BACİLLUS SUBTİLİS İLE REAKTİF BLACK 5 BOYAR MADDESİNİN RENK GİDERİM KİNETİĞİNİN ARAŞTIRILMASI *

Transkript

1 BAİLLUS SUBTİLİS İLE REAKTİF BLAK 5 BOYAR MADDESİNİN RENK GİDERİM KİNETİĞİNİN ARAŞTIRILMASI * Investıgatıon of olor Removal Kınetıcs of Reactıve Black 5 Dyestuff by Bacıllus Subtilis * Gülcan KOÇAK Kimya Anabilim Dalı Hunay EVLİYA Kimya Anabilim Dalı ÖZET Bu çalışmada Bacillus subtilis fakültatif anaerobik bakteri yapay ortamda üretilerek, Reaktif Black 5 boyar maddenin renk giderim kinetiği saptanmaya çalışılmıştır. Belirli bir derişimde hazırlanan boyar madde sulu çözeltisi (%1,5), besin ortamı hazırlanarak, 25 ve 35 de 20 ml 10 adet cam şişede anaerobik parçalanmaya bırakılmıştır. Anaerobik parçalanma sürecinde, 2 şer gün arayla bir adet şişe alınarak ph ölçülmüş, santrifüjlenerek duru faz çökeltiden ayrılmış, çökelti kurutularak gravimetrik olarak kütlesi saptanmıştır. Duru fazın (renk şiddeti) absorbansı UV spektrofotometresi ile ölçülmüştür. Maximum absorbans gösteren dalga boyu saptanarak standart absorbans- derişim grafikleriyle karşılaştırılmıştır. Bulgulardan renk gideriminin I. dereceden bir kinetik modele uyduğu bulunmuştur. 25 o ve 35 o de tepkimenin hız sabitleri grafikler ile bulunmuş ve biyolojik parçalanma aktivasyon enerjisi hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Bacillus Subtilis, azo boyalar, renk değişim kinetiği ABSTRAT In this study, it is aimed to determine the kinetics of color removal in reactive Black 5 dyestuff by Bacillus subtilis facultative anaerboric bactery grown in an artifical media. Diluted solution (1.5%) of dyestuff prepared in certain concentrations is exposed to different temperatures in a nutrient media in a sterilizer for decomposition. During decomposition somples have been taken in certain periods of time by centrifugation. olour intensity in the centrifugate, dry and wet MLSS concentration have been determined gravimetrically. After the decomposition, the aquous mixture was separeted via centrifugation. The precipitate has been dried and weighed to determine the dry mass, and eluate has been analysed by UV spectrophotometer at the wavelengh of maximum absorbance to determine the concentraction of dyes with time. From the findings, it was found that the color removal with time obeys first order kinetics. Reaction rate constants at 25 o asnd 35 o were found from the graphs and activation energy of biodegradation was calculated ( kj/mol). Key words: Bacillus Subtilis, azo dyes, kinetics of color change Yüksek Lisans tezi * - 6 -

