bhattacharyya ve Sharma (2005), adsorplayıcı madde olarak Azadirachta indica yaprakları kullanarak metilen mavisinin giderilmesini çalışmışlardır. 25 mg boyar madde içeren 1 lt çözeltiden, 2 g Azadirachta indica yaprağı kullanarak % 93 oranında boyar maddeyi uzaklaştırmışlardır. Zheng ve ark. (2005), adsorbent olarak aerobik granülleri (mikroorganizmalar), kullanarak, katyonik bir boya olan Rhodamin B nin biyosorpsiyonunu çalışlamışlardır. Biyosorpsiyona ph nın, suspanse katı atıkların (SS), iyonik mukavemetin ve sıcaklığın etkisini araştırmış ve izoterm analizlerini yapmışlardır. Aerobik granüllerin adsorplama kapasitesini 16,67-5,75 µmol/g SS arasında bulmuşlar, ph nın etkisini incelerken en yüksek değeri ph de 6,802 µmol/g SS olarak elde etmişler, ancak ph deneylerinde Rhodamin B boyasının ph<4 te iyonik yapıda monomerlerine ayrılarak katyonik duruma geçtiğini, ph>4 te boya dimer yapıda olup monomerlerinde ki karboksil ve ksanten gruplarının elekrostatik etkileşiminde artış gözlendiğini ve bunun da çamur yüzeyinin adsorbsiyon gücünü artırdığını ve ph>8 de OH - iyonlarının artmasıyla N + ve-coo - iyonları arasındaki mukavemetini düşürerek çamur yüzeyine tutunmasını azalttığını ortaya koymuşlardır. İyonik mukavemet NaCIO 4 ün düşük konsantrasyonda bile Na + iyonlarının ortamı nötralize ettiğini bulmuşlar, ortam sıcaklığının 5-45 C olduğu ortamlarda çalışılmış maksimum adsorpsiyon değerleri 24,85 ile 15,75 µmol/g SS olarak, mol başına 0,389-0,342 µmol/g SS değerinde olduğunu elde etmişlerdir. Deneysel bulgular kullanılarak yapılan izoterm incelemesinde Rodamin-B boyasının adsorpsiyonunun Langmuir izortermine 0,96-0,99 korelasyonda uyduğunu göstermişlerdir. Bayramoğlu ve ark. (2006), laboratuvar koşullarında elde ettikleri Phenerochaeta chrysosporium (küf mantarı) biyosorbentini kullanarak, tekstilde kullanılan reaktif blue- 4 ün biyosorpsiyonunun maksimum değerinin ph 3 te meydana geldiğini gözlemlemişlerdir. Biyosorbent tarafından adsorplanan boyanın 600 başlangıç konsantrasyonda 132 mg/g, 156,9 mg/g, 147,6 mg/g ve 81,1 mg/g değerlerinde, sırasıyla sıcaklık, ph, asitle muamele ve temel muamele(doğal biyomas) deneysel koşullarında elde etmişlerdir. Bulgular Langmuir, Freundlich ve Temkin izoterm modellerine göre incelenmiş, sadece Freundlich ve Temkin izotermlerine uyum gözlenmiştir. Maksimum biyosorpsiyon kapasitesini, sıcaklıkla muamele ederek kurutulan P. chrysosporium biyomasında 600 konsantrasyonda 211,6 mg/g olarak elde etmişlerdir. 10

22 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Zeroual ve ark. (2006) nın laboratuar ortamında izole ettikleri Rhizopus stolonifer, Fusarium spp., Geotrichum spp. ve Aspergillus fumigatus (mantar) gibi biyosorbentleri kullanarak bromfenol blue boyar maddesini sulu çözeltiden uzaklaştırmaya çalışmışlar, en iyi sonuçları ph 2.0 de elde etmişlerdir. Biyosorpsiyon kapasitelerinin 1,111-52,6 mg/g olarak bulmuşlardır. Yapılan izoterm incelemeleri sonucunda ise Lagmuir izoterm modeline Freundlich den daha iyi bir uyumun olduğunu tespit etmişlerdir. Deneylerimizde kullandığımız biyoması (Aspergillus flavus) Akar ve Tunalı (2006) dayaptıkları bir çalışmada kullanarak Aspergillus flavus tarafından Pb(II) ve Cu(II) nin biyosorpsiyon karakteristiğini incelemişlerdir. Çalışmalarında biyoması 0,5 N NaOH, %10 luk CH 3 COOH ve 100 ml %50 lik dimetil sülfoksit ve 50ml de 2,5 g çözünmüş çamaşır tozu ile muamele edip 65 C de kurutmuşlardır. Ölü biyomasın biyosorpsiyon kapasitesinin canlı olandan bazı faktörlere bağlı olarak artıp azaldığı bilgileri ışığında yola çıkıp biyoması ön muamele işlemine maruz bırakmışlardır. Öldürülen biyomasın canlıya göre adsorplama kapasitesinin arttığını gözlemişler ve en fazla artışı deterjan uygulanarak öldürülen biyomasta gözlemişlerdir. Sonuçta değerleri Pb(II) için canlı Aspergilus flavus ta 13,46 mg/g, öldürüldüğünde değerin 25,75 mg/g olduğunu bularak %92,39 kadar arttığını ve Cu(II) için canlıda 10,82 mg/g, öldürülünce değerin 31,35 mg/g %189,7 miktarında bir artış olduğunu ortaya koymuşlardır. Bu çalışmada ise; bir biyosorbent olarak öldürülmüş Aspergillus flavus(mantar) kullanılarak sulu ortamdan adsorbsiyon tekniğiyle kristal viyole, metilen mavisi ve night blue boyar maddelerinin biyosorpsiyonu inclenmiştir. Biyosorpsiyon üzerine, boyar madde konsantrasyonu, sıcaklık ph ve temas süresi etkisi araştırılmıştır. Ayrıca biyosopsiyona ait termodinamik özellikler ile biyosorpsiyon izotermleri incelenmiştir. 11

