Mikrobiyal yakıt hücrelerinde (MFC) mikroalg desteğinin elektriksel iletkenlik özellikleri üzerinde etkisi ve mikroalg yoğunluğunun değerlendirilmesi
Effect of microalgae support on electrical conductivity properties in microbial fuel cells (MFC) and evaluation of microalgae density
Yazar: ENİS ÖDEK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMİZ GÜLTEKİN AKAY
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyoenerji = Bioenergy ; Elektron akışı = Electron flow ; Karbondioksit salınımı = Carbondioxide emission ; Mikroalgler = Microalgae ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Yakıtta depolanan kimyasal enerji, sanayi devriminin ilk dönemlerinden beri birincil enerji kaynağı olarak bilinmekte ve günümüzde konvansiyonel enerji kaynakları enerji talebini karşılamaktadır. Hızlı bir gelişim süreci sergileyen, rüzgâr ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına alternatif olarak biyoenerji, geleceğin en önemli enerji kaynaklarından biri haline gelecektir. Üçüncü nesil bir biyoyakıt olan mikroalglerin fosil yakıtların yerine kullanılması dünya çapında desteklenen bir çözümdür. Karbondioksit salınımı olmayan, son zamanlarda üzerinde en çok durulan alternatif enerji kaynağı olarak bilinmektedir. Bu yenilikçi ve yenilenebilir enerji kaynaklarından biri de mikrobiyal yakıt hücresidir ve mikroalg tabanlı MFC'lerdeki araştırmalar son zamanlarda önemli ölçüde artış göstermektedir.

Bu çalışmada, kuru biyokütle (Chlorella protothecoides) ile büyümeleri sırasında terminal elektron alıcı (TEA) görevi gören Chlorella protothecoides ve Chlorella vulgaris için yüksek enerji dönüşüm verimliliğine sahip yeni ve yenilikçi bir Mikroalg- mikrobiyal yakıt hücresi (m-MFC) formüle edildi. Bu yakıt hücresinden 409,83 mV'a kadar hücre potansiyeli elde edildi. Chlorella protothecoides partikülleri toz haline getirildi, ardından aktif çamurdaki mikroorganizmalar için bir substrat olarak m-MFC'ye eklendi. Anot odasında anaerobik ortam korundu ve mikroorganizmalar, eklenen substratı oksitleyerek elektronlar üretti. Bu elektronlar, elektriksel olarak iletken bir harici devre aracılığıyla anot elektrotundan katot elektrotuna taşındı. Anot yüzeyindeki bakteri biyofilminin mikro yapısı, polarize optik mikroskop (POM) kullanılarak doğrulandı. Katot odasında, TEA görevi gören Chlorella protothecoides ve Chlorella vulgaris, %10 oranında BG-11 besin ortamına aşılandı. Böylece, fotosentetik hücreler hızla fotosentez ve hücre yoğunluğunu (0,454 ve 0,516 g/L) artırmaya başladı. Tüm m-MFC'ler, 409,83 ve 286,85 mV açık hücre potansiyeline karşılık gelen 1140,59 ve 805,34 mW/m2 güç yoğunlukları gösterdi.

Abstract:
Chemical energy stored in fuel has been known as the primary energy source since the early stages of the industrial revolution and conventional energy sources currently meet the energy demand. As an alternative to renewable energy sources such as wind and solar energy, which exhibit a rapid development process, bioenergy will become one of the most important energy sources in the future. The use of microalgae, a third generation biofuel, to replace fossil fuels is a solution supported worldwide. It is known as an alternative energy source, which has been the most emphasized recently, without carbon dioxide emissions. One of these innovative and renewable energy sources is the microbial fuel cell, and microalgae-based MFCs have been increasing significantly recently.

In this study, a new and innovative Microalgae-microbial fuel cell (m-MFC) with high energy conversion efficiency was formulated for Chlorella protothecoides and Chlorella vulgaris, which act as terminal electron acceptor (TEA) during their growth with dry biomass (Chlorella protothecoides). Cell potential up to 409.83 mV was obtained from this fuel cell. Chlorella protothecoides particles were pulverized, then were added into m-MFC as a substrate for microorganisms in the activated sludge. Anaerobic environment was maintained in the anode chamber and microorganisms produced electrons by oxidizing the added substrate. These electrons were moved from the anode electrode to the cathode electrode via an electrically conductive external circuit. The microstructure of the bacterial biofilm on the anode surface was confirmed using a polarized optical microscope (POM). In the cathode chamber, Chlorella protothecoides and Chlorella vulgaris acting as TEA were inoculated into BG-11 nutrient medium at 10%. Thus, photosynthetic cells began to rapidly increase photosynthesis and cell density (0.454 and 0.516 g/L). All m-MFCs showed power densities of 1140.59 and 805.34 mW/m2, corresponding to an open cell potential of 409.83 and 286.85 mV.