Effects of nutrients on microalgae growth in anaerobic digestate

Günümüzde dünya nüfusunun yedi milyarı geçtiği bilinmekte ve 2050 yılına kadar nüfusun 9.72 milyar olacağı öngörülmektedir. Dünyada enerji ihtiyacının %80'i hala petrol, kömür ve doğalgaz gibi fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. 2050 yılı enerji tüketimi için öngörülen en iyi senaryolara göre %1,5 ekonomik büyüme ile 9 milyarlık dünya nüfusu fossil yakıtları 2110 yılına kadar kullanacaktır. En kötü senaryoya göre ise %3 ekonomik büyüme ve %100 fosil yakıt tüketimi gerçekleşirse, 2047 yılında bütün fosil yakıtların tükeneceğidir. Yine yapılan araştırmalar ham petrolün %85'inin ulaşım için kullanıldığının %10'luk kısmının kimyasal endüstrilerde kullanıldığını göstermektedir. Bu durum biyokütleden biyoyakıt elde etme çalışmalarının dünyada ilgi çekmesine sebebiyet vermiştir. Biyokütle canlıların belli bir alanda ve hacimde olan miktarı ya da ağırlığıdır ve g/m3 ya da g/L olarak ifade edilir. Çeşitli canlıların biyokütlesinden günümüzde farklı endüstri alanlarında birçok ürün elde edilmektedir. Yine biyokütleden biyoyakıt olarak biyoetanol, biyometan, biyohidrojen ve biyodizel elde edilmektedir. Biyoyakıt için mısır, soyafasülyesi ve şeker kamışı gibi bitkilerin kullandığı bilinmektedir. Biyokütleden biyoyakıt üretiminde en önemli avantaj havadaki CO2 emisyonunu azaltmasıdır. Güneş enerjisi ile CO2 fikse edilerek organik kütleye çevrilmekte ve bu organik kütleden biyoyakıt elde edilmektedir. Ancak dezavantajları fazladır. Bitkilerin yetiştirilmesi için geniş alana ihtiyaç duyulması, tarım alanlarının daraltma etkisi ve fazla su tüketimin olması biyokütleden biyoyakıt elde edilmemesine sıcak bakılmamasının nedenleridir. Bitkilere göre daha azalan ve su ihtiyacı olan algler, günümüzde biyoyakıt çalışmaları için uygun görülmektedir. Özellikle mikroalglerin farklı ortamlara adaptasyon gösterebilmesi mikroalglerden biyoyakıt da dahil çeşitli ürünlerin elde edilmesini sağlamıştır. Günümüzde mikroalglerden çeşitli ürünler elde etme konusunda en önemli sorun elde edilen biyokütlenin az olmasıdır. Özellike biyoyakıt eldesi konusunda mikroalglerin ürettiği biyokütle endüstriyel anlamda yeterli değildir. Biyokütle sorunun aşılması için farklı metabolik yolları olan mikroalgler kullanılmış ancak her birinin kendine özgü avantaj ve dezavantajları ortaya çıkmıştır. Mikroalgler metabolizmalarına göre heteretrof, miksotrof, fotoheteretrof ve fotoototrof olarak dört gruba ayrılır. Bu metabolik ayrımlar bazı mikroalg türleri için çok keskin olmayıp değişen ortam koşullarına göre metabolik yollarını değiştirebilmektediler. Mesela C. vulgaris türü mikroalg değişen ortam koşullarına göre hem fotoototrof hem de miksotrof büyüyebilir. Heterotrof mikroalglerin sayısı azdır ve çevredeki organik karbonu alarak büyüyebilmektedirler. Ancak büyümeleri için glikozu organik karbon kaynağı seçmeleri, steril ortamda çoğalma ve O2 ihtiyaçları heterotrof mikroalglerin biyokütlesinden çeşitli ürünlerin eldesi konusunda büyük dezavantajlardır. Mikrotrof büyümede mikroalgler ortamda ışık ve CO2 olduğunda fotoototrof gibi büyür, ortamda ışık olmayınca organik karbon alarak büyür. Ancak karanlıkta büyüme için yine ortamda organik karbon olarak glikoz ve asetat gibi maddelerin bulunması zorunluluğu, miksotrof mikroalglerin biyokütlesinden çeşitli ürünlerin eldesi konusunda büyük dezavantajdır. Miksotrofik büyüme genelde fotoheteretrof büyüme ile karıştırılır. Aralarındaki önemli fark, fotoheteretroflar ortamdan organik