23 MATERYALVE METOT 3. MATERYALVE METOT 3.1 MATERYAL Kullanılan besiyerleri Patates Dekstroz Agar (PDA-Oxoid): Patates ekstraktı 4.0 g, D(+)Glukoz 20.0 g, Destile su ml (Bradshaw, 1992). Nutrient Buyyon (Anonim, 1984): Et ekstraktı 3.0 g, Et peptonu 5.0 g, Maya ekstraktı 2.0 g, NaCl 5.0 g, Destile su ml, ph 7.5 (Gücin ve Dülger, 1995) Czapek-Dox Buyyon (Anonim, 1984): Glukoz 30.0 g, NaNO g, KH 2 PO g, MgSO 4.7H 2 O 0.5 g, KCl 0.5 g, FeSO 4.7H 2 O 0.01 g, Destile su g (Sukhodolskaya ve ark., 2000) Fizyolojik Su: NaCl 8.5 g, Destile su ml. Malt Ekstrakt Broth (Merck): 17g Malt Extract, Destile su ml. Tüm besiyerleri otoklavda 121 C de 15 dakika bekletilerek sterilize edilmiştir.(özçelik, 1998). Şekil 3.1. Ekim yapılmadan önce hazırlanan sıvı besiyeri Deneyde kullanılan Biyomas ın özellikleri Yapılan tüm biyosorpsiyon çalışmalarında kullanılan ve laboratuvar koşullarında stoğa alınan Aspergillus flavus mikromantarı (ATCC 9807) kodlu suşu kullanılmıştır. Bu mantar canlı haldeyken sentezlediği Aflatoksin ve özellikle hijyen şartlarında hazırlanmamış kuru yemişlerde bulunması nedeniyle en önemli kanserojen bileşiklerden birisidir. Ayrıca, A. flavus akciğere yerleşerek akciğer kanseri yapma riski en yüksek olan bir mantardır. Bu sebeple deneylerde öldürülerek kulanılmıştır. Bir küf mantarı olan Aspergillus flavus funguslar aleminde Ascomycota şubesine, Eurotiales takımına, Trichocomaceae familyasına dahil olan bir mikromantar türüdür. Gelişen kolonileri koyu yeşil yada açık kahve rengi renkte olan, hifleri septalı ve hiyalinlidir. Konidi başları gelişmeye bağlı olarak gevşek sütunlu şekildedir. Konidiyoforlar kaba yapılı, pürüzlü, 12

24 MATERYALVE METOT renksiz olup uzunluğu 800 µm ve genişliği µm olan ve konidileri parlak küre şeklinde 3-6 µm çapındadır (Raper ve Fennell, 1965; Klich ve Pittt, 1988; Sutton ve ark., 1998; Hoog ve ark., 2000). Aspergillus spp. fungal biyomaslar sprorarının üzerlerinde ihtiva ettikleri, karboksil, amino ve fosfat gibi fonksiyonel gruplara sahip olmalarından dolayı pozitif ve negatif iyonlaşabilen kimyasal boyar maddeleri yüzeylerine adsorblayabilmektedir (Fu ve Viraraghavan, 2002a). Deneylerimizde kullandığımız Aspergillus flavus a ait şekiller, Şekil 3.2, Şekil 3.3 te gösterilmiştir. Şekil 3.2. A. flavus sporlarının Şekil 3.3. Petri kaplarında gelişen mikroskobik görüntüsü A. flavus kolonileri (Anonim, 2006b) (Anonim, 2006b) Deneyde kullanılan Biyomas ın hazırlanışı Aspergillus flavus (ATCC 9807), önce Patates Dekstroz Agar besiyerinde yüzeysel ekim yapılarak stoğa alındı ve daha sonra 25ºC de inkübatör cihazında 4-7 günlük gelişmeye tabii tutuldu. Gelişen bu mantar kültüründen alınan örnekten fazla miktarda mantar biyoması elde etmek için; sıvı besiyeri bileşenleri, belirtilen miktarlarda tartılarak 1000 ml distile su içinde çözülmüştür (Gücin ve Dülger, 1995). Besiyerinin ph sı, 1M NaOH ve 1M HCl çözeltileri kullanılarak 5-5,2 arasına ayarlanmıştır. Sonra 250 ml lik Erlen mayer ler içerisine 100 er ml olacak şekilde sıvı besiyerleri hazırlanarak sterilizasyon işlemi için besiyeri otoklavda 121ºC de 15 dk süre ile bekletilmiştir (Özçelik, 1998; Akar ve Tunalı, 2006). Steril olan besiyeri oda sıcaklığına kadar soğuduktan sonra Patates Dekstroz Agar besiyerinde geliştirilen Aspergillus flavus kültüründen öze ile alınan mantar sporları biyolojik yöntemlerle erlenlerde bulunan sıvı besiyerine aşılanmıştır. İnkübatörde 25ºC de 15 günlük bir vejetasyonun neticesinde besiyerlerinin üst kısımlarında gelişen ve yaklaşık olarak yaş ağırlığı 200 g kadar olan mantarların kalın misel tabakası; besiyerin sıvı kısmı süzülerek posa kısmı bir kapta toplandıktan sonra mantarlar saf hale dönüştürülmek üzere saf su ile yıkanmıştır (Akar ve Tunalı, 2006). 13