Fukoksantin üretimi için kinetik modelleme ve CFD simulasyonu
Kinetical modelling and CFD simulation for fucoxanthin production
Yazar: BAHAR ASLANBAY
Danışman: YRD. DOÇ. ESRA İMAMOĞLU
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Fukoksantin, Chromophyta, kahverengi algler, ve diatomlarda bulunan kahverengi renkte bir pigmenttir. Bu molekül antioksidan, anti-enflamatuar, anti-kanser, anti-obezite ve anti-diyabetik faaliyetleri gibi potansiyel biyoaktivite düzeylerine sahip olması bakımından büyük ilgi çekmektedir. Phaeodactylum tricornutum suşu yüksek miktarda fukoksantin taşıyan bir diatomdur ancak bu mikroalgden fukoksantin üretimi için yapılan çalışmalar az sayıdadır.
Mevcut çalışmada P. tricornutum'dan fukoksantin üretimi için optimum koşulların tespiti, büyüme ve ürün üretiminin kinetik modellemesi ve fotobiyoreaktörlerde akış profilinin simulasyonu amaçlanmıştır. İlk olarak 1 L'lik şişelerde kimyasal ve fiziksel üretim parametreleri incelenmiş ve sonuç olarak 45 µE.m-2.s-1 ışık şiddetinde, 18 oC sıcaklıkta, F/2 besin ortamında ve 3 L/dk havalandırma hızında üretim optimize edilmiştir. Takiben karıştırmalı tank, panel ve hava kaldırmalı fotobiyoreaktör olmak üzere 2 L'lik 3 farklı fotobiyoreaktörde; sabit "hacimsel güç tüketim hızı", "oksijen kütle transfer katsayısı" ve "karışma zamanı" olmak üzere 3 farklı ölçek büyütme stratejisi araştırılmıştır. En iyi fukoksantin verimi 2,22 mg/g hücre olarak "sabit hacimsel güç tüketim hızı" stratejisinin uygulandığı panel fotobiyoreaktörde elde edilmiştir.  Elde edilen sonuçlar doğrultusunda ölçek büyütme stratejisi ile 7 L'lik panel fotobiyoreaktörde üretim gerçekleştirilmiş ve ulaşılan maksimum fukoksantin miktarı 4,11 mg/g hücre olarak belirlenmiştir. Online kontrolün sağlandığı 2 L'lik fotobiyoreaktörde üretimin biyokütle ve ürün açısından kinetik modellemesi yapılmıştır.  Ayrıca 2 L'lik fotobiyoreaktörler için akış profili ANSYS V7.1 ile simule edilmiş ve fotobiyoreaktör tasarım parametreleri değerlendirilmiştir.

Abstract:
Fucoxanthin is a brown pigment that found in Chromophyta, brown macroalgae and diatoms. This molecule has a great interest because it has potential bioactivity levels such as antioxidant, anti-inflammattory, anti-cancer, anti-obesity and anti-diabetic activities.  Phaeodactylum tricornutum is a diatom that carries high amonut of fucoxanthin as its major carotenoid but the studies about fucoxanthin production from this microalga are limited.
In this thesis, kinetical modelling of fucoxanthin production and simulation of fluid dynamics in photobioreactors were aimed. Firstly, chemical and physical production parameters were studied in 1 L bottles and as a result, production was optimized unnder the light intensity of 45 µE.m-2.s-1 at 18 oC, in F/2 nutrient medium and wtih the aeration rate of 3 L/. Subsequently, in three different photobioreactors as stirred tank, panel, airlift photobioreactors with the volume of  2 L, three different scale up strategies as constant "volumetric power consumption rate", "oxygen mass transfer coefficient", "mixing time" were studied. The best fucoxanthin yield was obtained as 2,22 mg/g cell at panel photobioreactor with "constant volumetric power consumption rate" strategy. In the aspect of the results obtained, production was carried out with a 7 L panel photobioreactor using constant P/V scale up starategy and maximum fucoxanthin amount was found 4,11 mg/g cell. A 2 L photobioreactor provided by online control was used for kinetic modeling of biomass and product. In addition, the flow profile for the 2 L photobioreactor was simulated with ANSYS V17.1 and photobioreactor design parameters were evaluated.