Fotokataliz prosesi ile bakteri inaktivasyonu modellenmesi: Temel proses

E. coli DSM-498 nin model bakteri olarak seçildiği faktöriyel deneysel çalışmalarda da önceki

bölümde tarif edilen, antibiyoik giderimi için izlenen faktöriyel deneysel tasarıma benzer yaklaşım izlenmiştir. Fotokataliz prosesi ile ADB giderimi ve modelleme çalışmalarında UV

92

enerjisi uygulanan fotokatalizör kaplı yüzey alanı, başlangıç bakteri konsanstrasyonu, pH koşulları, çözücü ortma iyon konsantrasyonu ve proses süresi parametrelerin proses verimi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Literatürde bu ve benzeri yaklaşımlarla bir çok ampirik ve mekanistik temelli model elde edilmiştir (Marugán ve ark. 2011; Alrousan ve ark. 2009). Marugan ve ark. (2015) çalışmasında fotokatalitik bakteri inaktivasyonu, TiO2 kaplı tabakanın

net ışınım absorpsiyonu, birbirini izleyen reaksiyonlar denklemi (hasar görmüş ve görmemiş bakteri hücrelerinin sayımına dayanan) vasıtasıyla modellenmiştir. İç yüzü kaplı silindirik fotoreaktör konfigürasyonundan elde edilen deneysel veri ile kinetik model valide edilmiştir, benzer yaklaşımlara literatürde rastlanmaktadır (Marugán ve ark. 2015; Vezzoli 2012).

Bu çalışmada, yukarıda bahsedilen deneysel çalışmalardan önce reaktör hidrolik koşullarının

ve proses işletme koşullarının etkisini en aza indirmek hedeflenmektedir. Böylece tekrar edilebilir deneysel sonuçlar sağlanabilecektir. Bu amaçla;

- Yalnızca UV-A enerjisinden kaynaklanan bakteri inaktivasyonu etkisinin gözlenmediği maksimum UV enerjisi koşulu belirlenmesi, YSF üzerinden sıvı akışı debisi optimize edilmesi, çözücü ortam inorganik iyon konsantrasyonu optimizasyonu (NaCl konsantrasyonu belirlenmesi) ve pH koşullarının optimizasyonu ön çalışmalar ile gerçekleştirilmiştir.

Ön çalışmalarla belirlenen fotokataliz prosesi koşullarında, aynı ince-film kaplı yüzey ile üst üste yürütülen deneysel çalışmalarla, İF fotokataliz prosesi ile bakteri inaktivasyonunun sürekliliği ortaya konulmuştur. Ön çalışma ve temel deneysel çalışma sonuçları, ilgili başlıklar altında literatürde elde edilen bulgular ile birlikte değerlendirilerek tartışılmıştır.

3.7.2.1 pH etkisi

Bu çalışmaların temelinde, bakteri yaşam koşulları ve bakteri-fotokatalizör yüzey etkileşimi mekanizmasında belirleyici rolü olan çözücü ortam pH koşulunun optimizasyonu bulunmaktadır. pH koşulu, literatürde rapor edilen deneysel çalışma koşulları arasında çoğunlukla belirtilmemektedir. Oysa, bakteri hücrelerinin metabolik faaliyetleri ve fotokataliz vb. proses mekanizmasında, ve yüzey etkileşimlerinde ortamın pH özellikleri oldukça önemli bir role sahiptir. Bu amaçla, literatürde rapor edilen deneysel çalışma koşulları incelenmiş ve pH 5-9 aralığında, karanlık koşul, fotolitik ve fotokatalitik proses koşullarında E.coli bakteri inaktivasyonu seviyeleri deneysel olarak araştırılmıştır (Chong ve ark. 2011; Rincón & Pulgarin 2004).

93

3.7.2.2 NaCl konsantrasyonu etkisi

Çözücü ortam bileşenlerinin bakteri inaktivasyonu verimliliği üzerine etkileri incelendiğinde, çeşitli inorganik ve organik maddelerin fotokatalitik bakteri inaktivasyonu üzerindeki etkileri organik maddenin oksidasyonuna olan etkiden daha yüksektir. Hümik asit ve bikarbonat iyonlarının varlığı, metilen mavisi çözeltisi vb. hedef kimyasalın oksidasyonu üzerine çok fazla etki etmezken, E.coli bakterisinin inaktivasyon kinetiklerini olumsuz yönde etkilemektedir. Fosfat iyonlarının bakteri inaktivasyonu verimliliğine etkisinin, çok düşük konsantrasyonlarda bile oldukça fark edilir seviyelerde olduğu farklı çalışmalarda belirtilmiştir. Fotokatalizör yüzeyinde oluşan inorganik tabakanın hedef kirletici ile yüzey etkileşimlerini minimuma indirdiği ve fotokatalitik etkinliğin bu nedenle inhibe olduğu bildirilmektedir. İnhibe edici etkinin bakteri inaktivasyon verimliliği sonuçlarında daha net gözlenmesi Li ve Logan (Li ve Logan, 2004) tarafından, artan iyonik kuvvetin bakteri hücrelerinin yüzeye adsorpsiyon özelliğini geliştirmesi mekanizması ile açıklanmaktadır. Bikarbonat ve fosfat varlığı sebebiyle negatif yüklü hale gelen katalizör yüzeyi ile bakteri hücre duvarının negatif yükü sebebiyle iki yüzey arasında itici kuvvetlerin oluştuğu rapor edilmiştir. Bu mekanizma sebebiyle azalan yüzey adsorpsiyonu, bakteri inaktivasyonu seviyesini de olumsuz etkilemektedir. Hidroksil radikali kaynaklı bakteri inaktivasyonunun bakteri-fotokatalizör arası etkileşim ile doğrudan ilişkili olduğu literatürde farklı deneysel çalışmalarla ifade edilmiştir (Li & Logan 2004; Marugán ve ark. 2015).

