Mikroalgal Biyokütle Üretimi için Düşük Maliyetli Fotobiyoreaktör Tasarımı. Proje No: 104M354

Transkript

1 Mikroalgal Biyokütle Üretimi için Düşük Maliyetli Fotobiyoreaktör Tasarımı Proje No: 104M354 Doç.Dr. Meltem CONK DALAY Araş.Gör. Esra İMAMOĞLU Araş.Gör. Suphi ÖNCEL NİSAN 2008 İZMİR

2 II ÖNSÖZ Bu proje kapsamında, ticari olarak üretimi yapılan bir siyanobakteri olan Spirulina platensis ve yeşil bir mikroalg olan Haematococcus pluvialis, fotobiyoreaktör üretimi için model organizmalar olarak seçilmiş, tasarlanıp kurulan perm plate fotobiyoreaktör ve panel fotobiyorektörde üretimler gerçekleştirilmiştir. Bu araştırma projesini maddi olarak destek veren TÜBİTAK 2504 kodlu İtalya Ulusal Araştırma Konseyi (CNR) ile İşbirliği Programına teşekkürü bir borç biliriz. Çalışmalarımız sırasında yardımlarını esirgemeyen isimlerini tek tek sayamadığımız Biyomühendislik Bölümünün tüm üyelerine çok teşekkür ederiz.

3 III İÇİNDEKİLER DİZİNİ ÖNSÖZ...II ŞEKİLLER DİZİNİ...VII ÇİZELGELER DİZİNİ...X ÖZET... XI ABSTRACT... XII 1 GİRİŞ..1 2 GENEL BİLGİLER Mikroalgal Biyoteknoloji Mikroalg/ Siyanobakterilerin Üretimine Etki Eden Parametreler Işık Sıcaklık Havalandırma/Karıştırma Besin ph Mikroalg üretim sistemleri Açık Sistemler Açık Havuzlar Raceway (Kanallı) Havuzlar Kaskatlı Havuzlar Kapalı sistemler Tübüler Fotobiyoreaktörler Panel Fotobiyoreaktörler Hava Kaldırmalı Fotobiyoreaktörler Karıştırmalı Tank Fotobiyoreaktörler Entegre Fotobiyoreaktör sistemleri Mikroalglerin Kullanım Alanları Ticari Üretimler Spirulina (Arthrospira) platensis Spirulina da fotosentez ve elektron taşınımı Fikobilizomlar Biliproteinler. 39

4 2.6.2 Spirulina nın üretim koşulları Spirulina nın ticari üretimleri Haematococcus pluvialis in Tarihçesi Astaksantin in Tarihçesi Karotenoidler Astaksantin Astaksantin in Genel Özellikleri ve Kimyası Astaksantin Pazarı Astaksantinin Sağlığa Etkisi Astaksantin Kullanım Alanları Astaksantin Kaynakları Astaksantin Sentezleyen Mikroorganizmalar Haematococcus pluvialis Flotow H. pluvialis in Genel Özellikleri ve Kompozisyonu H. pluvialis in Sistematikteki Yeri H. pluvialis in Hücre Biyolojisi H. pluvialis in Hücre Morfolojisi H. pluvialis de Astaksantin Birikimi ve Çevresel Stres H. pluvialis de Astaksantin Birikimi Sırasında Fizyolojik Değişim H. pluvialis de Karotenoid Oluşum Prosesi ve Reaktif O 2 Türleri (ROS) H. pluvialis de Astaksantin Biyosentezi H. pluvialis in Kalite Kontrol Standartları H. pluvialis in Üretim Prosesi GEREÇ VE YÖNTEM Materyal Organizma Kültür ortamı Kullanılan Başlıca Cihazlar Işık Sistemleri Metot Spirulina platensis Aşı Kültürünün Üretim Koşulları Haematococcus pluvialis Aşı Kültürünün Hazırlanması Haematococcus pluvialis Aşı Kültürü Üretim Koşulları

