Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
510176		Effects of nutrients on microalgae growth in anaerobic digestate / Minerallerin anaerobik çıkış suyunda çoğaltılan mikroalglere etkisi Yazar:GÖZDE YAMAN Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MAHMUT ALTINBAŞ Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı Konu:Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering Dizin:Atık su = Waste water ; Atık su arıtma = Waste water treatment ; Mikroalgler = Microalgae ; Mineral besin elementleri = Mineral nutrient elements ; Optimal büyüme = Optimal growth ; Sürdürülebilir çevre = Sustainable environment	Onaylandı Yüksek Lisans İngilizce 2018 92 s.
Günümüzde dünya nüfusunun yedi milyarı geçtiği bilinmekte ve 2050 yılına kadar nüfusun 9.72 milyar olacağı öngörülmektedir. Dünyada enerji ihtiyacının %80'i hala petrol, kömür ve doğalgaz gibi fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. 2050 yılı enerji tüketimi için öngörülen en iyi senaryolara göre %1,5 ekonomik büyüme ile 9 milyarlık dünya nüfusu fossil yakıtları 2110 yılına kadar kullanacaktır. En kötü senaryoya göre ise %3 ekonomik büyüme ve %100 fosil yakıt tüketimi gerçekleşirse, 2047 yılında bütün fosil yakıtların tükeneceğidir. Yine yapılan araştırmalar ham petrolün %85 inin ulaşım için kullanıldığının %10 luk kısmının kimyasal endüstrilerde kullanıldığını göstermektedir. Bu durum biyokütleden biyoyakıt elde etme çalışmalarının dünyada ilgi çekmesine sebebiyet vermiştir. Biyokütle canlıların belli bir alanda ve hacimde olan miktarı ya da ağırlığıdır ve g/m3 ya da g/L olarak ifade edilir. Çeşitli canlıların biyokütlesinden günümüzde farklı endüstri alanlarında bir çok ürün elde edilmektedir. Yine biyokütleden biyoyakıt olarak biyoetanol, biyometan, biyohidrojen ve biyodizel elde edilmektedir. Biyoyakıt için mısır, soyafasülyesi ve şeker kamışı gibi bitkilerin kullandığı bilinmektedir. Biyokütleden biyoyakıt üretiminde en önemli avantaj havadaki CO2 emisyonunu azaltmasıdır. Güneş enerjisi ile CO2 fikse edilerek organik kütleye çevrilmekte ve bu organik kütleden biyoyakıt elde edilmektedir. Ancak dezavantajları fazladır. Bitkilerin yetiştirilmesi için geniş alana ihtiyaç duyulması, tarım alanlarının daraltma etkisi ve fazla su tüketimin olması biyokütleden biyoyakıt elde edilmemesine sıcak bakılmamasının nedenleridir. Bitkilere göre daha az alan ve su ihtiyacı olan algler, günümüzde biyoyakıt çalışmaları için uygun görülmektedir. Özellikle mikroalglerin farklı ortamlara adaptasyon gösterebilmesi mikroalglerden biyoyakıt da dahil çeşitli ürünlerin elde edilmesini sağlamıştır. Günümüzde mikroalglerden çeşitli ürünler elde etme konusunda en önemli sorun elde edilen biyokütlenin az olmasıdır. Özellike biyoyakıt eldesi konusunda mikroalglerin ürettiği biyokütle endüstriyel anlamda yeterli değildir. Biyokütle sorunun aşılması için farklı metabolik yolları olan mikroalgler kullanılmış ancak her birinin kendine özgü avantaj ve dezavantajları ortaya çıkmıştır. Mikroalgler metabolizmalarına göre heteretrof, miksotrof, fotoheteretrof ve fotoototrof olarak dört gruba ayrılır. Bu metabolik ayrımlar bazı mikroalg türleri için çok keskin olmayıp değişen ortam koşullarına göre metabolik yollarını değiştirebilmektediler. Mesela C.vulgaris türü mikroalg değişen ortam koşullarına göre hem fotoototrof hem de miksotrof büyüyebilir. Heterotrof mikroalglerin sayısı azdır ve çevredeki organik karbonu alarak büyüyebilmektedirler. Ancak büyümeleri için glikozu organik karbon kaynağı seçmeleri, steril ortamda çoğalma ve O2 ihtiyaçları