Chlorella vulgaris mikroalg kültürünün CO2 tutma veriminin ve farklı büyüme koşullarında bi̇yodizel üretim potansiyelinin incelenmesi
Investigation of CO2 retention efficiency and biodiesel production potential in different growth conditions of chlorella vulgaris microalgae culture
Yazar: GAMZE AKGÜL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT VAROL ; DOÇ. DR. AYÇA ERDEM ÜNŞAR
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Enerji = Energy ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada; dikey bir fotobiyoreaktörde yetiştirilen Chlorella vulgaris (C. vulgaris) mikroalg kültürünün CO2 tutma veriminin ve biyodizel potansiyelinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada, 5 cm iç çapa sahip, 100 cm yüksekliğinde pleksiglastan yapılmış fotobiyoreaktör kullanılmıştır. Farklı oranlarda CO2 içeren gaz karışımları (hacimce 400 ppm, %15 ve %90), C. vulgaris kültürünün yetiştirildiği fotobiyoreaktöre verilerek kültürün CO2 tutma verimi incelenmiştir. Hacimce 400 ppm CO2 gazı içeren CO2+N2+O2 gaz karışımı havayı temsil etmektedir. Hacimce %15 CO2 gazı içeren CO2+N2+O2 gaz karışımı kömürle çalışan termik santrallerinden kaynaklanan baca gazı kompozisyonunu temsil etmektedir. Hacimce %90 CO2 gazı içeren CO2+O2 gaz karışımı ise Oksi-Yanma teknolojisi kullanan ve kömürle çalışan termik santrallerinden kaynaklanan baca gazı kompozisyonunu temsil etmektedir. Çalışmada kullanılan diğer değişken parametreler aydınlatma şiddeti (7 000, 11 000 ve 15 000 lux) ve aydınlatma süresidir (12 saat, 16 saat ve 24 saat aydınlık). Deney süresince fotobiyoreaktörden 24 saatte bir numune alınmıştır. Numunelerde kuru ağırlık (g/L), optik yoğunluk (684 nm ve 750 nm), klorofil-a (665 nm), klorofil-b (645 nm), karotenoid (480 nm) ve pH ölçümleri yapılmıştır. Ölçüm ve analizler neticesinde kültürün adaptasyon süresi (saat), üreme verimliliği (g (kuru ağırlık)/L/gün), maksimum spesifik büyüme oranı, (µmax, 1/gün) ve CO2 tutma verimi hesaplanmıştır. CO2 tutma verimi açısından en iyi sonuçları veren değişken parametreler belirlenmiş ve bu parametre şartları altında, mikroalg kültürü fotobiyoreaktörde azot stresine maruz bırakılarak bünyesindeki lipit oranının nasıl değiştiği incelenmiştir.
7000 lux aydınlatma şiddetinde elde edilen kuru ağırlık derişimi (max ~ 2 g/L) 11 000 lux'e göre 2,5 kat, 15 000 lux'e göre ise 3,8 kat daha fazladır. En yüksek biyokütle derişiminin elde edildiği 24 saat aydınlıkta (max ~ 2 g/L) 16 saat aydınlığa göre 1,8 kat, 12 saat aydınlığa göre 1,5 kat daha fazla verim elde edilmiştir.  %15 CO2'de kuru ağırlık değeri (max ~ 1,47 g/L) 400 ppmv'e göre 5 kat fazla verimle elde edilmiştir. %15 CO2 içeren gaz karışımı için mikroalg üreme verimliliği ve CO2 tutma verimi sırasıyla 0,14 g/L/gün ve 0,25 g/L/gün olarak belirlenmiştir. %90 CO2 derişimi altında mikroalg büyümesi inhibe olmuştur. %15 CO2 derişimi altında fotobiyoreaktörde %100 azotlu ortamda lipit oranı başlangıçta %10 iken, deney sonunda %3 oranında belirlenmiştir. %15 CO2 derişimi altında %100 azotsuz deney inhibe olmuş, büyüme gerçekleşmemiştir. Bu nedenle azot stresi deneylerine erlanmayerde 400 ppmv CO2 derişimi altında devam edilmiştir. %75 azotsuz ortamda %100 azotsuz ortama göre 1,3 kat daha iyi büyüme verimi elde edilmiştir. Ayrıca, %75 azotsuz deneyde %100 azotsuz ortama göre 2,5 kat daha yüksek RuBisCO oranı belirlenmiştir. %100 azotsuz deneyde ise %75 azotsuz ortama göre 1,2 kat daha yüksek lipit oranı elde edilmiştir.

