Development of bıocatalytıc membranes for bıofoulıngcontrol ın reverse osmosıs and ultrafıltratıon membranesystems
Ters osmoz ve ultrafiltrasyon membran sistemlerindekibiyotikanma kontrolüne yöneli̇k biyokatalitik membransi̇stemleri̇ni̇n geli̇ştirilmesi
- Tez No: 989363
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Biyoteknoloji, Environmental Engineering, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Küresel iklim değişikliği, nüfus artışı ve endüstrileşme gibi etkenler, tatlı su kaynakları üzerindeki baskıyı giderek artırmaktadır. Bu nedenle, mevcut su kaynaklarının daha verimli kullanılması ve atık suların etkin şekilde geri kazanılması çevresel sürdürülebilirlik açısından hayati önem taşımaktadır. Bu kapsamda, membran teknolojileri su arıtımında öne çıkan yöntemlerden biri olmuştur. Ancak, membran proseslerinin yaygınlaşmasına rağmen kritik bir dezavantaj olarak biyotıkanma problemi devam etmektedir. Biyotıkanma, membran yüzeylerinde mikroorganizmaların metabolik faaliyetleri sonucu salgıladıkları ekstraselüler polimerik maddeler (EPS) ile birlikte oluşturdukları biyofilm tabakasının birikmesiyle meydana gelir. Bu biyofilm tabakası, membran gözeneklerini kapatarak su geçişini kısıtlar; bu da zamanla membran akısında düşüşe, transmembran basınçta artışa ve sistemin enerji tüketiminde belirgin bir yükselmeye yol açar. Aynı zamanda kimyasal temizlik sıklığını artırarak işletme maliyetlerini de yükseltir. Bu tez kapsamında, ters osmoz (RO) ve ultrafiltrasyon (UF) membran sistemlerinde biyotıkanmanın önlenmesine yönelik biyokatalitik membran sistemlerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda quorum quenching (QQ) etkisiyle biyofilm oluşumunu baskılayan yeni bir soğuk adaptif laktonaz enzimi (YtnP), Bacillus luti T5 suşundan rekombinant olarak üretilmiş ve çeşitli immobilizasyon teknikleriyle membran yüzeylerine immobilize edilerek biyokatalitik membranlar elde edilmiştir. Çalışmanın birinci aşamasında, biyokatalitik membran sistemleri ile ilgili literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Tıkanma karşıtı özellik kazandırılmış membranlar üzerine yapılan önceki çalışmaların, enzim bazlı çözümlerin hem hedefe yönelik etkileri hem de çevreyle uyumlu yapıları nedeniyle dikkat çektiği görülmektedir. Özellikle quorum sensing sinyal moleküllerine müdahale ederek bakteriyel iletişimi bozan enzimler, biyofilm oluşumunu engellemede etkili alternatifler olarak öne çıkmaktadır. Tıkanma karşıtı etkili biyokatalitik membran sistemlerinde kullanılan enzimlerin, substrat seçiciliği, çevresel stabilite ve membranla etkileşimi gibi parametreler doğrultusunda optimize edilmesi gerektiği ortaya konmuştur. Literatürde immobilize enzimlerle biyotıkanmanın azaltılmasına yönelik bazı örnekler bulunmasına karşın, bu çalışmaların büyük çoğunluğu bir quorum quenching enzimi olan açilaz (acylase) enzimiyle sınırlıdır. Bir diğer quorum quenching enzimi olan laktonazların quorum sensing üzerindeki özgül etkileri bilinse de, laktonazların doğrudan membran yüzeylerine immobilize edilerek biyotıkanma kontrolüne yönelik kullanıldığı herhangi bir detaylı çalışma bulunmamaktadır. Bu tez çalışması, tam da bu boşluğu doldurmayı amaçlamakta; laktonaz temelli, membran sistemlerine entegre edilebilen bir biyokatalitik strateji sunmayı amaçlamaktadır. Bu öncül bilgiler ışığında, tezde quorum quenching potansiyeli taşıyan yeni bir laktonaz olan YtnP'nin üretimi ve karakterizasyonuna odaklanılmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında ise laktonaz enziminin ekspresyon, saflaştırma ve uygulama alanlarıyla ilgili bir literatür çalışması yapılmıştır. Laktonazlar, quorum sensing sinyal moleküllerini (AHL) parçalayarak bakteriler arası iletişimi bozan quorum quenching mekanizmaları sayesinde biyofilm oluşumunu inhibe etme potansiyeli taşıyan önemli biyomoleküllerdir. Son yıllarda yapılan çalışmalarda, çeşitli bakteri türlerinden elde edilen laktonazların farklı sıcaklık, pH ve tuzluluk koşullarında gösterdiği dayanıklılık ve aktivite profilleri detaylı şekilde incelenmiştir. Bu literatür altyapısı doğrultusunda, çalışmada quorum quenching potansiyeli taşıyan yeni bir laktonaz olan YtnP'nin üretimi ve karakterizasyonuna odaklanılmıştır. Çalışmanın üçüncü