Dear all,
Information regarding this week's departmental seminars is given below.
Kind regards,
Date: 18.12.2024
Time: 15:40
Place: Online
Meeting Information:
BIOHYDROGEN PRODUCTION AND WASTEWATER TREATMENT VIA PURPLE NON-SULFUR BACTERIA IN A MULTI-STAGE PHOTOFERMENTATION SYSTEM
Decrease in crude oil production leads to the need for alternative sources of energy and petroleum by-products. Photofermentation stands out as a viable option in both aspects, where hydrogen (H2) and poly-hydroxyalkanoates (PHA) can be produced sustainably, with the former being an environmentally benign energy carrier and the latter a substitute for petroleum-based plastics, serving as microbial energy storage material. Versatility and the ability to shift the metabolic pathways of the photofermentative processes allow for media with high nitrogen content to be utilized in a high biomass production phase, while high carbon application leads to production of H2 and biomaterials. In this context, photofermentation is a strong candidate and an innovative approach for application in treatment of challenging wastewater types, such as high carbon or high nitrogen content.
The aim of this thesis study is to design a multi-stage fermentation system that optimizes both energy generation and pollutant degradation, paving the way for scalable and sustainable applications. Within the scope of the study, Rhodobacter capsulatus is to be utilized under various environmental conditions for the dual benefit of biohydrogen production and wastewater treatment.
The first aspect of the study compares two different scenarios, with the first scenario utilizing the wild-type (WT) strain of R. capsulatus, while the second scenario focuses on an uptake hydrogenase-deficient (hup-) mutant strain. It has been observed that the WT strain demonstrates robust H2 production under nitrogen-limited conditions but exhibits competition between H2 evolution and carbon storage (PHA production) pathways. In contrast, the hup- strain, lacking uptake hydrogenase activity, shows enhanced hydrogen yields by redirecting reducing equivalents from competitive pathways, highlighting its potential for biohydrogen production. In order to better understand the metabolic pathways and end-product distributions under these two scenarios, metabolic flux analysis (MFA) will be carried out. It is expected that the MFA will help reveal the differences in flux distributions and H2 production efficiencies between the strains.
The second aspect of this study explores a multi-stage photofermentation system for the simultaneous removal of nitrogen and organic carbon from wastewater. Based on the results of MFA, nutrient loading, C/N ratio and environmental conditions (pH, salinity, temperature, light intensity, etc.) applied to the system are to be determined and system will be set-up in a way that maximizes H2 and biomaterials production while degrading nitrogen and organic carbon. This integrated approach would address environmental concerns related to wastewater management, such as the energy spent for aeration and mixing of the bioreactors, as well as provide a renewable energy output, aligning with circular economy principles.
ÇOK AŞAMALI FOTOFERMANTASYON SİSTEMİ KULLANILARAK MOR KÜKÜRTSÜZ BAKTERİLER İLE BİYOHİDROJEN ÜRETİMİ VE ATIKSU ARITIMI
Ham petrol üretimindeki azalma, enerji ve petrol türevleri için alternatif kaynaklara olan ihtiyacı artırmaktadır. Fotofermantasyon, her iki açıdan da sürdürülebilir bir seçenek olarak öne çıkmaktadır. Fotofermantasyon ile çevre dostu bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen (H2) ve petrol bazlı plastiklere alternatif olarak mikrobiyal enerji depolama materyali işlevi gören poli-hidroksialkanoatlar (PHA) üretilebilmektedir. Fotofermantasyon proseslerinin metabolik yollarının değiştirilebilme esnekliği yüksek azot içeriğine sahip ortamların biyokütle üretimi aşamasında kullanılmasına olanak sağlarken yüksek karbon içeriğine sahip ortamların uygulanması ise H2 ve biyomalzeme üretimini sağlamaktadır. Bu bağlamda, fotofermantasyon, yüksek karbon veya yüksek azot içeriğine sahip zorlu atıksu türlerinin arıtımı için güçlü bir aday ve yenilikçi bir yaklaşımdır.
Bu tez çalışmasının amacı hem enerji üretimini hem de kirletici giderimini optimize eden çok aşamalı bir fermantasyon sistemi tasarlayarak ölçeklenebilir ve sürdürülebilir uygulamaların önünü açmaktır. Çalışma kapsamında, Rhodobacter capsulatus türü çeşitli çevresel koşullar altında hem biyohidrojen üretimi hem de atıksu arıtımı için kullanılacaktır.
Çalışmanın ilk aşaması, iki farklı senaryonun karşılaştırılmasını içermektedir. İlk senaryoda R. capsulatus’un yabanıl tipi (WT) suşu kullanılırken, ikinci senaryo, uptake-hydrogenase aktivitesinden yoksun bir mutant suş olan (hup-) suşuna odaklanmaktadır. WT suşunun, azot sınırlı koşullarda güçlü H2 üretimi gösterdiği, ancak H2 üretimi ile karbon depolama (PHA üretimi) yolları arasında rekabet yaşandığı gözlemlenmiştir. Buna karşılık, uptake-hydrogenase aktivitesine sahip olmayan hup- suşunun, rekabetçi yolları devre dışı bırakarak daha yüksek hidrojen üretim verimleri sağladığı ve biyohidrojen üretimi için potansiyelini ortaya koyduğu görülmüştür. Bu iki senaryo altındaki metabolik yolları ve son ürün dağılımlarını daha iyi anlamak için metabolik akı analizi (MFA) yapılacaktır. MFA’nın, suşlar arasındaki akı dağılımı ve H2 üretim verimliliklerindeki farkları ortaya koyması beklenmektedir.
