Karbon soğurucular yardımıyla mikroalg havuzlarının karbondioksit yakalama veriminin arttırılması
Increasing carbon utilization efficiency in microalgae cultivation by use of carbon capturing chemicals
Yazar: ÜNAL ŞEN
Danışman: PROF. DR. MİRAT GÜROL
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Karbondioksit salınımı = Carbondioxide emission ; Mikroalgler = Microalgae ; Mikrobiyal biyokütle = Microbial biomass

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı günümüzde baca gazından karbondioksit (CO2) yakalamada kullanılan aminli karbondioksit soğurucu kimyasalların (AKSK) mikroalg üretiminde ihtiyaç duyulan toplam inorganik karbon (TİK) ihtiyacını karşılamada kullanılabilirliğini incelemektir. Literatürdeki çalışmalarda AKSK'ler, mikroalg büyüme ortamına doğrudan gaz halinde verilen CO2'nin ortamda yüksek konsantrasyonlara ulaşmasını sağlamak için kullanılırken; bu çalışma, önceden CO2'ce doyulurmuş AKSK içeren sulu çözeltileri büyüme ortamına ekleyerek mikroalg büyümesinde ihtiyaç duyulan TİK ihtiyacını çözünmüş CO2'yle sağlamayı hedeflemiştir. Bu doğrultuda seçilen AKSK'ler arasında trietanolaminin (TEA) mikroalglerin büyüme ve besin tüketim davranışı üzerinde en az toksik etkiyi gösterdiği belirlenmiştir. Havalandırmalı biyoreaktörlerde gerçekleştirilen deneylerde abiyotik ve biyotik etkenlerden kaynaklı TEA azalması gözetlenmiş ve sonraki tez aşamasında bu etkiler saf mikroalg kültürü ve havalandırmasız biyoreaktörler kullanılarak aşılmıştır. Tezin ikinci aşamasında, tipik baca gazı CO2 içeriğine sahip bir gazla CO2'ce doyurulmuş sulu TEA çözeltisi farklı oranlarda mikroalg içeren büyüme ortamına eklenmiş ve 20 ve 30 mM TEA içeren kültürlerde en yüksek biyokütle üretim ve besin tüketim hızlarına ulaşılmıştır. Ayrıca mikroalg biyokütle üretiminin 20 mM TEA konsantrasyonuna kadar TİK tüketim hızı tarafından sınırlandırıldığı görülmüştür. Deneyler sırasında yüzey aktif özelliklere sahip olan TEA'nın oluşan oksijen kabarcıklarının yüzey özelliklerini değiştirmesi ve mikroalg hücrelerini yüzeyde toplaması sonucu %85'ten fazla biyokütle ayrımı meydana gelmiştir. Tezin son aşamasında üçüncül alkanolaminle CO2 absorpsiyonu ile mikroalg üretimi süreçlerini birleştiren, kimyasal denge prensibine ve Monod büyüme kinetiğine dayanan bir kavramsal model geliştirilmiştir. Gerçekleştirilen hassasiyet analizi alkanolamin türünün ve büyüme ortamındaki alkanolamin konsantrasyonunun en kritik parametreler olduğunu belirlemiş; model seçilen alkanolaminler için dikkate değer ölçüde yüksek biyokütle üretim hızı ve CO2'den faydalanma verimleri hesaplamıştır.

Abstract:
The aim of this study is to investigate the use of amine-based carbon dioxide absorbing chemicals (ACAC) used in carbon dioxide (CO2) capture from flue gas to meet total inorganic carbon (TIC) requirement during microalgae production. Previous studies used ACACs to increase CO2 concentration in the growth medium while supplying gaseous CO2, whereas this study aims to fulfill TIC requirement during microalgae production by supplying CO2 in dissolved form in CO2-saturated aqueous amine solutions. Firstly, among the ACACs selected for this study, triethanolamine (TEA) was determined to show minimum adverse effect on growth and nutrient consumption characteristics of microalgae. Although, in the experiments performed in aerated bioreactors, a reduction in TEA concentration in the growth medium occurred due to abiotic and biotic factors, these factors were eliminated in the experiments by using a pure culture and by operating the bioreactors without aeration. Secondly, an aqueous TEA solution, saturated with a gas stream of typical flue gas CO2 content, was added into the growth medium in different proportions and the highest growth and nutrient consumption rates were observed at 20 and 30 mM TEA concentrations. In addition, a biomass separation of more than 85% was achieved as a result of accumulation of biomass at the growth medium's surface due the synergistic effect of oxygen bubbles created in the bioreactor and surfactant characteristics of TEA. Finally, a conceptual model was developed to combine the two processes of CO2 absorption-desorption and microalgae production in an integrated system, by using chemical equilibrium principles and Monod kinetics, respectively. The sensitivity analysis of the model revealed that the overall efficiency of the system is primarily determined by the type of alkanolamine used and the alkanolamine concentration in the growth medium. The model predicted significant biomass production rates and CO2 utilization efficiencies for the selected tertiary alkanolamines.