2 Giriş Tekstil sanayinde kullanılan boyar maddeler, boyama ünitelerinden sonra tekstil fabrikası çıkış sularına verilmektedir. Renkli çıkış suyunun, boyama, baskı ve yıkama işlemlerinden kaynaklandığı, renk derecesinin ise boyar madde derişimine ve kullanılan maddenin yapısına bağlı olduğu yapılan çalışmalarda belirtilmiştir (arliel ve ark., 1996). Dispers ve vat boyar maddeler suda çözünmediği için çıkış suyunda bu tür boyar maddelerin derişimleri düşüktür ve flokülasyon gibi fiziksel işlemlerle atık sudan ayrılabilmektedir. Suda çözünen boyar maddeler içeren çıkış suyunda bu maddelerin sudan ayrılmasında biyokimyasal yöntemler kullanıldığı zaman, boyar maddelerin çoğu biyokütleye adsoplanmak ayrıldığı bilinmektedir (arliel ve ark., 1996). Ancak suda çözülebilen boyar maddelerin aerobik biyolojik arıtım süreçlerinde renk gideriminin etkin olarak sağlanamadığı belirtilmektedir. Sadece kanalizasyon sularına uygulanan anaerobik sürecin son zamanlarda, endüstriyel atık sularda boyar maddelerin gideriminde kullanıldığı çalışmalar da yoğunlaşmıştır. Tekstil boyar maddelerinin %60-70 ni azo boyar maddeler oluşturmaktadır. Azo boyar maddelerinden elde edilen reaktif boyar maddeler üretilmekte ve kullanılmaktadır. Reaktif boyar maddelerin tekstil fabrikası çıkış sularından giderilebilmesi için anaerobik arıtım sisteminin etkin olarak kullanılabileceği belirtilmektedir (arliell ve ark.,1996). Anaerobik koşullar altında azo boyar maddelerin, renksiz aromatik aminlere indirgendikleri ve bu indirgenme ürünlerinin, canlılar üzerinde toksik mutajenik ya da karsinojenik etki gösterdikleri rapor edilmiştir (hung ve ark.,1993). Atıksularda renk gideriminde, fiziksel, kimyasal ve çok değişik uygulanan işlemlerin olduğu belirtilmektedir r (Lin ve Lin, 1993). Yüzey aktif kimyasal maddelerin bulunduğu çözeltilerde, azo boyar maddelerin sodyum hipokloritle renk giderimi üzerinde çalışılmış ve renklerin giderildiği saptanmıştır (Hamado ve ark., 1998). Albeni için kullanılan boyar maddeler çeşitli kaynaklardan sulara geçmektedir ve alıcı ortama taşınmaktadır. Su standartlarına göre renkli maddelerin sularda olmaması gerekmektedir. Atık sulara karışan boyar maddelerin giderimiyle ilgili araştırmalar yoğun bir şekilde sürmektedir. Yapılan araştırmada Reaktif Black 5 boyar maddesinin renginin anaerobik ortamda Bacillus subtilis ile giderildiği rapor edilmiştir (Taner ve Ark, 2000). Bu çalışmada tekstil işletmelerinde kullanılan Reaktif Black 5 boyar maddesinin anaerobik ortamda, Bacillus subtilis ile renk giderim kinetiği farklı sıcaklıklarda (25 o ve 35 o ) araştırılmıştır. Materyal ve Metod Materyal Araştırmanın materyalını bacillus subtılıs bakterisi ve reaktif black 5 boyar maddesi oluşturmaktadır.fakültatif anaerobik bakreri olan bacillus subtılıs yapay ortamda üretilmiştir

3 Metod Bu çalışmada, bir fakültatif anaerobik bakteri yapay ortamda üretilerek, bir boyar maddenin anaerobik ortamdaki renk değişim kinetiği saptanmaya çalışılmıştır. Çalışma biyoasey teknikle sürdürülmüştür. Belirli derişimlerde hazırlanan sulu boyar madde çözeltileri, besin ortamları sağlanarak mikroorganizma ile aşılanmış, 25 o ve 35 o da biyolojik parçalanmaya bırakılmıştır. Biyolojik parçalanma 21 gün sürdürülmüş ve 2 şer gün arayla alınan örnekler Standart Yöntemlere göre analiz edilerek; ph, MLSS derişimleri ve renk şiddetleri saptanmıştır. Ayrıca biyolojik yıkım mekanizmasının aydınlatılması için, analiz edilmek üzere alınan örnekler kloroform ile özütlenerek, ileri analizler için korunmuşlardır. Günlere bağlı olarak ph, MLSS derişimi ve renk şiddetleri değişimler çizelge ve şekiller halinde verilmiştir. Mikroorganizmaların Besiyerinin Hazırlanışı Mikroorganizmaların üreyebilmeleri için gerekli besin elementlerini içeren ortam hazırlanmıştır. Çizelge 1. de belirtilen maddelerin, biyolojik yaşam için gerekli besin elementlerini içeren, belirli derişimlerde hazırlanan stok çözeltilerden, besi yerine uygun derişimi sağlayacak miktarda besiyerine eklenmiştir. Çizelge 1. Besiyeri için gereken maddeler ve besi yerindeki derişimleri Kullanılan Madde Miktar (g/l) Amonyum Fosfat 0,04 Amonyum Klorür 0,20 Magnezyum Klorür 1,80 Potasyum Klorür 1,30 Mangan Klorür 0,02 Kobalt Klorür 0,03 Borik Asit 0,0057 Bakır (II) Klorür 0,0027 Çinko (II) Klorür 0,0021 Sodyum Molibdat Demir (III) Klorür 0,30 Sodyum Bikarbonat 2,64 Sodyum Sülfür 0,50 Pepton 0,90 Boyar Madde Ortamının Hazırlanması Besin elementlerini gereken derişimde içeren, besi yeri çözeltisinden yeteri kadar hazırlanmıştır. Toz halindeki Reaktif Black 5 boyar maddesinden 0,1 g tartılarak, besi çözeltisi ile 1L ye tamamlanmıştır. Besin elementleri ve boyar madde karışımı olarak hazırlanan çözeltiler 10 ml lik 20 adet şişelere konulmuştur. Şişelerin ağızları lastik conta ile kapatılmış, hem şişe içindeki oksijenin boşalması hem de kapakların açılmaması için steril enjektör takılarak otoklavda sterilizasyon - 8 -