5 3.2.4 Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktörde Spirulina platensis Üretim Koşulları Panel tip Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis Üretim Koşulları Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis den Astaksantin Üretim Koşulları Mikroskobik Gözlem ve Fotoğraflama ph ölçümü Hücre Konsantrasyonunun Belirlenmesi Kuru Ağırlık Tayini Hücre Sayım Yöntemi Büyüme Hızı Hesaplamaları Astaksantin Miktarının Belirlenmesi SONUÇLAR ve TARTIŞMA Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktörde Spirulina platensis Üretimine Etki Eden Parametrelerin Zamana Bağlı Değişimi PEP Fotobiyoreaktörde Spirulina platensis üretimine etki eden ph parametresinin zamana bağlı değişimi PEP Fotobiyoreaktörde Spirulina platensis üretimine etki eden sıcaklık parametresinin zamana bağlı değişimi PEP Fotobiyoreaktörde Spirulina platensis CC 37 hücrelerinin üremesinin zamana bağlı değişimi PEP Fotobiyoreaktörde Spirulina platensis CC 37 hücrelerinin üreme hızının zamana bağlı değişimi Perm Plate (PEP) FotobiYoreaktörde Üretim Parametrelerin Spirulina platensis Hücre Üremesine Etkisi Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktörde ph nın Spirulina platensis Üretimine Etkisi Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktörde Sıcaklığın Spirulina platensis Üretimine Etkisi Panel tip Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis Üretimine Etki Eden Parametrelerin Zamana Bağlı Değişimi Panel tip Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis üretimine etki eden ph parametresinin zamana bağlı değişimi.. 78

6 Panel tip Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis üretimine etki eden sıcaklık parametresinin zamana bağlı değişimi Panel tip Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis hücrelerinin üremesinin zamana bağlı değişimi Panel tip Fotobioreaktörde Üretim Parametrelerin Haematococcus pluvialis Hücre Üremesi Etkisine Panel tip Fotobioreaktörde ph nın Haematococcus pluvialis Üretimine Etkisi Panel tip Fotobiyoreaktörde Sıcaklığın Haematococcus pluvialis Üretimine Etkisi Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktörde Kırmızı Faz Üretimine Etki Eden Parametrelerin Zamana Bağlı Değişimi PEP Fotobiyoreaktörde kırmızı faz üretimine etki eden ph parametresinin zamana bağlı değişimi PEP Fotobiyoreaktörde kırmızı faz üretimine etki eden sıcaklık parametresinin zamana bağlı değişimi PEP Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis hücrelerinin kuru ağırlık miktarının zamana bağlı değişimi PEP Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis hücre sayısının zamana bağlı değişimi Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktörde Astaksantin miktarının Zamana bağlı değişimi Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktör hacmi başına Astaksantin miktarının zamana bağlı değişimi Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktörde hücre ağırlığı başına Astaksantin miktarının zamana bağlı değişimi Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktörde hücre sayısı başına Astaksantin miktarının zamana bağlı değişimi DEĞERLENDİRME ve ÖNERİLER Değerlendirme Öneriler...90 REFERANSLAR

7 VII ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1 Raceway havuzlar Şekil 2.2 Tubuler Fotobiyoreaktörler...19 Şekil 2.3 Panel Fotobiyoreaktör...21 Şekil 2.4 Hava kaldırmalı Fotobiyoreaktör.. 25 Şekil 2.5 Entegre sistem Şekil 2.6 Spirulina platensis in mikroskoptan görünüşü..34 Şekil 2.7 Trisilindirik hemidiskoidal fikobilizom modeli 39 Şekil 2.8 C-fikoeritrin, C-fikosiyanin ve allofikosiyanin aminoasit dizilerinde bulunan bilinlerin konumları Şekil 2.9 Astaksantin in üç boyutlu yapısı Şekil 2.10 Haematococcus pluvialis ve stigma yapısının şematik çizimi Şekil 2.11 Haematococcus pluvialis in yaşam döngüsü Şekil 2.12 Haematococcus pluvialis de karotenoid oluşum prosesi Şekil 2.13 Haematococcus pluvialis de astaksantin biyosentezi Şekil 2.14 Haematococcus pluvialis den astaksantin eldesinin akım şeması Şekil 3.1 Spirulina platensis aşı kültürü üretiminde kullanılan 5 L lik kültür kabı...63 Şekil 3.2 Spirulina platensis aşı kültürünün mikroskobik görünümü Şekil 3.3 Küçük çaplı Haematococcus pluvialis Kültürünün Hazırlanması Şekil 3.4 Haematococcus pluvialis Flotow un küçük çaplı Kültürü.. 65 Şekil 3.5 Zoospor evresindeki Haematococcus pluvialis hücrelerin mikroskobik görünümü Şekil 3.6 Palmella evresindeki Haematococcus pluvialis hücrelerin mikroskobik görünümü Şekil 3.7 Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktör.. 66 Şekil 3.8 Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktör Tasarımı Şekil 3.9 Perm Plate (PEP) Fotobiyoreaktörün özel ondüla Tasarımı Şekil 3.10 Panel tip Fotobiyoreaktör Şekil 3.11 Üretim periyodu Başlangıcında Panel tip Fotobiyoreaktör Şekil 3.12 Üretim periyodu sonunda Panel tip Fotobiyoreaktör

