Dezenfeksiyon kinetikleri

Dezefeksiyon kinetikleri ilk olarak, birince derece reaksiyon kinetiklerine uygun olarak Chick tarafından 1908 yılında tanımlanmıştır;

dC

dt = −kN (2.1)

denkleminde N: mikrorganizma sayısı, t: süre, k: ölüm katsayısı olarak tanımlanmıştır. Kinetik model, dezenfeksiyon dozuna, mikroorganizma türü ve su koşuluna bğalı olarak değişen bir k katsayısı üzerine kurulmuştur. Watson 1908 yılında, bu katsayısı dezenfektanın konsantrasyonunu ve dzenfeksiyon etkinliğini içeren bir katsayıyı denkleme ilave etmiştir (Watson, 1908).

k = aCn _(2.2)

C: dezenfektan konsantrasyonu

N: seyrelme sabiti ve a: inaktivasyon sabiti olarak tanımlanmıştır.

Chick ve Watson!un yaklaşımları entegre edilerek Chich-Watson (C-W) dezenfeksiyon modeli elde edilmiştir.

log( C

C0) = −kC

n_{t (2.3)}

denklemi ile ifade edilmektedir.

N0: Başlangıç koşulunda mikroorganizma sayısını ifade etmektedir. C: t anında dezenfektan konsantrasyonu, n: Reaksiyon derecesini tanımlamaktadır. Fotokataliz gibi bir dezenfeksiyon uygulamasında, dezenfektan madde örnek olarak TiO2 fotokatalizörü ise, zamana karşı

konsantrasyon değeri sabit kabul edileceğinden, denklem, log( 𝐶

𝐶0) = −𝑘 𝑡 (2.4)

pseudo birinci derece reaksiyon kinetiklerine karşılık gelen bu log-lineer denklem basitliği sebebiyle literatürde farklı proseslerini, k kinetik sabitini baz alarak dezenfeksiyon etkinlikleri üzerinden karşılaştırmak amacıyla sıklıkla kullnaılmaktadır. Bu denklemin bakteri giderimini sağlıklı olarak fiade edebilmesi amaıyla, reaksiyon süresiboyunca reaksiyon hızının değişmemesini gerektirmektedir. Tam da bu nedenle, C-W modeli, çoğunlukla karşılaşılan

19

bakteri inaktivasyonu senaryolarının 2. Fazını yani log-lineer giderimin elde edildiği kısımı isabetli olarak tarif edebilmektedir (Marugán ve ark. 2008).

Oysa bir çok bakteri inaktivasyonu çalışmasında, başlangıçta durağan bir inaktivasyon fazının varlığından bahsedilmektedir (shoulder). Bu durumda, gecikmeli C-W model ile deneysel sonuçların başarılı şekilde fit edilebilmesi mümkün olmaktadır. Bu modelde yeni bir t0 parametresi tanımlanmıştır ve gecikmeyi hesaba katmaktadır.

𝑙𝑜𝑔 𝐶

𝐶0= {

𝑡 ≤ 𝑡0 𝑖ç𝑖𝑛 0

𝑡 ≤ 𝑡0 𝑖ç𝑖𝑛 − 𝑘′(𝑡 − 𝑡0)} (2.5) Farklı bir senaryo da, başlangıçtan itibaren sabit seyreden bir inaktivasyon fazından sonra,

bakteri konsantrasyonunun oldukça azaldığı koşulda dezenfeksiyon hızının azalmasıdır (tail). Bu durumda yine C-W modelinin bir modifikasyonu kullanılmaktadır.

𝑙og C

C0 = k1[1 − exp(−k2t)] (2.6)

Modifiye C-W modeli ile başlangıçta veya sonda durağan inaktivasyon fazının gözlemlendiği “shoulder” veya “tail” davranışlarını ifade edebilmek mümkündür. Fakat bu model dahi, her iki senasyonun da aynı anda gözlendiği bir inaktivasyon sürecini ifade etmekte yetersiz kalmaktadır.

Diğer yandan Hom 1972 yılında önerdiği bakteri inaktivasyonu modelinde, genel olarak log-lineer giderimden uzak davanış sergilenen bakteri inaktivasyonu kinetiklerini hedef almıştır;

log C

C0 = −k′t

h _(2.7)

Bu model temel olarak C-W modeli ile benzeşmektedir fakat, h parametresini içermektedir. h=1 olduğu koşulda, model C-W modeline indirgenmektedir. h>1 koşulunda bakteri inaktivasyonunda başlangıçta durağan faz gözlendiği, h<1 koşulunda ise bakteri inaktivasyonu sonuna doğru gözlenen durağan faz ifade edilebilmektedir (Hom, 1970). Fakat, Hom modelinin temel eksiği, her iki davranışın da gözlendiği inaktivasyon davranışını tam olarak ifade edememesidir. Modifiye Hom model de ise bu sorun ortadan kalkmıştır ve aşağıda eşitlikte ifade edildiği şekliyle;

l𝑜𝑔 𝐶

𝐶0 = −𝑘1[1 − exp(−𝑘2 𝑡)]