4 işleminden geçirilmiştir. Sterilizasyon İşlemi Besin elementi ve boyar maddelerin konulduğu şişeler, 121 o ' de ve 0,12 MPa basınç altında 15 min otoklavda ısıl sterilizasyon işleminden geçirilmiştir. Şişeler, UV ışımasının sağlandığı pasaj kabini içerisinde soğumaya bırakılmıştır. Şişeler biyolojik parçalanma süresinde biyolojik reaktör olarak kullanılmıştır. Mikroorganizma Aşılanması Steril şartlar altında şişelerde bulunan ve oda sıcaklığına kadar soğumuş çözeltilere, bakteri kültürünün sulu karışımından, steril şırınga ile 1'er ml eklenerek, aşılama yapılmıştır. Aşılamanın yapılmadığı şişelerde bulunan çözeltiler kör olarak kullanılmıştır. Bacillus subtilis bakteri kültüründen aşılama yapılarak ya da aşılama yapılmadan, farklı boyar maddelerle hazırlanan ortamlar ve ortam içerikleri kodlanarak Çizelge 2.'de verilmiştir. Biyokimyasal Parçalanmanın İzlenmesi Biyolojik parçalanmanın saptanması için 21 gün süre ile şişelerden 10 adedi 25 o de, 10 adedi 35 o de inkübasyona bırakılmıstır. Ayrıca sadece bakteri kültürü ve besi yeri çözeltisinden oluşan kör çözeltiler yine 25 o ve 35 o de inkübasyona bırakılmıştır. İnkübasyona bırakılan şişelerden ikişer gün arayla örnekler alınarak analiz edilmiştir. Bu süre içerisinde yapılan işlemler alt başlıklar halinde verilmiştir. Çizelge 2. Bacillus subtilis bakteri kültürleri sulu karışımı ile aşılama yapılarak ya da aşılama yapılmadan, boyar maddei le hazırlanan ortam içerikleri ve kodları. ORTAMIN KODU ORTAM İÇERİĞİ B1 Besi yeri + Bacillus subtilis + Reaktif Black 5 K1 Besi yeri + Bacillus subtilis Suspansiyondan Askıda Katı Maddenin Santrifüjle Ayrılması Alınan örnekleme şişelerdeki karışımlar, iyice karıştırılarak, darası alınmış, 2 ml'lik ependorf tüplerine aktarılarak rpm de 15 dakika santrifüj (Fisher) edilmiştir. Üst duru fazda spektrofotometrik absorbans analizleri; çökeltide MLSS analizi Standart Metoda göre yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, örneklerde elde edilen veriler körlerde elde edilen verilere göre düzeltilerek verilmiştir. Bulgular ve Tartışma Bacillus subtilis bakteri kültürü ve Reaktif Black 5 boyar maddesinin bulunduğu ortamlardaki anaerobik parçalanma süresince absorbans değişimleri, ph ve askıda katı madde (MLSS) derişimleri ile ilgili bulgular ve bulguların tartışılması alt başlıklar halinde verilmiştir