8 Şekil 3.13 Neubauer kamarası Şekil 3.14 Astaksantin kalibrasyon eğrisi Şekil 4.1 PEP Fotobiyoreaktörde Spirulina platensis üretimine etki eden ph parametresinin zamana bağlı değişimi Şekil 4.2 PEP Fotobiyoreaktörde Spirulina platensis üretimine etki eden sıcaklık parametresinin zamana bağlı değişimi Şekil 4.3 PEP Fotobiyoreaktörde Spirulina platensis CC 37 hücrelerinin üremesinin zamana bağlı değişimi.. 75 Şekil 4.4 PEP Fotobiyoreaktörde Spirulina platensis CC 37 hücrelerinin üreme hızının zamana bağlı değişimi Şekil 4.5 PEP Fotobiyoreaktörde ph nın Spirulina platensis CC 37 hücrelerinin üremesi üzerine etkisi...77 Şekil 4.6 PEP Fotobiyoreaktörde sıcaklığın Spirulina platensis CC 37 hücrelerinin üremesi üzerine etkisi...77 Şekil 4.7 Panel tip Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis üretimine etki eden ph parametresinin zamana bağlı değişimi Şekil 4.8 Panel tip Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis üretimine etki eden sıcaklık parametresinin zamana bağlı değişimi Şekil 4.9 Panel tip Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis hücrelerinin üremesinin zamana bağlı değişimi Şekil 4.10 Panel tip Fotobiyoreaktörde ph nın Haematococcus pluvialis hücrelerinin üremesi üzerine etkisi Şekil 4.11 Panel tip Fotobiyoreaktörde sıcaklığın Haematococcus pluvialis hücrelerinin üremesi üzerine etkisi Şekil 4.12 PEP Fotobiyoreaktörde kırmızı faz üretimine etki eden ph parametresinin zamana bağlı değişimi Şekil 4.13 PEP Fotobiyoreaktörde kırmızı faz üretimine etki eden sıcaklık parametresinin zamana bağlı değişimi Şekil 4.14 PEP Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis hücrelerinin kuru ağırlık miktarının zamana bağlı değişimi Şekil 4.15 PEP Fotobiyoreaktörde Haematococcus pluvialis hücre sayısının zamana bağlı değişimi...85 Şekil 4.16 Astaksantin miktarının ml başına zamana bağlı değişimi.. 86

9 Şekil 4.17 Astaksantin miktarının g hücre başına zamana bağlı değişimi Şekil 4.18 Astaksantin miktarının hücre sayısı başına zamana bağlı değişimi Şekil 4.19 Kırmızı faz üretiminin 4 günlük denemesi sonunda Haematococcus pluvialis hücrelerinin mikroskobik görüntüsü.88