ANAHTAR KELİMELER: CO2 Tutma, Mikroalg, Chlorella vulgaris, Baca Gazı, Termik Santraller, Fotobiyoreaktör, Azot Stresi, Lipit, RuBisCO, Biyodizel.

Abstract:
In this study; it was aimed to determine the CO2 capture efficiency and biodiesel potential of Chlorella vulgaris (C. vulgaris) microalgae culture grown in a vertical photobioreactor. In the study, a photobioreactor made of plexiglass with 5 cm inner diameter and 100 cm height was used. CO2 capture efficiency of the culture was investigated by giving gas mixtures containing different proportions of CO2 (400 ppmv, 15% and 90% by volume) to the photobioreactor. The CO2 + N2 + O2 gas mixture, containing 400 ppmv CO2, represents the CO2 concentration in the air. The CO2 + N2 + O2 gas mixture, which contains 15% CO2, represents the flue gas composition resulting from coal-fired thermal power plants. The CO2 + O2 gas mixture, which contains 90% CO2, represents the flue gas composition resulting from coal-fired thermal power plants using Oxy-Fuel combustion technology. Other variable parameters are illumination duration (7 000, 11 000 and 15 000 lux) and illumination duration (12 hours, 16 hours and 24 hours of illumination). Samples are taken from the photobioreactors every 24 hours. Dry weight (g/L), optical density (684 nm and 750 nm), chlorophyll-a (665 nm), chlorophyll-b (645 nm), carotenoid (480 nm) and pH were measured for each sample. As a result of the analyzes, adaptation period (hours), reproductive efficiency (g (dry weight)/L/day), maximum specific growth rate, (µmax, 1/day) and CO2 capture efficiency were calculated for each test. Variable parameters that give the best results in terms of CO2 retention efficiency were determined and under this parameter conditions, microalgae culture was exposed to nitrogen stress and the lipit ratio in its structure was examined. 
The dry weight (max ~ 2 g/L) at 7000 lux was 2.5 and 3.8 times higher than those obtained at 11 000 lux and 15 000 lux, respectively. The highest biomass concentration (max ~ 2 g/L) was obtained in 24 hours of illumination. It was 1.8 and 1.5 times higher than 16 hours and 12 hours of illumination, respectively. Dry weight (max ~ 1.47 g/L) at 15% CO2 was 5 times higher than 400 ppmv. Reproductive efficiency and CO2 capture efficiency for the gas mixture containing 15% CO2 were determined as 0.14 g/L/day and 0.25 g/L/day, respectively. Microalgal growth was inhibited at 90% CO2. While the lipid content was 10% at the beginning for the test at 15% CO2, it was decreased to 3% at the end of the test. The growth was inhibited at 15% CO2 concentration under nitrogen stress in the photobioreactor. Therefore, nitrogen stress tests were conducted in an erlenmeyer flask at 400 ppmv CO2. It was determined that there was a better growth under 75% nitrogen stress (1.3 times higher) compared to 100% nitrogen stress. Moreover, RuBisCO for 75% nitrogen stress was 2.5 times higher than %100 nitrogen stress. However, In the 100% nitrogen stress test, lipid content was 1.2 times higher compared to the 75% nitrogen stress test.

KEYWORDS: CO2 Capture, Microalgae, Chlorella vulgaris, Flue Gas, Thermal Power Plants, Photobioreactor, Nitrogen Stress, Lipid, RuBisCO, Biodiesel.