Biyodizel üretimi için seçilen mikroalg türlerinde lipit verimliliğinin optimizasyonu
Optimization of lipid composition efficiency in selected microalgae species for biodiesel
Yazar: AYÇA OĞUZ ÇAM
Danışman: PROF. DR. MERİÇ ALBAY ; PROF. DR. OYA OKAY
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deniz ve İçsu Kaynakları Yönetimi Ana Bilim Dalı / İçsu Kaynakları ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Su Ürünleri = Aquatic Products
Dizin: Biyodizel = Biodiesel ; Mikroalgler = Microalgae ; Yağ asidi metil esterleri analizi = Fatty acid methyl esters analysis

Özet:
Sanayileşme çağından bu yana enerji ihtiyacının büyük ölçüde fosil yakıtlarla karşılanması, bu kaynaklarda dikkate değer bir azalmaya ve çevresel sorunlara yol açmıştır. Fosil yakıtların neden olduğu bu sorunları azaltmak ve artan enerji ihtiyacına alternatif kaynaklar sağlamak amacıyla yenilenebilir ve çevre dostu biyoyakıtların kullanımına yönelim başlamıştır. Bu bağlamda son yıllarda yenilenebilir, çevre dostu biyoyakıt kaynakları içerisinde önemli bir yere sahip olan biyodizel üretiminin geliştirilmesine yönelik çalışmalara hız verilmiştir. 
Yenilenebilir ve çevre dostu enerji kaynaklarından birisi de biyodizeldir. Mikroalgler, biyodizel üretiminde önemli bir hammadde kaynağı olarak dikkat çekmektedir. Yüksek lipit ve yağ asidi içerikleri, hızlı büyüme oranları, yüksek fotosentetik verimleri ve çevresel koşullara uyum yetenekleri sayesinde biyodizel üretiminde avantaj sağlarlar. Mikroalglerden biyodizel üretim süreci, mikroalglerin yetiştirilmesi, lipit ekstraksiyonu ve transesterifikasyon aşamalarını içerir. Kuşkusuz verimi artırmaya yönelik çalışmalar, biyodizel üretim maliyetinde ve kalitesinde önemli avantajlar sağlamaktadır. 
Chlorella vulgaris, Botryococcus sudeticus, Scenedesmus obliquus gibi Chlorophyta grubundan tatlı su mikroalgleri, yüksek lipit ve uygun yağ asidi bileşimleri nedeniyle biyodizel üretiminde kullanılmaktadır. 
Bununla birlikte biyodizel üretiminin ekonomik fizibilitesi, yüksek biyokütle, FAME verimi ve kalitesine bağlıdır. Bu nedenle, süreç optimizasyonu ve türe özgü yaklaşımlar, sürdürülebilir ve ticari ölçekli biyodizel üretimi için kritik öneme sahiptir. Bu amaçla planlanan bu çalışmada, mikroalglerin üretim ve yağ asidi verimliliğini artırmak için üretim aşamasında analitik yöntemlerin optimizasyon çalışmaları gerçekleştirildi ve azot stresi uygulamasıyla FAME verim ve kalitesi üzerindeki etkileri incelendi. 
Elde edilen sonuçlarda biyodizel verimini arttırmaya yönelik lipit ekstraksiyon ve transesterifikasyon optimizasyon çalışmalarının Toplam FAME verim ve kalitesi üzerinde büyük etkileri olduğunu ve bu etkilerin türe bağlı olarak değişiklik gösterebildiği tespit edildi.
Azot manipülasyon deneylerinde ise, ortamdan azotun tamamen uzaklaştırılması B. sudeticus kültüründe FAME verimini %21 artırırken, C. vulgaris'te %28 artırdı. Öte yandan azot eksikliğinin her iki türde de yüksek biyokütle üretimi elde edilmesinde ve biyodizel kalitesinin korunmasında bazı zorluklara neden oldu. Bununla birlikte, azot eksikliğine tepki olarak her iki türün biyodizel özellikleri birbirinden farklılık gösterdi.
 Genel olarak bu bulgular, yeşil alglerin azot eksikliğine karşı karmaşık ve türe özgü tepkiler sergilediğini ve yüksek biyokütle, lipit içeriği ve biyodizel özelliklerine ulaşmak için besin koşullarının optimize edilmesi gerektiğini ortaya koydu.
Sonuç olarak, alg bazlı biyodizelin ekonomik fizibilitesi, yüksek biyokütle, FAME verimi ve kalitesine bağlı olarak değişim gösterdi. Sürdürülebilir ve ticari ölçekli biyodizel üretimi için, kullanılan mikroalg türlerinin spesifik ihtiyaçlarına ve özelliklerine göre stres koşullarının belirlenmesine ve yöntem optimizasyon çalışmalarının geliştirilmesine ihtiyaç vardır. 
Bu araştırma, mikroalg bazlı biyodizel üretimi konusunda artan bilgi birikimine katkıda bulunmakta ve hem lipit verimliliğini hem de biyodizel kalitesini en üst düzeye çıkarmak için türe özgü yaklaşımların önemi ortaya konuldu.

Abstract:
Industrialization led an extensive use of fossil fuels to the reliance on fossil to meet energy requirements resulting in a significant depletion of these resources and causing environmental issues. To address these problems and offer alternatives, renewable and eco-friendly biofuels are crucial. Therefore, considerable amount of literature has concentrated on the development of biodiesel production which holds a prominent place among renewable biofuel sources. 
Microalgae are a significant raw material for biodiesel production due to their high lipid and fatty acid content, rapid growth rate, high photosynthetic efficiency, and adaptability to environmental conditions. The biodiesel production process from microalgae involves cultivation, lipid extraction, and transesterification. Enhancing the efficiency of these stages can substantially reduce biodiesel production costs and improve quality.
Freshwater microalgae from the Chlorophyta group, including Chlorella vulgaris, Botryococcus sudeticus, and Scenedesmus obliquus, are used in biodiesel production due to their high lipid content and favorable fatty acid compositions. However, the economic viability of biodiesel production depends on achieving high biomass, FAME yield, and quality. Thus, process optimization and species-specific approaches are crucial for sustainable and commercial-scale biodiesel production.
In this study, analytical methods were optimized to enhance microalgae production and fatty acid efficiency, while the effects of nitrogen stress on FAME yield and quality were also examined. The results showed that lipid extraction and transesterification optimization significantly impacted Total FAME yield and quality, with variations observed among different species.
In nitrogen manipulation experiments, the complete removal of nitrogen increased FAME yield by 21% in B. sudeticus and 28% in C. vulgaris. However, nitrogen deficiency posed challenges in achieving high biomass production and maintaining biodiesel quality in both species. The biodiesel properties of both species exhibited differences under nitrogen deficiency, suggesting complex and species-specific responses to nutrient conditions.
In conclusion, the economic feasibility of algae-based biodiesel depends on achieving high biomass, FAME yield, and quality. Therefore, stress conditions and method optimization need to be tailored to the specific needs and characteristics of the microalgae species used. This research contributes to the growing body of literature in microalgae-based biodiesel production and underscores the importance of species-specific approaches to maximize lipid productivity and biodiesel quality.