10 X ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 2.1 Mikroalg üretimine etki eden parametreler için genelleştirilmiş değerler...3 Çizelge 2.2 Miksotrofik olarak üretilebilen ticari önemi olan algler Çizelge 2.3 Farklı büyük-ölçekli alg üretim sistemlerinin karşılaştırılması...10 Çizelge 2.4 Ticari olarak üretilen alglerin öngörülen uygulamaları...30 Çizelge verilerine göre dünya genelinde mikroalg üretimi yapan ticari firmalar (Lee, 1997) Çizelge 2.6 Siyanobakteriyel Biliproteinler Çizelge 2.7 Geçmiş ve günümüzde Spirulina üretimi yapan bazı üretici firmalar Çizelge 2.8 Mikro alglerin sentezledikleri karotenoidler Çizelge 2.9 Haematococcus pluvialis in bileşenleri Çizelge 2.10 Haematococcus pluvialis in amino asit analizi Çizelge 2.11 Haematococcus pluvialis in yağ asidi analizi Çizelge 3.1 Modifiye Zarrouk Ortamı nın Kompozisyonu...60 Çizelge 3.2 BG 11 Kültür Ortamının Kompozisyonu (Sukatar, 2002) Çizelge 3.3 N-P-K 20:20:20 gübresinin komposizyonu Çizelge 3.4 Kullanılan Ekipman Markaları ve Özellikleri

11 XI ÖZET Bu çalışmanın amacı özellikle akuakültür sanayinde önemli olan mikroalgal biyokütle üretimi için düşük maliyetli fotobiyoreaktör tasarımı ve kurulumudur. Bu kapsamda araştırmalar Haematococcus pluvialis ve Spirulina platensis mikroalgleri ile yürütülmüştür. Ticari olarak üretimi yapılan bir siyanobakteri olan Spirulina platensis ve yeşil bir mikroalg olan Haematococcus pluvialis, fotobiyoreaktör üretimi için model organizmalar olarak seçilmiştir. Bu proje kapsamında tasarlanıp kurulan ve perm plate fotobiyoreaktör olarak adlandırılan sisteminde Spirulina platensis üretimi ve Haematococcus pluvialis in kırmızı faz üretimi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca bu proje kapsamında tasarlanıp kurulan panel fotobiyoreaktör olarak adlandırılan sistemde Haematococcus pluvialis in yeşil faz üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu sistemlerin performansı; kuru ağırlık, hücre sayımı, astaksantin miktarı, sıcaklık ve ph değerleri ölçülerek incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Perm Plate Fotobiyoreaktör, Panel Fotobiyoreaktör, Spirulina platensis, Haematococcus pluvialis.

12 XII ABSTRACT The objective of this proposal is to design and construct a cost-effective photobioreactor for the production of biomass for the feedstuffs for animal, particularly aquaculture. For this scope the researches were mainly carried out the microalgae Haematococcus pluvialis and Spirulina platensis.. A commercially produced cyanabacteria, Spirulina platensis and a green microagae, Haematococcus pluvialis were chosen as a model organism for the photobioreactor production. Spirulina platensis production and red stage production of Haematococcus pluvialis were achieved in the photobioreactor which was designed, constructed and nominated as Perm Plate photobioreactor, in this project. A green stage production of Haematococcus pluvialis was also achieved in the photobioreactor which was designed, constructed and nominated as Panel photobioreactor. The performances of the systems were investigated by the measurements of the dry mass, cell count, astaxanthin concentration, temperatures and ph values. Keywords: Perm Plate Photobioreactor, Panel Photobioreactor, Haematococcus pluvialis, Spirulina platensis.

