Biosorption of nickel(II) by using waste baker`s yeast

Abstract

öz Atık sulardaki ağır metallerin arıtılmasında kullanılan fiziksel ve kimyasal tekniklere karşı, biyolojik metotlar rakip görülmektedir, özellikle düşük ağır metal konsantrasyonlarında, örneğin; 1.0 ile 100 mg/L arasındaki derişimlerde uygulanmaktadır. Biosorbentlerin sanayide kullanılabilmesi, bunların ucuz imal edilmesini gerekli kılmaktadır. Biyomateryallerin örneğin; ilaç ve gıda sanayi sektörlerinden kolayca ve atık olarak temin edilebilmesi, biyolojik arıtma sistemlerinde kullanılması için ekonomik bir yol sağlamaktadır. Bu çalışmanın konusu, nikel iyonunun, atık olarak gıda sanayinden temin edilen bir tür maya olan Saccharomyces cerevisiae hücresi yüzeyine bağlanmasını içermektedir. Atık olarak temin edilen biyosorbenti, mevcut kullanımda olan ağır metal arıtma metotlarına karşı daha ucuz bir alternatif olarak düşünülmektedir. Metal iyonlarının hücre duvarı yüzeyine bağlanmasında duvar yüzeyinde mevcut bulunan bazı polisakkaritler, proteinler ve lipidler ile bunların içinde mevcut bulunan karboksil, hidroksil, fosfat ve amino gruplarının etkin oldukları bilinmektedir. Bu çalışma, nikelin atık ekmek mayası üzerine adsorpsiyonu, değişik çevresel faktörlerin bu mekanizmaya olan etldlerinin incelenmesi ve optimum koşulların belirlenmesini amaçlamıştır. Atık mayanın yıkanması, ortamın pH ve sıcaklığı, metal ve maya konsantrasyonları gibi faktörlerin, kesildi sistemde nikel iyonunu adsorpsiyonuna etkisi irdelenmiştir. Sodyum hidroksit, formaldehit, nitrik asit ve etanol kullanılarak yıkanan atık mayanın nikel adsorpsiyon yüzdesini düşürdüğü gözlenmiştir. Bundan dolayı, ekmek mayası hiçbir işlemden geçirilmeden doğrudan cardı hücre olarak, biyosorpsiyon işleminde kullamlmışur. Nikel biyosorpsiyonunda, optimum pH değeri 5.0 ve optimum sıcaklık değeri 25° C olarak saptanmıştır. Nikelin maya tarafindan tutunma yüzdesi sistemin başlangıç metal konsantrasyonuyla artarken, bu konsantrasyonu 150 mg/L' nin üzerine getirildiğinde, adsorpsiyon yüzdesinde önemli bir değişim gözlenmemiştir. Diğer taraftan optimum maya konsantrasyonu 1.0 g/L olarak tespit edilmiştir. Biyosorpsiyon izotermleri değişik pH ve sıcaklık değerlerinde incelenmiştir. j^ « Nikel biyosorpsiyonu Freundlich modeline uygunluk göstermezken, Langmuir 0j modeliyle uyum sağlamaktadır. Langmuir parametreleri olan qmax ve b değerleri g^' sırasıyla 14.30 mg/L ve 0.0069 L/mg olarak hesaplanmıştır. Ortamın pH' sı 3.0' den<f£.o A i.®5.0' e çıkarıldığında, qmax değeri de 7.8' den 14.30 mg/L'a ulaşmıştır. Aynı durum b değeri için de gözlenmiş ve b değeri 0.0025' den 0.0069'a ulaşmıştır. Her iki parametre için maksimum değer, optimum pH olan 5.0'de elde edilmiştir. Aynı zamanda nikel / maya faz dengesini etkileyen ortam sıcaklığı, en yüksek biyosorpsiyon kapasitesi için 25° C ( pH 5.0) olarak saptanmıştır. Aynı sıcaklıkta, qmax ve b değerlerinin de en yüksek olduğu gözlenmiştir. Diğer taraftan b sabitinin adsorpsiyon enerjisine bağlı olduğu bilindiğinden, entalpi değişimi saptanmış ve sistemin ekzotermik olduğu tahmin edilmiştir. Bununla beraber, sıcaklığın artmasıyla (25' den 45° C ye) nikel biyosorpsiyonunda düşüş gözlenmiştir. Nikel biyosorpsiyonu optimum koşullarda, üç farklı pH değerinde (3.0, 4.0 ve 5.0) zamana karşı incelenmiştir. Biyosorpsiyon kmetiğinin ilk dakikalarda çok hızlı olduğu görülmüş; nikel biyosorpsiyonu bu hızlı aşamadan sonra yavaşlamış ve 2 saat sonra dengeye ulaşmıştır. En yüksek adsorpsiyon hızı, pH 5.0 iken 3.59 mgNi(II)/ g-dk olarak belirlenmiştir. VI