aşamasında, YtnP gen bölgesinin ürettiği laktonaz enzimi rekombinant enzim üretim yöntemiyle üretilmiş. Burada öncelikle uygun ekspresyon koşulu için optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ardından enzim saflaştırma süreci üzerinde çalışılmıştır. Laktonaz enzimi affinity kolon kromotografisi kullanılarak gerçekleştirilmiş olup His-TrapTM Ni-NTA kolonu kullanılmıştır. %97'lik saflıkta üretimi başarılan enzimin biyokimyasal ve biyoinformatik analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sonucunda laktonaz enziminin gen dizisi analiz edilerek metal iyonlarına bağımlı, metallo-laktonaz sınıfında yer alan bir enzim olduğu belirlenmiştir. Biyoinformatik analizlerde aktif bölgesinde çinko iyonu bağlama bölgeleri saptanmış ve bu bölgelere ait korunumlu motiflerin (HXHXDH tipi) mevcut olduğu gösterilmiştir. In silico modellemelerde katalitik çekirdeğin metallo-enzim sınıfı için tipik yapıyı koruduğu ve quorum sensing sinyallerini hedef alabilecek konformasyona sahip olduğu görülmüştür. Bu aşamada yapılan analizler, enzimin quorum sensing sinyallerini hedef alabilecek yapısal uygunluğa sahip olduğunu göstermiştir. Biyokimyasal analizlerin sonucunda ise enzimi soğuk adaptasyona sahip ve optimum pH değerinin pH 8,5 olduğu ortaya konmuştur. Bu bulgular, YtnP'nin düşük sıcaklık koşullarında yüksek stabilite gösterdiğini ve enerji verimli membran uygulamaları için uygun bir aday olduğunu göstermektedir. YtnP'nin quorum sensing engelleyici etkisi, Pseudomonas mandelii ve Staphylococcus aureus içeren dual-biyofilm modeli 96 kuyucuklu plaka ile iki farklı laktonaz konsantrasyonuyla test edilmiştir. 24 saatlik inkübasyon sonrası yapılan kristal violet boyama analizi sonucunda, 30 ve 120 µg/mL laktonaz uygulanmış plakalarda sırasıyla yaklaşık %40 ve %70 oranında biyofilm azalması gözlemlendi. Çalışmanın dördüncü aşamasında, laktonaz enziminin ticari BWRO membranlarına kovalet bağlanma ile immobilizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde immobilizasyon optimizasyonu için pH, sıcaklık, inkübasyon süresi ve enzim miktarı değerlendirilmiştir. En yüksek bağlanma verimine sahip koşullar altında 20 cm2'lik membran yüzeyine immobilize edilerek üretimi gerçekleştirilmiş olup çapraz akımlı sistemde performans ve Pseudomonas aeroginosa (PAO1) model bakterisiyle nbiyotıkanma testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın beşinci aşamasında, grafen oksidin enzim immobilizasyonuna olan katkısı değerlendirilmiştir. Bu kısımda öncelikle membran üretiminde kullanılacak grafen oksit sentezi gerçekleştirilmiştir. Ardından grafen oksit katkılı ve katkısız düz plaka membran üretimi gerçekleştirilip sonrasında üretilen membran yüzeyine laktonaz enzimi immobilize edilmiştir. Grafen oksit katkılı membranlarda enzim immobilizasyon verimi %10 oranında artmıştır. Statik olarak gerçekleştirilen biyofilm analizinde ise laktonaz immobilizeli katkısız membranlarda biyofilm kalınlığında %25'lik azalma gerçekleşirken, laktonaz immobilizeli GO eklentili membranlarda biyofilm kalınlığı kontrol grubuna göre artış göstermiştir. Bu durum, grafen oksit yüzeyinin yüzey modifikasyonu sonrasında laktonazın aktivitesinin kaybolması ve GO'nun doğal tıkanma karşıtı etkisinin yüzeydeki kimyasal değişimle azalmasından kaynaklanabileceği düşünülmektedir. Özet olarak, bu tezde Türkiye'de ilk kez rekombinant teknolojisiyle laktonaz üretimi gerçekleştirilmiş ve üretilen laktonazın, soğuk ortamlarda gösterdiği stabilite ve biyotıkanma azaltım etkisi ile arıtma sistemlerinde kullanılabilecek enerji verimli bir antifouling ajanı olma potansiyeli ortaya konulmuştur. Ayrıca üretilen bu enzimle geliştirilen biyokatalitik membran sistemleri biyotıkanma azaltım etkisi, stabilite, yeniden kullanılabilirlik ve çevre dostu özellikleri sayesinde geleneksel membran temizlik stratejilerine sürdürülebilir bir alternatif sunmaktadır. Bu tez çalışması ile, membran sistemlerindeki biyotıkanmanın azaltılmasına yönelik enzim bazlı yenilikçi bir yaklaşım başarıyla geliştirilmiş; hem bilimsel literatüre hem de endüstriyel uygulamalara yönelik önemli katkılar sağlanmıştır. Geliştirilen biyokatalitik membranlar, ileri su arıtımı teknolojileri için umut verici bir çözüm olarak değerlendirilmektedir.