13 1 1. GİRİŞ Günümüzde algal biyoteknoloji hızla gelişimini sürdürmekte ve önemini giderek arttırmaktadır. İlk çalışmalardan bu güne farklı türlerin bulunuşu, bu türlerden elde edilen maddelerin değerlendirilmesi ile kısa sürede algler yeni araştırmaların odak noktası haline gelmişlerdir. Mikroalgal biyoteknoloji 1950 lerin başında başlatılan çalışmalar ile farklı sektörlerin ilgisini çekmiştir. Bu bulunan türlerin ekonomik değerleri ve geniş bir kullanım alanına sahip olmaları ile de ilgilidir. Önceleri belirli ihtiyaçların karşılanmasını sağlayan basit sistemler ardından artan ve çeşitlenen ihtiyaçlar ile daha karmaşık tasarımlara gereksinim duyulmuş ve bugün de fotobiyoreaktör olarak adlandırılan üretim sistemlerine yönel inmiştir. Fotobiyoreaktörler özellikle mikroalg üretiminin önemli yapı taşlarından biridir ve bu sistemler mikroalglerin özelliklerine göre en iyi üretim ortamını sağlayarak verimi ve ekonomik kaliteyi arttırmaktadırlar ve dünya genelinde yapılan çalışmalar doğrultusunda günümüzde farklı türler için çeşitli fotobiyoreaktörler yaygın olarak kullanılmaktadır. Fotobiyoreaktör sistemlerinin potansiyelinin ve ekonomikliğinin incelenmesi sonucu böyle sistemlerin ülkemizde başarıyla kullanılması sağlanacaktır. Böylece yeni teknolojilere olan ilgiyle beraber gelen çekingenliğin kırılmasında da bu adımın önemli rol oynayacağı düşünülmektedir. Mikroalglerin kullanım alanlarının her geçen gün artmasıyla doğru orantılı olarak, yapılan çalışmaların araştırma ve geliştirmeye yönelik artması, özellikle ülkemiz gibi farklı teknolojilerin geliştirilmeye çalışıldığı ülkelerde büyük bir dikkat ve ilgiyle takip edilmektedir. Ancak bu yolla özellikle üniversite ve sanayi işbirliğinin en üst seviyede sağlanabileceği mikroalgal biyoteknolojilerinin gelişmesine uygun bir ortam sağlanabilecektir. Bu proje ile ülkemizde yapılacak çalışmalar ile algal biyoteknoloji pazarında söz sahibi olabilmenin yanısıra önemli bir katma değer üretilerek hem sektör hem de araştırmaların teşviki açısından önemli bir başlangıç noktasını oluşturmuştur. Projenin amacı özellikle akuakültür sanayinde önemli olan mikroalgal biyokütle üretimi için düşük maliyetli fotobiyoreaktör tasarımı ve kurulumudur. Bu kapsamda, ticari olarak üretimi yapılan bir siyanobakteri olan Spirulina platensis ve yeşil bir mikroalg olan Haematococcus pluvialis, fotobiyoreaktör üretimi için model organizmalar olarak seçilmiştir.

14 2 2 GENEL BİLGİLER 2.1 Mikroalgal Biyoteknoloji Dünyanın bitki biyokütlesinin üçte birini algler oluşturmaktadır e varan mikroalg türünün olduğu tahmin edilmektedir fakat bunlardan sadece 50 türün biyokimyası ve ekofizyolojisi detaylı olarak çalışılmıştır. Mikroalgler, tüm fotosentetik prokaryotik ve ökaryotik mikroorganizmaları temsil eder. Önceleri mavi-yeşil algler olarak bilinen siyanobakteriler, diğer algal gruplar gibi ökaryot değil, prokaryottur. Fotosentetik olmaları nedeni ile üretim sistemleri mikroalglerle aynıdır. Mikroalg ve siyanobakteriler fitoplanktonu oluşturur. Balıklar ile diğer sucul organizmalar için besin maddesi olarak kullanılmalarından dolayı doğadaki besin zincirinin başlangıç noktasını oluştururlar. Mikroalgal biyoteknolojiyi konu alan pek çok kaynakta siyanobakteriler, mikroalglerle birlikte değerlendirilir (Sason, 1997; Borowitzka, 1992) Birçok mikroalg sucul ortamda yaşamaktadır. Bazı mikroalg türleri, çeşitli sucul bitkiler ve hayvanların yüzeylerinde büyümeye adapte olmuştur. Diğerleri toprak ve kaya yüzeylerini de kapsayan karasal habitatlarda yaşayabilirler. Algler, çevre problemlerine neden olabilir; boruları kirleterek su kaynaklarını kontamine edebilirler; suların özellikle azot ve fosforca yüksek oranda fertilizasyonu sonucu algal patlamalar oluşabilir (ötrofikasyon) ve diğer canlı organizmaların büyümesini inhibe edebilirler. Bazı deniz türleri (dinofilagellatlar) kabuklu deniz canlılarını kontamine edebilir ve oldukça kuvvetli ekzotoksinleri nedeniyle besin zehirlenmelerine yol açabilirler. Bunun yanında tatlısu, acısu ve deniz ortamlarında yaşayan mikro ve makroalgler, yararlı da olabilmektedir. Mikroalgler, endüstriyel ülkelerde, pigmentler gibi yüksek katma değerli bileşiklerin elde edilmesinde, gıda endüstrisi ve sağlık amaçlı gıda için üretiminde; gelişmekte olan ülkelerde ise atık arıtımı ve proteince zengin gıda ve yem katkısı üretimini birleştiren küçük ölçekli projeler ile büyük ölçekli atık su arıtımında kullanılırlar (Sasson, 1997). Mikroalglerin büyük ölçekte üretimi ve biyokütleden bazı maddelerin elde edilmesi ilk olarak İkinci Dünya Savaşı sırasında Almanya da gerçekleştirilmiştir. Bu ilk araştırma daha sonra 1953 yılında Washington daki Carnegie Enstitüsü ndeki bir grup araştırmacı tarafından ele alınmış ve bu konudaki çalışmalar Algal culture from laboratory to pilot plant adlı raporda özetlenmiştir. Bu projenin amacı, yeşil bir alg olan Chlorella nın büyük ölçekte gıda amaçlı üretimi ve laboratuvar koşullarında elde edilen verimin, açık hava koşullarındaki üretimlerde de sürdürülebilmesini kapsamaktadır (Becker, 1995) yılında Çekoslovakya da kaskat tipli havuzlarda Scenedesmus üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu sisteme