karbonu almak için ışık enerjisine ihtiyaç duyar; ancak, miksotroflar ortamdan organik karbonu karanlıkta alır, ışık enerjisine ihtiyaç duymaz. Fotosentetik mikroalglerin büyüme hızları ve biyokütleri heterotroflardan ve miksotroflardan az olmasına rağmen biyokütle çalışmalarında yine fotosentetik mikroalgler tercih edilirler. Büyük ölçekli çalışmalar için maliyetinin ucuz olması, esnek adaptasyon yetenekleri ve CO2 emisyonunu azaltarak bunu organik biyokütleye çevirmesi fotosentetik mikroaglerin biyokütle eldesinde tercih edilmesinin önemli sebepleridir. Fotosentetik mikroalgler için fotosenteze bağlı olarak ışık, sıcaklık, CO2 miktarı ve mineraller belirli kısıtlayıcı faktörlerdir. Günümüz çalışmalarında mikroalglerin biyokütlesi optimize edilmiş ışık, sıcaklık ve CO2 ile belli miktarlarında artırılabilmektedir. Ancak mineral ihtiyacı ve minerallerin ne kadar gerekli olduğu konusu hala tartışmalıdır. Kimi algler için yararlı olan elementin miktari başka bir mikroalg için inhibe edici olabilir ya da yetersiz olabilir. Yine mikroalgin türüne göre ihtiyacı olan mineral ihtiyacı değişken olabilir. Günümüzde mikroalglerin anaerobik çıkış suyu gibi atıksularda çoğalabildikleri bilinmekdir. Mikroalglerin esnek adaptasyon yetenekleri düşünüldüğünde mineral ihtiyacı bakımından göl suyu ya da içme suyu yerine atıksu kullanılması bugün sürdürülebilir çevreci bir yaklaşım olarak düşünülmektedir. Günümüzde endüstriyel amaçlar için mikroalgler içme suyu kaynaklarını kullanılarak çoğaltılmakta ve bu durum sürdürülebilir çevreci bir yaklaşım değildir. Ayrıca içme suyu kaynaklarında mikroalg çoğaltmak için yeterli mineral yoktur ve mineral eklenmesi biyokütle artırılması bakımından sık sık uygulanan bir yöntemdir. Bu sebeple bazı çalışmalarda deniz suyunda mikroalg çoğaltılması deniz suyunun Mg ve K gibi mineralleri içermesinden dolayı daha cazip görünmektedir. Ancak deniz suyunda mikroalg çoğaltmak için büyük tesisler inşaa edildiğinde özellikle deniz ekosistemine vereceği olumsuz etkiler de hala bir soru işaretidir. Biyokütlenin anaerobik çıkış suyu gibi çeşitli atıksularda oluşturulması bugün mikroalglerin su ve mineral ihtiyacı düşünüldüğünde sürdürülebilir çevreci bir yaklaşım olarak düşünülmektedir. Ancak her durum gibi, atıksuda mikroalg çoğaltılmasının da kendince avantajlar ve dezavantajları vardır. Anaerobik çıkış suyu düşünüldüğünde, anaerobik çıkış suyunun koyu rengi ve partikül yapısı fotosentez için gerekli olan ışık geçirimini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu ışık problemi anaerobik çıkış suyunu seyreltme ya da reaktör hacmini düşürmeyle aşılabilir. Bu sorunun çözümü için başka bir yaklaşım da atıksuya fazladan mineral eklenmesidir. Bazı çalışmalar atıksuya Mg ve Fe gibi mineraller ek olarak eklendiğinde mikroalglerinin büyümesini desteklediğini ve biyokütle miktarını artırdığını göstermiştir. Bu çalışmada, BG11 ortamında büyüyen karışık mikroalg kültürü kullanılmıştır. BG11 ortamındaki mineraller baz alınarak, anaerobik çıkış suyunda çoğalan mikroalg ortamına çeşitli mineraller eklenerek mikroalglerin biyokütle miktarını artırması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda reaktör hacmi 600 ml olan ve 1:10 oranında seyreltilmiş anaerobik çıkış suyu bulunan ortamlara mikroalgler ekilmiştir. Her bir ortama farklı mineraller belli konsantrasyonlarda eklenerek mikroalglerin büyülmeleri uçucu askıda katı madde miktarı, klorofil ölçümü ve hücre sayımı yöntemleri ile takip edilmiştir. Hücre sayımına göre spesifik büyüme hızı ve ikilenme süreleri hesaplanmıştır. Yine deney boyunca pH'ı 7-7. 