heterotrof mikroalglerin biyokütlesinden çeşitli ürünlerin eldesi konusunda büyük dezavantajlardır. Mikrotrof büyümede mikroalgler ortamda ışık ve CO2 olduğunda fotoototrof gibi büyür, ortamda ışık olmayınca organik karbon alarak büyür. Ancak karanlıkta büyüme için yine ortamda organik karbon olarak glikoz ve asetat gibi maddelerin bulunması zorunluluğu, miksotrof mikroalglerin biyokütlesinden çeşitli ürünlerin eldesi konusunda büyük dezavantajdır. Miksotrofik büyüme genelde fotoheteretrof büyüme ile karıştırılır. Aralarındaki önemli fark, fotoheteretroflar ortamdan organik karbonu almak için ışık enerjisine ihtiyaç duyar; ancak, miksotroflar ortamdan organik karbonu karanlıkta alır, ışık enerjisine ihtiyaç duymaz. Fotosentetik mikroalglerin büyüme hızları ve biyokütleri heterotroflardan ve miksotroflardan az olmasına rağmen biyokütle çalışmalarında yine fotosentetik mikroalgler tercih edilirler. Büyük ölçekli çalışmalar için maliyetinin ucuz olması, esnek adaptasyon yetenekleri ve CO2 emisyonunu azaltarak bunu organik biyokütleye çevirmesi fotosentetik mikroaglerin biyokütle eldesinde tercih edilmesinin önemli sebepleridir. Fotosentetik mikroalgler için fotosenteze bağlı olarak ışık, sıcaklık, CO2 miktarı ve mineraller belirli kısıtlayıcı faktörlerdir. Günümüz çalışmalarında mikroalglerin biyokütlesi optimize edilmiş ışık, sıcaklık ve CO2 ile belli miktarlarında artırılabilmektedir. Ancak mineral ihtiyacı ve minerallerin ne kadar gerekli olduğu konusu hala tartışmalıdır. Kimi algler için yararlı olan elementin miktari başka bir mikroalg için inhibe edici olabilir ya da yetersiz olabilir. Yine mikroalgin türüne göre ihtiyacı olan mineral ihtiyacı değişken olabilir. Günümüzde mikroalglerin anaerobik çıkış suyu gibi atıksularda çoğalabildikleri bilinmekdir. Mikroalglerin esnek adaptasyon yetenekleri düşünüldüğünde mineral ihtiyacı bakımından göl suyu ya da içme suyu yerine atıksu kullanılması bugün sürdürülebilir çevreci bir yaklaşım olarak düşünülmektedir. Günümüzde endüstriyel amaçlar için mikroalgler içme suyu kaynaklarını kullanılarak çoğaltılmakta ve bu durum sürdürülebilir çevreci bir yaklaşım değildir. Ayrıca içme suyu kaynaklarında mikroalg çoğaltmak için yeterli mineral yoktur ve mineral eklenmesi biyokütle artırılması bakımından sık sık uygulanan bir yöntemdir. Bu sebeple bazı çalışmalarda denizsuyunda mikroalg çoğaltılması deniz suyunun Mg ve K gibi mineralleri içermesinden dolayı daha cazip görünmektedir. Ancak denizsuyunda mikroalg çoğaltmak için büyük tesisler inşaa edildiğinde özellikle deniz ekosistemine vereceği olumsuz etkiler de hala bir soru işaretidir. Biyokütlenin anaerobik çıkış suyu gibi çeşitli atık sularda oluşturulması bugün mikroalglerin su ve mineral ihtiyacı düşünüldüğünde sürdürülebilir çevreci bir yaklaşım olarak düşünülmektedir. Ancak her durum gibi, atık suda mikroalg çoğaltılmasının da kendince avantajlar ve dezavantajları vardır. Anaerobik çıkış suyu düşünüldüğünde, anaerobik çıkış suyunun koyu rengi ve partikül yapısı fotosentez için gerekli olan ışık geçirimini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu ışık problemi anaerobik çıkış suyunu seyreltme ya da reaktör hacmini düşürmeyle aşılabilir. Bu sorunun çözümü için başka bir yaklaşım da atık suya fazladan mineral eklenmesidir. Bazı çalışmalar atık suya Mg ve Fe gibi mineraller ek olarak eklendiğinde mikroalglerinin büyümesini desteklediğini ve biyokütle miktarını artırdığını göstermiştir. Bu çalışmada, BG11 ortamında büyüyen karışık mikroalg kültürü kullanılmıştır. BG11 ortamındaki mineraller baz