Farklı organik ve inorganik bileşenlerin, askıda sistem ve yüzeye sabitlenme prensibine göre işletilen fotokataliz prosesi ile bakteri inaktivasyonuna olan etkilerinin araştırıldığı çalışmada, bakteri hücreleri yüzeysel su ve distile su ortamlarına eklenerek çalışmalar yürütülmüştür. Distile su ve yüzeysel su ortamında E.coli bakterisinin yüzeye sabitlenmiş fotokatalizör sistemi ile giderimini ele alan çalışma sonuçlarına göre, inorganik iyonların ve hümik asit varlığının fotokatalitik bakteri inaktivasyonu verimini olumsuz etkilemektedir (Ede ve ark. 2012). İnorganik iyonların proses mekanizması sonucu oluşan ROT ve özellikle seçiciliği düşük OH radikalleri için rekabetçi birer hedef olması sebebiyle, fotokataliz proses verimi azalmaktadır. Spesifik olarak NaCl varlığının fotokatalitik aktivite üzerinde inhibe edici etkisini ele alan literatür çalışmalarında göre de 8 gr/L konsantrasyonu, olumsuz etki gözlenen minimum değerlerin oldukça üzerindedir (Yang ve ark. 2015; Krivec ve ark. 2014; Li ve ark. 2011).

94

Bu nedenle deneysel çalışmalarda öncelikle farklı başlangıç NaCl konsantrasyonu değerlerinde karanlık koşul ve fotokataliz deneysel çalışmaları yürütülerek, inorganik iyon konsantrasyonunun bakteri yaşamsal faaliyetlerine ve fotokatalitik aktiviteye olan etkilerini ayrı ayrı ortaya koymak hedeflenmiştir. Öncelikle karanlık koşullarda sabit 105 _{CFU/mL ve}

farklı NaCl (%0.008-0.8 ağırlık/ağırlık) konsantrasyonunda, E.coli bakteri çözeltisinin fotoreaktör boyunca sirkülasyonu sağlanmıştır. Karanlık koşullarda zamana karşı alınan numunelerde elde edilen bakteri inaktivasyonu sonuçları değerlendirilmiştir. Bu bulgular ışığında, deneysel çalışmalar için optimum NaCl konsantrasyonu belirlenmiştir.

3.7.2.3 Debi etkisi

Fotokatalitik bakteri inaktivasyonunda etkin mekanizmanın, yüzeye adsorplanan bakteri hücreleri ve proses sırasında oluşan OH radikallerinin etkileşimi olduğu literatürde rapor edilmiştir. Yüzey-bakteri hücresi etkileşimi, bakteri türüne göre değişim gösterirken, yüzey hidrofilik/hidrofobik özellikleri de belirleyici olmaktadır. Bu alanda literatürdeki çalışma sonuçları değerlendirildiğinde, fotokatalizör yüzeyinden salınan reaktif oksijen türleri ile askıda veya yüzeye tutunmuş haldeki bakteri hücreleri arasında etkileşim belirleyici faktör olarak tanımlanmaktadır (Carbonaro ve ark. 2013; Dijkstra ve ark. 2002; TURCHI 1990; Liou & Chang 2012). Fotokatalizör ile bakteri hücreleri arasında etkileşimi doğrudan etkileyen sıvı akış hızının etkisi farklı debi koşullarında yürütülen çalışmalarla değerlendirilmiştir. Değişen debi değerleri aynı zamanda birim sıvı miktarının UV ışığına maruz kalma süresini belirlemektedir. Ortalama olarak 50-140 mL/dakika aralığında debi değerlerinde yürütülen deneysel çalışma sonuçlarına göre, optimum işletme debisi tercihi yapılmıştır. Artan debi ile bakteri inaktivasyonu verimi artışının korelasyonu zayıf olduğundan, 80 mL/dakika debisinin optimum olduğuna karar verilmiştir.