20

sabit dezenfektan konsantrasyonu koşulunda uygulanıyor olması kabulu ile özellikle fotokataliz prosesleri ile bakteri inaktivasyonunu k1, k2, k3 parametreleri ile isabetli olarak ifade

edebilmektedir. 3 parametre sırasıyla, başlangıçta gecikme, log-lineer faz ve son fazdaki yavaşlama özellikleri sergileyen dezenfeksiyon profiline karşılık gelmektedir. Buraya kadar, ileri oksidasyon prosesleri ile su ortamında dezenfeksiyonu ifade eden kinetik modeller tanımlanmıştır. Diğer yandan farklı bilimsel ve teknolojik alanlarda dezenfeksiyon prosesinin kinetik modellenmesi çalışmaları yürütülmüştür. Gıda endüstrisi vb. alanlarda üretilen kinetik modeller, dezenfeksiyon prosesi sonucu hayatta kalan mikroorganizma sayısını isabetli olarak kestirebilmektedir. Fakat, ısıl işlem vb. uygulama alanlarında üretilen bakteri inaktivasyonu modelleri, mekanizmaları gereği ileri oksidasyon prosesleri için temsil edici olmamaktadır.

Temel olarak, bakteri inaktivasyonunda başlangıçta gözlenen durağan faz seri oksidasyon mekanizması olgusu ile açıklanmaktadır. Buna göre, oksidasyon sonucu mikroorganizma hücresinin gördüğü zarar, anlık ölümcül bir etkiden ziyade kümülatif bir etkinin sonucu olarak tanımlanmıştır. Termal ve UV-C ışığı ile bakteri inaktivasyonunda da bu yaklaşım temel alınmaktadır. Termal uygulamada, yüksek sayıda kritik molekülün doğal özelliklerinin değiştirilmesi gerekmekte iken, UV-C örneğinde, fotonlar DNA tarafından absorplanır ve önemli bir genetik tahribat oluşarak bakterinin yenilenmesi engellenir (Marugán ve ark. 2008).

Sunada ve ark. (2003) önerdiği fotoakatalitik dezenfeksiyon mekanizmasına göre, yarı- iletkenin UV ışınları ile uyarılması sonucu oluşan ROT ler hücre dış zarına (membran yapı) zarar vererek, geçirimlilik özelliğini değiştirmekte ve yok etmektedir. Böylece ROT hücre duvarına ve sitoplazmik zara ulaşarak hücre parçalanmasına sebep olmaktadır. Başlangıçta gözlenen durağan fazın (bakteri inaktivasyonunda gecikme olarak ta yorumlanabilir) uzunluğu, oluşan ROT lerin hacimsel oranına bağlıdır. Ve bu hacimsel oran, fotokatalizör konsantrasyonuna ve birim alana ulaşan foton akısına doğrudan bağlıdır (Sunada ve ark. 2003). Dezenfeksiyon profilinin sonlarında gözlenen durağan faz ise literatür bulgularının bir kısmına göre inaktivasyon sonucu kalan bakteri hücrelerinin oksidatif koşullara karşı nispeten daha dayanıklı olmaları ile açıklanmaktadır. Bir diğer benzer yaklaşımda ise Berney ve ark. (2006) bulguları, oksidatif koşullara karşı bakterilerde gözlenen dirençlilik seviyelerindeki bu farklılığın, uygulanan arıtma işlemi sırasında eşzamanlı olarak oluştuğu yönündedir (Berney ve ark. 2006).

21

Fotokatalitik deznfeksiyon sistemlerinin etkin biçimde dizayn edilebilmesi için, kinetik bilgilerin isabetli bir şekilde elde edilebilmesi gerekmektedir. Literatür araştırması neticesinde, fotokatalizör bakteri hücresi etkileşim süresi, katalizör- dozu, ışık şiddeti parametrelerinin optimum kombinasyonunu belirleyebilmek amacıyla isabetli bir mekanistik modele ihtiyaç duyulduğu sonucuna ulaşılmıştır. Şimdiye kadar sıklıkla ampirik modeller ve yarı-mekanistik ampirik modeller literatüre kazandırılmıştır. Uzun matematiksel hesaplamalar sonucu elde edilen kestirimsel sonuçlar deneysel çıktılar ile örtüşse de inaktivasyon proseslerinin altında yatan mekanizmanın kompleksliği hakkında herhangi bir teorik gerçeklik üzerine kurulmamıştır. Biyolojik özelliklerin veya parametrelerin oluşturulan denklemlere katılması ile farklı organizmalar için geçerli olabilecek modeller elde edilmesi mümkündür (Dalrymple ve ark. 2010).