5 arasında sabitlemek için HEPES tamponu kullanmıştır Eklenen minerallerin amonyak azotu, ortofosfat, organik azot ve organik karbon giderimlerimlere etkisi olup olmadığı da gözlemlenmiştir. Kontrol grubu olarak mikroalg içeren ve 1:10 oranında seyreltilmiş anaerobik çıkış suyu kullanılmış ve içine hiçbir mineral eklenmmiştir. Deneyler büyüme grafiğinde denge fazına gelene kadar sürmüş, buharlaşan su miktarı numune almadan önce çeşme suyu eklenerek giderilmiştir. Çalışma boyunca BG11 ortamında çoğalan mikroalglerin anaerobik çıkış suyunda büyüyen mikroaglere göre daha hızlı büyüme hızı ve ikilenme süresi olduğu gözlenmiştir. Fe kaynağı, Mg kaynağı ve EDTA hazırlanan ortamlara ayrı ayrı konulmuştur. Fe kaynağı olarak BG11 ortamındaki ferrik amonyum sitrat kullanılmıştır ve hazırlanan ortamlara 0.3, 0.6, 1.2, 2.4 ve 3.0 mM olacak şekilde eklenmiştir. BG11'deki konsantrasyonundan 10 kat fazla Fe kaynağı ortama 3.0 mM olarak eklendiğinde mikroalglerin büyümesinde inhibisyon yarattığı görülmüştür. Magnezyum kaynağı olarak BG11 ortamındaki MgSO 4 kullanılmıştır ve farklı konsantrasyonlarda 0.3, 0.6, 1.2, 2.4 ve 3.0 mM olacak şekilde hazırlanan ortamlara eklenmiştir. Ancak büyümede ve arıtımda beklenen etki EDTA eklenildiği kadar olmamıştır. Magnezyum solüsyonlarındaki en iyi değer 0.1585 -1 büyüme hızı ve 4.3 gün ikilenme süresi ile 3.0 mM Mg kaynağında görülmüştür. Mg, EDTA ile beraber farklı konsantrasyonlarda ortamlara eklendiğinde, 0.1668 -1 büyüme hızı ve 4.1 gün ikilenme süresi ile Mg 0.6 +EDTA 0.024 mM en iyi sonucu göstermiştir. Deney boyunca Chlorella ve Scenedesmus türleri baskın tür olarak gözlemlenmiştir. Hazırlanan anaerobik çıkış suyu ortamlarında silli ve flagellalı protozoalara rastlanmıştır. Kimyasal oksijen ihtiyacı giderimleri, amonyak azotu ve ortofosfat giderimine göre çok düşük çıkmıştır. Kimyasal oksijen ihtiyacındaki düşük giderimler değerlendirildiğinde muhtemelen miksotrof büyüme olmadığı düşünülmüştür. Kütle dengesi formülü kullanılarak, TKN giderimlerine göre her bir hazırlanan solüsyonun amonyak azotu giderimi hızı ve teorik biyokütle oluşumu hesaplanmış ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Hazırlanan her solüsyonda teorik biyokütle miktarı deneysel olarak elde edilen biyokütleden fazla çıkmıştır. Şelat olarak tanımlanan EDTA, büyüme ortamındaki minerallerin çözünmüş halde kalmasını sağlayan madde olarak tanımlanır. Minerallerin çözünmüş halde ortamda kalmasını sağladığı için ortamdaki mikroorganizmaların büyümesini desteklediği belirtilir. Deneylerde EDTA'nın büyümeyi desteklediği gözlemlenmiş ve mikroalg ortamlarına 0 .0024, 0 .0048, 0.0144 ve 0.024 mM konsantrasyonlarda eklenerek büyüme izlenmiştir. Deneylerin sonucunda büyümeyi ve biyokütle konsantrasyonu artıran 0.0144 mM ve 0.024 mM konsantrasyonda EDTA olmuştur. Amonyak azotu giderimi hızı, amonyak azotu giderimi ve ortofosfat giderim yüzdesi de göz önüne alındığında 0.0144 mM EDTA solüsyonuna göre 0.024 mM EDTA tüm hazırlanan sölüsyonlar içinde en iyi sonucu göstermiştir. 0.1700 (d-1) spesifik büyüme hızı ve 4 günlük ikilenme süresi ile 0.024 mM EDTA en yüksek biyokütle verimine 1410 mg VSSalgae/l olarak ulaşmıştır. Yine net biyokütle miktarlarına bakıldığında 0.024 mM EDTA 1000 mg/L net biyokütle oluşumuyla en yüksek değere sahiptir. En yüksek amonyak azotu giderim hızına 11.4 mg/l/gün olarak 0.024 mM EDTA ile ulaşılmıştır. En yüksek amonyak azotu giderim yüzdesine yine 0.024 mM EDTA'yla %77 oranında ulaşılmıştır.