3.7.2.4 Sınır UV- enerjisi belirlenmesi

Dezenfeksiyon prosesi ile bakteri inaktivasyonu çalışmaları ve mekanizmalar incelendiğinde, özellikle UV-A ve UV-C ışınlarının bakteri hücrelerinde tahribata sebep olduğu ve bakteri inaktivasyonu sağlayabildiği görülmektedir. Bu nedenle UV enerjisi temelli fotokatalitik deneysel çalışmalar öncesinde, yalnızca UV-A enerjisinden kaynaklanacak bakteri inaktivasyonunun minimize edilmesi gerekmektedir. Özet olarak, öncelikle bakteri inaktivasyonuna sebep olmayan en yüksek UV-A enerjisi koşullarını deneysel çalışmalarla belirlemek esas alınmıştır. Ön çalışmaların yürütüldüğü UV-A enerjisi değer aralığı, literatürde

95

baz alınan değerler (0.25-1.25 mW/cm2_{) ve elde edilen bulgular ile uyum içindedir (Ede ve ark.}

2012; Li ve ark. 2011; Pal ve ark. 2007; Venieri ve ark. 2014b).

3.7.2.5 Fotokatalitik Bakteri İnaktivasyonu Tekrar Edilebilirliği

Temel proses işletme parametreleri için uygun olan değer aralıkları belirlendikten sonra bu optimum deneysel koşullarda ince-film fotokataliz prosesi ile bakteri inaktivasyonu veriminin tekrar edilebilirliği deneysel olarak araştırılmıştır. Bu amaçla ince-film, optimum deneysel koşullarda ardışık fotokatalitik bakteri inaktivasyonu çalışmalarında kullanılmıştır. Her bir deney arasında yüzey sterilizasyonu prosedürü ve rejenerasyon prosedürü uygulanmıştır. Yalnızca 4. Tur bakteri inaktivasyonu öncesinde, yalnızca sterilizasyon prosedürü uygulanarak, rejenerasyon yapılmaması koşulunda oluşan verim kaybını değerlendirmek hedeflenmiştir. Tüm fotokatalitik bakteri inaktivasyonu verimi tekrar edilebilirliği deneyleri, 105 _CFU/mL E.coli bakteri konsantrasyonu koşulunda yürütülmüştür.

3.7.2.6 Faktöriyel Deneysel Tasarım

Deneysel çalışmalar 4 farklı proses parametresinin 2 şer seviyesinde gerçekleştirilmiştir, bunlar daha önce belirtildiği gibi;

Başlangıç bakteri konsantrasyonu: Başlangıç bakteri konsantrasyonu değeri için uygun

aralık belirlenmesinde, ön deneysel çalışmalar ve literatürde rastlanan bulgular göz önünde bulundurulmuştur. Ortalama evsel atıksu arıtma tesisi ikincil arıtma çıkışı suyu kirlilik seviyeleri de hesaba katılarak 103 – 107 CFU/mL arasında değişen seviyelerde başlangıç bakteri konsantrasyon değerinde çalışılmasına karar verilmiştir (Chong ve ark. 2010; Chong ve ark. 2011; Sordo ve ark. 2010)

UV enerjisi uygulanan fotokatalizör kaplı yüzey alanı: Birim fotokataliz yüzeyine

uygulanan enerjinin (mW/cm2) bakteri inaktivasyonu çalışmalarındaki önemi bir çok çalışmada belirtilmiştir. Fotokataliz prosesine göre daha basit SODIS uygulamalarında baz alınan ve proses veriminin doğrudan ilişkilendirildiği parametrelerin başında gelmektedir (Keane ve ark. 2014).

Fotokataliz proses süresi: Yapılan ön çalışmalarla anlamlı seviyede minimum inaktivasyonun

ve tam inaktivasyonun sağlandığı toplam süre aralığı baz alınmıştır.

NaCl konsantrasyonu: Fotokatalitik bakteri inaktivasyonu alanında bir çok çalışmada, iyon

konsantrasyonunun proses verimliliğine etkisi araştırılmıştır. Bu çalışmada, farklı NaCl konsantrasyonu koşulunda yürütülen ön deneysel çalışmalarla (karanlık koşul ve fotokliz,

96

fotokataliz deneyleri) bakteri yaşam koşulları ve fotokataliz proses verimliliği için uygun tuzluluk değer aralığına karar verilmiştir.

2n _{faktöriyel dizayn yaklaşımında, 2 seviyeden oluşan faktör etkilerinin lineer olarak}

kabul edilmesi üzerinde durulması gereken bir konudur. Burada 2n faktöriyel tasarımda, mevcut deneysel koşullar arasında belirlenen orta noktalarda deneysel çalışmaların tekrarlanması yaklaşımı öne çıkmaktadır. Böylece bağımsız hata payının belirlenebilmesi mümkün hale gelmektedir. Belirlenen orta değerler 2n _{dizaynındaki olası tahmini etki seviyelerinde bir}

değişikliğe neden olmayacaktır. Bu amaçla proses parametrelerinin(faktörlerin), yüksek ve düşük değerlerinin aritmetik ortalamaları baz alınarak belirlenen başlangıç deneysel koşulunda 4 tekrar deneysel çalışma yürütülmüştür. Proses parametrelerindeki değişim, model bakteri olarak seçilen E.coli-DSM498 bakterisinin inaktivasyon verimi ve elde edilen kinetikleri ile ilişkilendirilerek istatistiksel olarak değerlendirilmiştir.