5 ln ABS Ç.Ü Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi Yıl:2011 ilt:26-1 Bacillus subtilis ve Boyar Maddelerin Bulunduğu Anaerobik Ortamda, İnkübasyon Zamanı ile UV Absorbans Değişim Bulguları Bacillus subtilis ve boyar maddelerin bulunduğu anaerobik ortamda, 25 0 ve 35 0 sıcaklıklarda inkübasyon zamanı ile değişim grafiği çizilerek Şekil de verilmiştir. Bu absorbans 597 nm dalga boyunda ölçülmüştür. Absorbslardaki azalma, boyar maddenin biyolojik parçalandığını ve belli dalga boylarında ışın absorblayan grupların yapılarının bozulduğunu göstermektedir. 0,00-0,50-1,00-1, Şekil 4.1-2,00Bacillus subtilis ve boyar maddelerin bulunduğu anaerobik ortamda, inkübasyon zamanı ile UV absorbans değişimi -2, Zaman (Gün) Şekil 1. Bacillus subtilis ve boyar maddelerin bulunduğu anaerobik ortamda, 25 0 ve 35 0 sıcaklıklarda inkübasyon zamanı ile değişim grafiği Mikroorganizma Kültürleri ve Boyar Madde Bulunan Anaerobik Ortamda, İnkübasyon Zamanı ile ph Değişim Bulguları Bacillus subtilisbakteri kültürü ve Reaktif Black 5 boyar maddesinin bulunduğu anaerobik ortamda, 25 0 ve 35 0 inkübasyon zamanı ile ph değişim bulguları Şekil halinde verilmiştir..anaerobik ortamda biyolojik parçalanma sırasında ph değerinin fazla değişmediği ve 7,00-7,22 arasında salınım gösterdiği saptanmıştır

6 ph Ç.Ü Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi Yıl:2011 ilt:26-1 7,25 7,20 7,15 7,10 7,05 7,00 6,95 6,90 6, Zaman (gün) Şekil.2. Bacillus subtilis ve boyar madde bulunan anaerobik ortamda, inkübasyon zamanı ile ph değişimi Mikroorganizma Kültürleri ve Boyar Madde Bulunan Anaerobik Ortamda, İnkübasyon Zamanı ile Askıdaki Katı Madde (MLSS) Derişiminin (G/L) Değişim Bulguları Bacillus subtilis bakteri kültürü ve Reaktif Black 5 boyar maddesinin bulunduğu anaerobik ortamda, 25 0 ve 35 0 da, inkübasyon zamanı ile askıda katı madde (MLSS) derişim (g/l) değişim bulguları absorbans zamanına karşın grafiğe geçirilmiş ve Şekil halinde verilmiştir. Bulgular Bacillus subtilis ve boyar madde bulunan anaerobik ortamda inkübasyon evresinde askıda katı madde miktarının sürekli arttığını göstermektedir 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0, Zaman (Gün) Şekil.3. Bacillus subtilis ve boyar madde bulunan anaerobik ortamda, inkübasyon

7 ln ln Ç.Ü Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi Yıl:2011 ilt:26-1 zamanı ile askıda katı madde (MLSS) derişim (G/L) değişimi Mikroorganizma Kültürleri ve Boyar Madde Bulunan Anaerobik Ortamda, İnkübasyon Zamanı ile Derişiminin (G/L) Değişim Bulguları Bacillus subtilis bakteri kültürü ve Reaktif Black 5 boyar maddesinin bulunduğu anaerobik ortamda, 25 0 ve 35 0 da, inkübasyon zamanı ile derişim bulguları eğrisi olarak Şekil 4. ve Şekil.5 verilmiştir. 0,00-1,00-2,00-3,00-4,00-5,00-6,00-7,00-8, Zaman(gün) Şekil 4. Mikroorganizma kültürleri ve boyar madde bulunan anaerobik ortamda, inkübasyon zamanı ile derişiminin (G/L) değişimi (ln-t) 0,00-2,00-4,00-6,00 y -0,096x - 4,422 R² 0, , Zaman (gün) Şekil 5. Mikroorganizma kültürleri ve boyar madde bulunan anaerobik ortamda,

8 inkübasyon zamanı ile derişiminin (G/L) değişimi (ln-t) Reaktif Black 5 (A) Maddesinin Anaerobik Parçalanma Kinetik Modeli Boyar madde derişiminin zamanla değişimi ve askıda katı madde derişiminin zamanla değişimi, parçalanmanın derişime bağlı birinci dereceden bir kinetik modeline uyduğunu göstermiştir. A + M R + M 1 A : Boyar Madde M : Mikroorganizma R : Parçalanma Ürünleri M 1 Üreyen Mikroorganizma Tepkime Hız Sabitlerinin Hesaplanması d A - k A dt (4.1.) A A O ln A d / A A ln AO A O 20 k 0 - kt A ln kt k ln A A O k tan t dt ln t (4.2.) (4.3.) (4.4.) (4.5.) (4.6.) T