alınarak, anaerobik çıkış suyunda çoğalan mikroalg ortamına çeşitli mineraller eklenerek mikroalglerin biyokütle miktarını artırması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda reaktör hacmi 600 ml olan ve 1:10 oranında seyreltilmiş anaerobik çıkış suyu bulunan ortamlara mikroalgler ekilmiştir. Her bir ortama farklı mineraller belli konsantrasyonlarda eklenerek mikroalglerin büyülmeleri uçucu askıda katı madde miktarı, klorofil ölçümü ve hücre sayımı yöntemleri ile takip edilmiştir. Hücre sayımına göre spesifik büyüme hızı ve ikilenme süreleri hesaplanmıştır. Yine deney boyunca pH'ı 7-7.5 arasında sabitlemek için HEPES tamponu kullanmıştır Eklenen minerallerin amonyak azotu, ortofosfat, organik azot ve organik karbon giderimlerimlere etkisi olup olmadığı da gözlemlenmiştir. Kontrol grubu olarak mikroalg içeren ve 1:10 oranında seyreltilmiş anaerobik çıkış suyu kullanılmış ve içine hiç bir mineral eklenmmiştir. Deneyler büyüme grafiğinde denge fazına gelene kadar sürmüş, buharlaşan su miktarı numune almadan önce çeşme suyu eklenerek giderilmiştir. Çalışma boyunca BG11 ortamında çoğalan mikroalglerin anaerobik çıkış suyunda büyüyen mikroaglere göre daha hızlı büyüme hızı ve ikilenme süresi olduğu gözlenmiştir. Fe kaynağı, Mg kaynağı ve EDTA hazırlanan ortamlara ayrı ayrı konulmuştur. Fe kaynağı olarak BG11 ortamındaki ferrik amonyum sitrat kullanılmıştır ve hazırlanan ortamlara 0.3, 0.6, 1.2, 2.4 ve 3.0 mM olacak şekilde eklenmiştir. BG11'deki konsantrasyonundan 10 kat fazla Fe kaynağı ortama 3.0 mM olarak eklendiğinde mikroalglerin büyümesinde inhibisyon yarattığı görülmüştür. Magnezyum kaynağı olarak BG11 ortamındaki MgSO4 kullanılmıştır ve farklı konsantrasyonlarda 0.3, 0.6, 1.2, 2.4 ve 3.0 mM olacak şekilde hazırlanan ortamlara eklenmiştir. Ancak büyümede ve arıtımda beklenen etki EDTA eklenildiği kadar olmamıştır. Magnezyum solüsyonlarındaki en iyi değer 0.1585 μ -1 büyüme hızı ve 4.3 gün ikilenme süresi ile 3.0 mM Mg kaynağında görülmüştür. Mg, EDTA ile beraber farklı konsantrasyonlarda ortamlara eklendiğinde, 0.1668 μ -1 büyüme hızı ve 4.1 gün ikilenme süresi ile Mg 0.6 +EDTA 0.024 mM en iyi sonucu göstermiştir. Deney boyunca Chlorella ve Scenedesmus türleri baskın tür olarak gözlemlenmiştir. Hazırlanan anaerobik çıkış suyu ortamlarında silli ve flagellalı protozoalara rastlanmıştır. Kimyasal oksijen ihtiyacı giderimleri, amonyak azotu ve ortofosfat giderimine göre çok düşük çıkmıştır. Kimyasal oksijen ihtiyacındaki düşük giderimler değerlendirildiğinde muhtemelen miksotrof büyüme olmadığı düşünülmüştür. Kütle dengesi formülü kullanılarak, TKN giderimlerine göre her bir hazırlanan solüsyonun amonyak azotu giderimi hızı ve teorik biyokütle oluşumu hesaplanmış ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Hazırlanan her solüsyonda teorik biyokütle miktarı deneysel olarak elde edilen biyokütleden fazla çıkmıştır. Şelat olarak tanımlanan EDTA, büyüme ortamındaki minerallerin çözünmüş halde kalmasını sağlayan madde olarak tanımlanır. Minerallerin çözünmüş halde ortamda kalmasını sağladığı için ortamdaki mikroorganizmaların büyümesini desteklediği belirtilir. Deneylerde EDTA'nın büyümeyi desteklediği gözlemlenmiş ve mikroalg ortamlarına 0.0024, 0.0048, 0.0144 ve 0.024 mM konsantrasyonlarda eklenerek büyüme izlenmiştir. Deneylerin sonucunda büyümeyi ve biyokütle konsantrasyonu artıran 0.0144 mM ve 0.024mM konsantrasyonda EDTA olmuştur. Amonyak azotu giderimi hızı, amonyak azotu giderimi ve ortofosfat giderim yüzdesi de göz önüne alındığında 0.0144 mM EDTA solüsyonuna göre 0.024 mM EDTA tüm hazırlanan sölüsyonlar içinde en iyi sonucu göstermiştir. 0.1700 μ(d-1) spesifik büyüme hızı ve 4 günlük ikilenme süresi ile 0.024mM EDTA en yüksek biyokütle verimine 1410 mg VSSalgae/l olarak ulaşmıştır. Yine net biyokütle miktarlarına bakıldığında 0.024 mM EDTA 1000 mg/L net biyokütle oluşumuyla en yüksek değere sahiptir. En yüksek amonyak azotu giderim hızına 11.4 mg/l/gün olarak 0.024 mM EDTA ile ulaşılmıştır.En yüksek amonyak azotu giderim yüzdesine yine 0.024 mM EDTA'yla %77 oranında ulaşılmıştır.
