Separation of volatile fatty acids from leachate via composite pervaporation membranes

Abstract

Her yıl dünya çapında fermentasyon ile uçucu yağ asitleri (UYA) gibi ticari kimyasallar üretilebilecek yaklaşık 1,3 milyar ton yiyecek çöpe atılmaktadır. Biyolojik yollar ile üretilen UYA'lar inhibisyon etkilerinden ve bu etkiye bağlı olarak UYA üretim hızlarını düşürdüklerinden dolayı fermentasyon sistemlerinden uzaklaştırılması gereklidir. Yakın geçmişteki araştırmalar UYA'ları ayırmak için basınç farkı, elektriksel potansiyel farkı, konsantrasyon veya buhar basıncı farkı ile işleyen membran tekniklerine yoğunlaşmıştır. Günümüzde kullanılan membran ile ayırma teknikleri arasında buhar basıncına dayalı pervaporasyon işlemi sayesinde yüksek ayırma faktörleri ile saf ve konsantre süzüntülerin elde edilebiliniyor olması; fermentasyon sıvılarından UYA'ların ayırımı alanında pervaporasyon işlemine olan ilgiyi hızla artırmaktadır. Sunulan bu çalışmanın amacı UYA ayrımının anaerobik fermantasyon işlemi üzerine etkisini incelemektir. Anaerobik fermantasyon işlemi evsel katı atıkların organik kısımlarının besin olarak kullanıldığı süzülen yataklı anaerobik reaktör (SYAR)'da gerçekleşmiştir. UYA ayrımının, UYA üretim verimliği üzerine etkisi araştırmak amacı ile değişik komposizyonlarda polidimetilsiloksan (PDMS) membranlar laboratuvar koşullarında üretilmiş, karakterize edilmiş ve test edilmiştir. Çalışmanın sonucunda; 0,1% hidrofililik nano-silika dolgulu düşük moleküler ağırlıklı PDMS-OH membran ile optimum ayrım faktörü (2,13 ± 0,02) ve toplam asit akısı (7,04 ± 1,08 g/(m2.h) elde edilmiştir. Optimum verimin elde edildiği membran (0,1% hidrofililik nano-silika dolgulu düşük moleküler ağırlıklı PDMS-OH membran), süzülen yataklı anaerobik reaktör- buhar basıncı membran kontaktörü- pervaporasyon (SYAR-BBMK-PV) sisteminde kullanılmıştır. Entegre SYAR-BBMK-PV sisteminin sonucunda test reaktöründe üretilen UYA'ların %94,04 sistemden ayrımış ve %7,74 kadarı saflaştırılmıştır (KOİ cinsinden). Ayrıca test reaktörü kontrol reaktörüne göre 2,06 kat daha fazla UYA üretmiştir. Bu çalışmanın karboksilat platform çalışmalarına ışık tutacağı düşülmektedir.

Every year about 1.3 billion tons of food is wasted globally, which can be fermented and used for the production of commodity chemicals such as volatile fatty acids (VFAs). VFAs that were produced biological ways should be separated from the fermentation system to prevent their inhibitory effect on fermentation and thus to increase their production rate. Recent studies have focused on separation of VFAs through pressure, electrical, or concentration gradient/vapor pressure driven membrane processes. Among the recently used membrane processes, vapor pressure driven pervaporation process is rapidly gaining attention in separation of VFAs from fermentation broths as it provides a pure and concentrated permeate with high separation factor. The main aim of this study was to investigate the effect of VFA separation from anaerobically fermented organic solid wastes on overall VFA production and separation efficiency. Anaerobic fermentation process was carried out in leach bed reactors (LBRs) using organic fraction of municipal solid waste as a feed. In addition, in order to investigate the effect of membrane type on VFA separation efficiency of the pervaporation process; polydimethylsiloxane (PDMS) membranes with different compositions were manufactured, characterized and tested. The results of the study revealed that the optimum separation factor (2.13 ± 0.02) and total acid flux (7.04 ± 1.08g/(m2.h) was observed in 0.1% hydrophilic nano-silica filled low molecular weight PDMS-OH membrane. The optimum membrane composition (0.1% hydrophilic nano-silica filled low molecular weight PDMS-OH membrane) was used in `Integrated Leach Bed Reactor – Vapor Pressure Membrane Contactor – Pervaporation (LBR-VPMC-PV) System`. LBR-VPMC-PV system separated 94.04% of the total VFAs-COD which were produced from test reactor and 7.74% of the separated VFAs were purified. And finally the integration of VPMC process to system test reactor had 2.06 fold VFA production efficiency over control reactor. This study is believed to add new and valuable information to the carboxylate platform studies.