9 k tan ln t 5 ( 6) ,1 g 1 k tan ln t 5 ( 5,60) ,1 g 1 T 35 0 k tan ln t 5 (6,5) ,15g 1 k tan ln t 4,5 ( 6) ,15g 1 Biyolojik Parçalanma Aktivasyon Enerjinin Hesaplanması Farklı sıcaklıklarda saptanan hız sabitleri k verilerinden yararlanarak aktivasyon enerjisi: T K k 1 A e -E a/ R T 1 ( 4.7.) T K k 2 A e -E a/ R T 2 (4.8.) ln k k R T1 T2 E a (4.9.) ln k k 2 1 T2 T 1 R T2T1 E a (4.10.) k 1 0,1 0, ln 0,1 8, * 298 k 2 0,15 E ln 1,5 a 10 8, E a 0,4054 E a 1, ,

10 0,4054 E a 1, E a 0, j/mol Reaktif Black 5 boyar maddesinin aktivasyon enerji gereksinimi çok düşük olup 30,930 kj/mol dür. Bu değer bize tepkimenin Langmuir isothermine göre yavaş gerçekleştiğini göstermektedir. Sonuçlar Yapılan çalışmada absorbans ölçümlerinde önemli düşüş kaydedilmiştir. Bu düşüşler renk giderim kinetiği olarak kabul edilmiş vebulgulardan hesaplandığında; Bacillussubtilisbakteri kültürünün bulunduğu anaerobik ortamda 20 günde, Reaktif Black 5 boyar maddesi için renk giderim yüzdesi %75 olarak bulunmuştur ph lardaki küçük değişimler, biyolojik parçalanmanın olduğunu göstermektedir. Düşüşler ortamda asidik bileşiklerin olduğunu ve bunların zamanla biyolojik parçalanmaya uğrayarak ortamda kalmadıklarını göstermektedir. anabilir. Bacillussubtilisbakteri kültürü ve Reaktif Black 5 boyar maddesininin bulunduğu anaerobik ortamda, inkübasyon süresince, askıda katı madde derişiminin sürekli arttığını göstermektedir. Biyolojik parçalanma sonucu boya konsantrasyonunda azalma tespit edilmiştir. Boyar madde derişiminin zamanla değişimi ve askıda katı madde derişiminin zamanla değişimi, parçalanmanın derişime bağlı birinci dereceden bir kinetik modeline uyduğunu göstermiştir. k değerinin sıcaklık arttıkça arttığı yapılan hesaplamalar ile bulunmuştur. Buna bağlı olarak sıcaklık arttıkça hızın arttığı tespit edilmiştir. Hız sabitinin konsantrasyondan bağımsız olduğu, zamana bağlı olarak değiştiği saptanmıştır. Reaktif Black 5 boyar maddesinin aktivasyon enerji gereksinimi çok düşük olup 30,930 kj/mol dür. Bu değer bize tepkimenin Langmuir isothermine göre yavaş gerçekleştiğini göstermektedir. Kaynaklar ARLIELL,. M., BARLAY, S. J., BUKLEY,. A., Treatment of Exhausted Reactive Dyebath Effluent Using Anaerobic Digestion: Laboratory and Full- Scale Trials, Water SA. 22(3), , (1996). HUNG, K. T., STEVENS, S. E., Degradation of Azo Dyes by Environmental Microorganisms and Helminths, Environ. Toxicol. and hem., 12, , (1993). HAMADA- K, NİSHİZAWA- M, YOSHİDA- D, MİTSUİSHİ- M, "Degradation of an Azo-Dye by Sodium-Hypochlorite in Aqueous Surfactant Solutions",Dyes And Pıgments,, Vol 36, Iss 4, pp , (1998 ). LIN, S. H. & LİN,. M., Treatment of textil waste effluent by ozonation and chemical coagulation. Water Res., 27, , (1993). TANER, F., ATAÇAĞ, H., ÖNEL, T., HALİSDEMİR, B., MAZMANI, A., Tekstil sanayinde kullanılan bazı azo boyar maddelerin anaerobik biyolojik parçalanmasının araştırılması, (2000)