Mikroalglerin sudan ayrıştırılmasında ve biyoetanol üretiminde ozon ve ultrases kullanımı
Ozone and ultrasound application in harvesting of microalgae and bioethanol production from microalgal biomass
Yazar: ÜLKER DİLER KERİŞ ŞEN
Danışman: PROF. DR. MİRAT GÜROL
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Biyoetanol = Bioethanol ; Karbonhidratlar = Carbohydrates ; Lipidler = Lipids ; Mikroalgler = Microalgae ; Ozon = Ozone ; Ultrason = Ultrasound

Özet:
Tez çalışmasının amacı, biyoyakıt hammaddesi olarak üretilen mikroalglerin hasat edilmesinde ve hücre içi organiklerin hücrelerden ayrıştırılmasında yenilikçi bir yaklaşım olarak ozon (O3) ve ultrases (US) uygulamalarının hem ayrı ayrı hem de birlikte kullanılmalarının etkinliğinin belirlenmesidir. Ozonlama ile hücrelerin parçalanması ve hücre içi değerli organiklerin çözelti fazına taşınması sağlanmıştır. Biyokütledeki toplam karbonhidratın en fazla %80'inin 0,4 g O3/g kuru-biyokütle (KB) ozon dozunda, proteinin ise en fazla %30'unun 0,3 g O3/g KB de hasatlanabildiği görülmüştür. Bu durum ozonlamanın mikroalglerden karbonhidrat ve protein hasatında kullanılabilineceğini göstermektedir. Ancak, ozonun lipitle reaksiyona girerek ekstraksiyon verimini düşürdüğü ve bu nedenle lipit ekstraksiyonunda kullanılamayacağı tespit edilmiştir. Mikroalglerden lipit ekstraksiyonunda US uygulamalarının daha etkin bir yöntem olduğu ve özellikle US sonrası kloroform/metanol karışımının kullanılmasıyla lipit ekstraksiyon veriminin %83 oranında arttığı bulunmuştur. Ayrıca US'in lipit kompozisyonunu değiştirerek bir kısım digliseritleri, monogliseritlere dönüştürdüğü tespit edilmiştir. Mikroalg hücrelerinden karbonhidrat hasatlanmasında O3 sonrası US uygulanmasıyla karbonhidrat hasat verimi 0,15 ve 0,27 g O3/g KB ozon dozları için sırasıyla 0,3 ve 0,2 kWh/g KB ultrases dozlarında en yüksek değer olan %80'e ulaştığı görülmüştür. Biyoetanol üretiminin ilk aşaması olarak, sadece enzim kullanılarak gerçekleştirilen ön işlem çalışmalarında, mikroalgal polisakkaritlerin glikoza dönüşüm veriminin düşük olduğu görülmüştür. Ancak enzimatik hidrolize yardımcı ön işlem olarak ozon kullanıldığında glikoza dönüşüm veriminin yaklaşık 5 kat arttığı ve en yüksek dönüşüm veriminin %80 ± 8 olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, ozonun alkali, seyreltik asit ve US ile ön işlem yöntemlerine nazaran daha yüksek ürün verimi sağladığı görülmüştür.

Abstract:
The aim of this thesis study is to investigate the effectiveness of two innovative cell disruption techniques, ozone (O3) and ultrasound (US) applications, in disruption of microalgal cell walls for revealing its constituents to use them as biofuel feedstock. Ozone application has provided significant cell disruption and delivery of cell constituents to the solution. It was found that 0.4 g O3/g dry weight biomass (DWB) ozone dose could harvest 80% of total carbohydrate content, whereas the maximum protein release was seen at 0.3 g O3/g DWB ozone application. This shows that ozone application could be used for harvesting of carbohyrates and proteina from microalgae. On the other hand, it was found that ozone reacts with lipids and lowers lipid extraction efficiency, so it cannot be used for lipid extration metod. Ultrasound application, on the contrary,  produced more effective results in lipid extration by increasing the lipid extraction efficiency about 83% especially when chloroform/methanol mixture was used as extraction solvent after US application. Also, it was determined that US application altered the lipid composition by converting a part of diglyserides to monoglyserides. Application of US following ozone application to harvest carbohydrates was also investigated. The maximum carbohydrate harvestşng yield was achived for 0.15 and 0.27 g O3/g DWB ozone and 0.3 ve 0.2 kWh/g DWB ultrasound dosage pairs, respectively. Enzymatic pretreatment was used as a first step for bioethanol production to convert the harvested microalgal polysaccharites to glucose, but the overall convession efficiency was found to be very low. When ozone was used following the enzymatic pretreatment step, the glucose conversion efficiency increased by 5-folds and reached a maximum conversion yield of 80% ± 8. Moreover, the comparison of ozone with other pre-treatment methods (alkali, acid and US pretreatments) showed that ozone is a more effective cell disruption method when used after enzymatic pretreatment step.