Mikroalg üretimi için laboratuvar ölçekli solar biyoreaktör tasarımı ve mikroalglerin tarımsal uygulamalarda kullanımı
Design of laboratory-scale solar bioreactor for the production of microalgae and the use of microalgae in agricultural applications
Yazar: VİLDAN ERCİ
Danışman: PROF. DR. DİDEM ÖZÇİMEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Ziraat = Agriculture

Özet:
Mikroalg yetiştiriciliğinde kullanılan biyoreaktör sistemi ve tipi etkin mikroalg 
büyütülmesi için en önemli parametrelerden birisidir. Tasarım, yetiştirilen türün 
özelliklerine ve kültivasyon sonucunda hedeflenen amaca uygun olmalıdır. Ek olarak, 
mikroalg büyüme koşulları kolaylıkla izlenebilir olmalıdır. Bu tez çalışmasında Chlorella 
vulgaris (C. vulgaris) mikroalginin daha verimli bir şekilde yetiştirilmesi amacı ile 
laboratuvar ölçekli solar bir biyoreaktör tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu 
çalışmada temel hedeflerden birisi tasarlanan biyoreaktör ile farklı açılardan gelen gün 
ışığının toplanması ve fiber optik kablolarla biyoreaktör ortamına aktarabilmesi ve bu 
sayede yetiştirilen mikroalgin maksimum düzeyde ışık yoğunluğundan faydalanmasını
sağlamak oluşturmuştur. Aynı zamanda, biyoreaktörde mikroalg büyümesini takip için 
C. vulgaris kültivasyonunu etkileyen iki önemli faktör olan nitrat ve pH iyon-seçici 
elektrotlar (ISE) ile gerçek zamanlı olarak takip yapılmıştır. Ayrıca, C. vulgaris
büyümesine etki eden diğer parametrelerden olan sıcaklık, çözünmüş oksijen, tuzluluk, 
iletkenlik, direnç ve toplam çözünmüş katı madde içeriği büyüme boyunca ölçülmüştür 
İlgili çalışmanın diğer kısmında ise laboratuvar ölçekli solar biyoreaktörde büyümesini 
tamamlayan C. vulgaris mikroalgleri hasat edildikten sonra tohum çimlenmesi ve bitki 
büyümesine üzerine olan etkileri incelenmiştir. Buna ilaveten, mikroalg uygulamasının 
toprak fizikokimyasal özellikleri üzerindeki etkisi ve rüzgâr sonucunda oluşan toprak 
kaybını engellemedeki etkinliği değerlendirilmiştir. Elde edilen verilere göre, C. vulgaris
büyümesinde logaritmik büyüme fazının 50. güne kadar sürdüğü belirlenmiştir. 
Biyoreaktörde takip edilen süreç boyunca gerçekleştirilen potansiyometrik ölçümler 
sonucunda, besin solüsyonunda nitrat oranının OD değerinin artmasına kıyasla azaldığı 
belirlenmiştir. C. vulgaris mikroalginin uygulamalarının domates tohumlarının 
çimlenmesine ve bitki gelişimine etkisinin doz bağımlı olduğu belirlenirken, en etkin 
tohum çimlenmesinin ve bitki büyümesinin istatistiki olarak en yüksek sırası ile 8 mL ve 
80 mLkg-1
ve üzeri toprak uygulama dozunda gerçekleştiği belirlenmiştir. Ayrıca, 9 ms-1 
rüzgâr hızında oluşan toprak erozyonunu önlemede 80 mLkg-1
ve üzeri uygulamalarının 
etkin olduğu istatistiki olarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar C. vulgaris 
mikroalginin solar biyoreaktörde verimli bir şekilde üretilebileceğini ve tarımsal 
uygulamalar için iyi bir çevre dostu alternatif oluşturacağını göstermiştir

Abstract:
The bioreactor system and type used in microalgae cultivation is one of the most 
important parameters for effective microalgae growth. The design should correspond to 
the characteristics of the cultivated species and the purpose of cultivation. In addition, the 
growth conditions for microalgae should be easily observed. In this thesis, a laboratoryscale solar bioreactor was designed and fabricated to grow Chlorella vulgaris (C. 
vulgaris) microalgae more efficiently. In this study, one of the main goals was to collect 
the sunlight coming from different angles with the designed bioreactor and to transfer it 
to the bioreactor environment with fiber optic cables, and thus ensuring that the grown 
microalgae benefit from the maximum level of light intensity. At the same time, nitrate 
and pH, two important factors affecting C. vulgaris cultivation, were monitored in real 
time using ion selective electrodes (ISE) to monitor microalgae growth in the bioreactor. 
In addition, temperature, dissolved oxygen, salinity, conductivity, resistance, and total 
dissolved solids content, which are other parameters affecting the growth of C. vulgaris, 
were measured during the growth. In the other part of the study, after harvesting C. 
vulgaris microalgae that had completed their growth in a laboratory-scale solar 
bioreactor, their effects on seed germination and plant growth were investigated. In 
addition, the effects of microalgae treatments on soil physicochemical properties and their 
effectiveness in preventing soil loss by wind were evaluated. According to the results, it 
was found that the logarithmic growth phase continued in the C. vulgaris growth up to 
the 50th day. As a result of the potentiometric measurements performed during the 
process in the bioreactor, it was determined that the nitrate ratio in the nutrient solution 
decreased compared to the increase in the OD value. While it was determined that the 
effects of C. vulgaris treatments on the germination of tomato seed and plant growth were 
found to be dose-dependent, it was found that seed germination and plant growth were 
statistically most effective at 8 mL and 80 mLkg-1
and above application doses, 
respectively. In addition, applications of 80 mLkg-1
and above were statistically found to 
be effective in preventing soil erosion at wind speeds of 9 ms-1
. The obtained results 
showed that C. vulgaris microalgae can be efficiently produced in a solar bioreactor and 
will be a good environmentally friendly alternative for agricultural applications.