Çalışmanın ikinci aşaması, atıksudan azot ve organik karbonun eş zamanlı olarak uzaklaştırılması için çok aşamalı bir fotofermantasyon sistemini incelemektedir. MFA sonuçlarına dayanarak sisteme uygulanacak besin yükü, C/N oranı ve çevresel koşullar (pH, tuzluluk, sıcaklık, ışık yoğunluğu vb.) belirlenecek ve sistem, azot ve organik karbon giderimi sırasında maksimum H2 ve biyomalzeme üretimini sağlayacak şekilde kurulacaktır. Bu entegre yaklaşım, atıksu yönetimiyle ilgili çevresel kaygıları ele alarak biyoreaktörlerin havalandırılması ve karıştırılması için harcanan enerjiye çözüm sunacak ve yenilenebilir enerji üretimi sağlayarak döngüsel ekonomi ilkeleriyle uyumlu hale gelecektir.
By: Ertan Hoşafcı
Supervisor: Prof. Dr. Tuba Hande Ergüder Bayramoğlu
Comparative Evaluation of Magnetite Reduced Graphene Oxide Composite and Zero-valent Iron for Arsenic Removal from Water
Arsenic is one of the most common and toxic heavy metals that is found in groundwater sources, and it is a common contaminant encountered in water sources. New materials are frequently proposed for arsenic adsorption. Among them, graphene and its derivative nanomaterials have the potential to be a good adsorbent in water treatment due to their two-dimensional layer structures, large surface areas and pore volumes, high mechanical stability, flexibility of surface chemistry and abundant production from natural sources. Conventionally, zero-valent iron (ZVI) is also utilized on the other hand, by various mechanisms for the treatment of arsenic. ZVI is a material with high adsorption capacity and availability and these characteristics make it an efficient reactive agent compared with the rising alternative media such as magnetite reduced graphene oxide (MRGO). A significant gap in literature is the comparison between the arising alternative media of MRGO with conventional methods such as ZVI. In this study, a comparative evaluation of arsenic contamination treatment for different arsenic concentrations is aimed by using ZVI and synthesized MRGO, in terms of their efficiency in arsenic removal from water.
Currently, MRGO synthesis and characterization, ZVI media characterization, and synthesized MRGO coating onto sand media have been completed. MRGO coating onto sand is required in order for the MRGO media to be transferred to a larger carrier so that it can be loaded into columns for column experiments. Additionally, batch studies have been conducted to determine the adsorption capacity of synthesized MRGO and ZVI reactive media. Column studies which are designed for 100 µg/L As influent As concentrations and varying flow rates with 1:1; 0.25:0.75; 0.75:0.25 (w:w) MRGO+ZVI combinations are ongoing. Conclusions derived from these results will be used to determine the processes, parameters, and operating conditions that would be important for the implementation of MRGO and ZVI combinations in larger-scale applications in the field of arsenic treatment.
Sudan Arsenik Giderimi için Manyetit İndirgenmiş Grafen Oksit Kompoziti ve Sıfır Değerlikli Demirin Karşılaştırmalı Değerlendirmesi
Arsenik yeraltı su kaynaklarında sıkça karşılaşılan ve toksik olan ağır metaller arasında gelmektedir ve su kaynaklarında bulunan yaygın kirleticilerden biridir. Sudan arsenik adsorpsiyonu için sık sık yeni malzemeler önerilmektedir. Bunlar arasından grafen ve türevi nanomalzemeler; iki boyutlu katman yapıları, büyük yüzey alanları ve gözenek hacimleri, yüksek mekanik stabiliteleri, yüzey kimyalarının esnekliği ve doğal kaynaklardan bol miktarda üretilebilir olmaları nedeniyle su arıtımında iyi bir adsorban olma potansiyeline sahiptir.
Diğer taraftan, geleneksel olarak sıfır değerlikli demir (ZVI) çeşitli mekanizmalar aracılığıyla arsenik arıtımında kullanılmaktadır. ZVI, yüksek adsorpsiyon ve erişilebilirlik özelliklerinden ötürü manyetit indirgenmiş grafen oksit (MİGO) gibi yükselen alternatif medyalarla kıyaslaması yapılabilecek uygun bir reaktif maddedir. Literatürdeki önemli açıklardan biri MİGO gibi yükselen alternatif medyaların ZVI gibi geleneksel yöntemlerle kıyaslamalarındaki eksikliktir. Bu çalışmada, arsenik kirliliğinin arıtımı, ZVI ve sentezlenen MİGO'nun farklı arsenik konsantrasyonlarına sahip sulardaki arsenik giderimi karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Şu ana kadar, MİGO sentezi ve karakterizasyonu, ZVI medya karakterizasyonu ve sentezlenen MİGO'nun kum medyasına tutturulması tamamlanmıştır. MİGO'nun kolona doldurulup kolon deneylerinde kullanılabilmesi için daha büyük ölçekte olan taşıyıcı kuma tutturulması gereklidir. Ek olarak, sentezlenen MİGO ve ZVI reaktif medyasının adsorpsiyon kapasiteleri kesikli deneyler ile belirlenmiştir. 100 µg/L As giriş konsantrasyonları ile farklı akış hızlarına sahip 1:1; 0.25:0.75; 0.75:0.25 (w:w) kombinasyonlarında MİGO+ZVI kullanılan kolon deneylerine devam edilmektedir. Sonuç olarak elde edilen veriler, MİGO ve ZVI kombinasyonlarının kullanılacağı büyük ölçekli arsenik arıtımı uygulamalarında prosedür, parametre ve işlem koşullarının belirlenmesinde önemli rol oynayacaktır.
By: Acar Şenol
Supervisor: Assist. Prof. Dr. Sema Sevinç Şengör