Today it is known that the world population has passed seven billion, and by 2050 it is predicted that the population will be 9.72 billion. In the world, 80% of energy demand are still met by fossil fuels such as oil, coal and natural gas. In addition, 85% of crude oil is used for transportation, and 10% is used for chemical industries. This has led to worldwide interest in biomass production related to biofuel concept. In present, various products are being produced in different industrial areas from the biomass obtained from various organisms. Bioethanol, biomethane, biohydrogen and biodiesel are obtained from the biomass of the organisms. For biofuels, it is known that plants such as corn, soybean and sugar cane are used. The most important advantage of biofuel production from biomass is the reduction of CO2 emissions in the air. By using solar energy, CO2 is converted into organic mass, and biofuel is obtained from this organic biomass. However, the need for a large area for the cultivation of crops, the reduction of agricultural land, and the consumption of too much water are among the reasons why biomass is not kept warm. Algae, who needs less space and water, is now being worked on biofuel studies and many different studies. Especially the ability of microalgae to adapt to different environments has made it possible to obtain various products, including biofuels. The most important problem in obtaining products from biomass of microalgae is the low microalgal biomass productivity. The microalgal biomass is not sufficient, especially for biofuel such as biodiesel. There are many factors that limit biomass formation. For photosynthetic microalgae, light, temperature, amount of CO2 and nutrients are main limiting factors. In present, microalgae can be optimized by changing light intensity, temperature, and CO2 in order to increase its biomass. However, the issue of how much nutrient required or nutrient optimization are still debated. Either the amount of some nutrients may be useful for some microalgae or may be inhibitory or toxic for another microalgae. In addition, nutrient needs may be variable depending on the microalgae species. It is known that microalgae is cultivated in the anaerobic digestate. The obtained biomass is also used as co-digestion or directly for methane production. The biofuel obtained from microalgae biomass are known to be suitable for biodiesel production, but the obtained biomass is not sufficient in the industrial view. There are many factors affecting microalgae biomass concentration like the dark color and particulate matter of the digestate that limit the penetration of light. Although this problem can be overcome by diluting the digestate or decreasing the reactor volume. The another approach is thought that this problem can be solved by adding nutrients. Some studies made for this purpose and showed that the increase of biomass in wastewater by adding nutrients such as Mg and Fe. The use of wastewater is not only important for the treatment, it is also