Özet (Çeviri)
Global issues such as climate change, population growth, and industrialization have significantly increased the pressure on freshwater resources. Efficient use of available water supplies and the reuse of wastewater have become critical for environmental sustainability. Membrane technologies, especially reverse osmosis (RO) and ultrafiltration (UF), play an essential role in water treatment. However, biofouling remains a critical drawback in these systems. Biofouling occurs when microorganisms secrete extracellular polymeric substances (EPS), forming biofilm layers on membrane surfaces. These layers block membrane pores, leading to decreased flux, increased transmembrane pressure, higher energy consumption, and frequent chemical cleaning requirements. This PhD study aims to develop biocatalytic membrane systems for the mitigation of biofouling in RO and UF membranes. A novel cold-adapted quorum quenching (QQ) enzyme, YtnP, was recombinantly produced from Bacillus luti T5 and immobilized on membrane surfaces using different techniques. In the initial phases, a comprehensive literature review on antifouling strategies was conducted. While various antifouling membranes have been developed, enzyme-based systems are highlighted due to their targeted activity and environmental compatibility. Although acylases have been commonly used as QQ enzymes in previous studies, there is no detailed study in the literature focusing on the immobilization of lactonases on membranes for direct biofouling control. This thesis fills that gap by proposing a lactonase-based biocatalytic membrane platform. Lactonases inhibit bacterial communication by degrading acyl homoserine lactones (AHLs), thus interfering with biofilm formation. The newly identified YtnP enzyme was produced via recombinant DNA technology, and the expression conditions were optimized. The enzyme was purified using a HisTrap™ Ni-NTA affinity column, achieving 97% purity. Bioinformatic analyses revealed that YtnP belongs to the metallo-lactonase class, containing conserved Zn²⁺-binding motifs. The enzyme showed structural suitability for targeting quorum sensing signals. Biochemical characterization indicated that YtnP is active under cold conditions, with an optimum pH of 8.5. YtnP's quorum quenching activity was evaluated in a dual-species biofilm model using Pseudomonas mandelii and Staphylococcus aureus. Crystal violet staining after 24-hour incubation revealed approximately 40% and 70% reductions in biofilm biomass at 30 and 120 µg/mL concentrations, respectively. In the next stage, YtnP was covalently immobilized on commercial BWRO membranes. Immobilization conditions were optimized for pH, incubation time, and enzyme concentration. The membranes were tested in a cross-flow filtration system using P. aeruginosa as the biofouling model. Results demonstrated that the lactonase immobilized membrane reduced biofouling by around 40% and improved membrane performance. The final section focuses on the enzyme immobilization efficiency and biofouling effect of graphene oxide (GO). GO was synthesized and integrated into flat sheet membranes, followed by YtnP immobilization. UF membranes containing GO showed 10% higher immobilization efficiency compared to bare UF membranes. In conclusion, the recombinant production of cold-adapted YtnP and its integration into membrane systems demonstrated strong antifouling potential. The developed biocatalytic membranes offer a promising alternative to traditional cleaning strategies by providing stability, reusability, and environmentally friendly operation. This thesis contributes both to academic literature and real world applications by presenting a novel enzymatic solution to membrane biofouling.
Benzer Tezler
- The production of polymer/nanocomposite proton conducting membranes for polymer electrolyte membrane fuel cell (pemfc) applications
Proton iletken membran yakıt hücreleri uygulamarı için proton iletken polimer/nanokompozit membranların üretilmesi
AYŞE ASLAN
- Valorisation of whey components via enzymatic ceramic membranes for biopolymer synthesis and bio-based nanofiber membrane fabrication
Enzimatik seramik membranlar ile peynir altı suyu bileşenlerinin biyopolimer sentezi ve biyo-nanolif membran üretimi için değere dönüştürülmesi
SAMA ALI QAHTAN AL-MUTWALLI
Doktora
İngilizce
2025
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
PROF. DR. FRANK LİPNİZKİ
- Bazı atık biyokütle kaynaklarından 5-hidroksimetilfurfural ve levulinik asit eldesi için katı asit katalizörlerin geliştirilmesi ve aktivitelerinin incelenmesi
Investigation and development of solid acid catalyts from some waste biomass sources for production of 5-hydroxymethylfurfural and levulinic acid
DİLEK ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
KimyaBursa Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURÇAK KAYA ÖZSEL
- Yakıt katkı maddeleri solketal ve solketal levulinatın katalitik membranlar ile sentezi
Synthesis of fuel additives solketal and solketal levulinate with catalytic membranes
NAZLI YÜZER
Doktora
Türkçe
2025
Kimya MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLÜFER HİLMİOĞLU
- Enzim içeren polimer filmlerinin hazırlanması ve biyokatalitik enzim elektrotlu geliştirilmesi
Preparation of enzyme containing polymer films and development of biocatalytic enzyme electrode
EMEL EMREGÜL