ABSTRACT Biological methods for removing heavy metals are in competition with chemical and physical techniques such as precipitation, ion exchange, electrochemical treatment and evaporative recovery, especially, when the concentration of the heavy metal ion is low, between 1.0 and 100 mg/L. In order to qualify for industrial applications, biosorbents have to be produced at low cost. The use of biomass from various production stages; e.g. from the pharmaceutical or the food industries, is one way to minimize the costs. This study is concerned with the binding of nickel ions onto waste biomass of Saccharomyces cerevisiae genus, obtained from the food industry. Since the biomass employed is a waste material, biosorption process described in this study may represent a cheap alternative to conventional methods. Biomass cell walls, consisting mainly of polysaccharides, proteins and lipids, offer many functional groups which can bind metal ions such as carboxylate, hydroxyl, phosphate and amino groups. The objective of this study was to investigate the adsorption of nickel on waste baker's yeast as a function of several factors, i.e. pretreatment, pH, temperature, biomass concentrations and initial metal concentrations, in order to determine the optimum adsorption conditions of a batch process. Pretreatment of waste yeast biomass using sodium hydroxide, formaldehyde, nitric acid and ethanol decreased the sorption of nickel (IT) ions compared with live biomass. Optimum initial pH for nickel (II) ions was 5.0 at the optimum temperature of 25° C. The uptake values increased with the increasing initial nickel (IT) ion concentrations up to 150 mg/L. The optimum biomass concentration for this process was determined as 1.0 g/L. The biosorption isotherms were developed at various initial pH and temperature values. The equilibrium values were expressed with the Langmuir model while nickel sorption did not fit the Freundlich plot. The Langmuir parameters qmax (14.30 mg/L) and b (0.0069 L/mg) have been calculated. ` qmax ` increased from 7.8 to 14.30 mg/L with the increase in pH from 3.0 to 5.0. Similar trend was observed for the ` b ` values; an increase from 0.0025 to 0.0069 L/mg were obtained when the pH of the solution was raised from 3.0 to 5.0. Bom Langmuir model parameters were found to be the highestvalues at pH 5.0 which is consistent with the results of the optimization studies as described above. Temperature also affected the phase equilibria of nickel ÇU)IS.cerevisiae system. The highest capacity for biosorption system was obtained at 25° C with the qmm and b values of 14.3 mg/L and 0.0069 L/mg at pH 5.0, respectively. The enthalpy change for the biosorption process have been evaluated by using the Langmuir constant `b`, which is related to the energy of adsorption. Nickel (II) biosorption is considered to be an exothermic process since low binding occurs when the temperature increases from 25 to 45° C. The uptake of nickel (IT) ions by the yeast biomass was also investigated with respect to time under optimum operating conditions. Biosorption kinetics were rapid within the first few minutes. After the initial rapid uptake, further biosorption by yeast cells continued slowly and reached an equilibrium after 2 hours at all pH values of 3.0, 4.0 and 5.0. On the other hand, the rate of adsorption was found to be the fastest at pH 5.0 with an initial rate of around 3.59 mg Ni (H) / g-min. IV