important factor that reduces water footprint and nutrient requirement to produce microalgae. Because one of the major problems in the world is the need for clean water. It's now known that using drinking water resources such as lake water for obtaining microbial biomass for industrial purposes is not sustainable environmental way. In addition, drinking water resources is not nutrient enough to produce microalgae. Therefore, microalgae produce in seawater seems to be more attractive because sea water contains nutrients such as Mg and K. However, possible negative impacts on marine ecosystems are still a big question when large facilities are constructed to produce microalgae in the seabed. Considering the flexible adaptation capabilities of microalgae, the use of wastewater in terms of nutrient requirements is now considered as sustainable environmental approach. In this study, the aim is to increase biomass of the freshwater mixed microalgae cultured in digestate by adding various nutrients referred to BG11 media. For this aim, 600 ml batch cultures were prepared contained digestate with 1:10 dilution ratio. HEPES buffer was used and pH maintained between 7 and 7.5. Different nutrients were added to the each culture and microalgae growth was observed by VSS, chlorophyll measurement and cell counting techniques. Specific growth rate and doubling time were determined based on cell counting data. Additionally, their NH3-N, organic C, TKN and PO43--P removal efficiencies were also determined by using standart methods, whether there was an effect of removal efficiency or not. During the experiments, the growth rate and doubling time of the microalgae cultivated in the digestate were lower than BG11 media. Fe source, Mg source and EDTA were added to solutions separately in terms of observing their effect on growth. Fe source was "Ferric Ammonium Citrate" and Mg source was MgSO4 .When Fe source was increased to 10 times as 3.0mM referred to BG11 media, inhibition was observed in growth. Mg was expected to support growth well, but Mg solutions' results showed lower values compared to EDTA. Among the Mg solutions, only 3.0 mM Mg increased the growth rate and doubling time like 0.1585 μ -1 and 4.3 day respectively. When Mg and EDTA added to solutions in different concentrations, Mg 0.6 +EDTA 0.024 mM had the highest growth rate and doubling time like 0.1668 μ -1 and 4.1.day respectively. Chlorella sp. and Scenedesmus sp. were observed as dominant species. Rather than microalgae, protozoa with silia or flagella were observed in the digestate media. COD removals were found very low compared to ammonical nitrogen and phosphorus removals. Based on low COD removals, it was considered that there was probably no mixotrophic growth. The ammonical nitrogen removal rate and the theoretical biomass production were determined for each solution in terms of TKN values via the mass balance calculations. The theoretical biomass production were found higher then experimental biomass production in all solutions. EDTA was known as a chelator in the media for microalgae and was intended to ensure metal ions remain dissolved in the media to be taken into by microalgae. Among the nutrients, digestate solution with 0,024mM EDTA had the highest biomass concentration with the value 1410 mg /l VSSalgae with 0.1700 μ(d-1) and 4 days doubling time. It had also the highest net VSS value as 1000 mg/L. And the ammonical nitrogen removal rate and nitrogen removal efficiency showed in EDTA 0.024 mM as 11.4 mg/l/d and 77% respectively.