15 3 benzer olarak Bulgaristan da Chlorella üretimi yapılmıştır ların başında Spirulina nın üretimi, Institut Français du Petrole (French Oil Institute) araştırıcılarının büyük ilgisini çekmiştir. 70 li yılların başında Alman hükümeti algal üretim için desteklerini arttırmıştır. Ardından Dortmund ta geliştirilen bir teknoloji kullanılarak, Hindistan, Peru ve Tayland da Scenedesmus üretimi gerçekleştirilmiştir. (Sasson, 1997). Mikroalgler, bazı kimyasalların ve biyokimyasalların elde edilmesinde kaynak olarak kullanılabilirler. Bu nedenle, mikroalgal biyoteknolojide alınan patent sayısı yılları arasında 77 civarında iken, yılları arasında 194 civarına yükselmiştir. Fikologlar, mühendis ve kimyagerlerle çalışmaya başlayarak, mikroalgal biyoteknolojinin gelişmesini hızlandırmışlardır. Bundan sonraki basamak, pazarlama ve işletme uzmanlarını bu gruba dahil etmek olmuştur. Bu grubun çalışmaları sonunda kurumlar arası ilişkiler geliştirilerek, laboratuvarlarda gerçekleştirilen araştırma ve geliştirme çalışmaları, firmalar aracılığıyla pilot tesislere dönüştürülmüştür (Sasson, 1997). 2.2 Mikroalg/ Siyanobakterilerin Üretimine Etki Eden Parametreler Algal büyümeyi düzenleyen en önemli parametreler; besin kalitesi ve miktarı, ışık, ph, türbülans, tuzluluk ve sıcaklıktır. Optimum parametreler ve tolerans aralıkları türe özgüdür. Bununla birlikte, en önemli parametreler için genelleştirilmiş değerler Çizelge 2.1 de verilmiştir. Bir çok faktör birbirine bağlı olabilir. Çalışmalarda oluşturulan ortam koşulunda optimum olan parametre, başka bir çalışma için optimum olmayabilir (Coutteau, 1996). Çizelge 2.1 Mikroalg üretimine etki eden parametreler için genelleştirilmiş değerler (Coutteau, 1996). Parametreler Aralık Optimum Sıcaklık Tuzluluk Işık Yoğunluğu ,5-5 Fotoperiyot 16:8 (min) 24:0 (mak) ph Işık Işık, fotosentetik organizmaların canlılığını sürdürebilmeleri için zorunlu bir parametredir. Fotosentetik büyüme her bir hücrenin kullandığı ışık enerjisiyle orantılı olduğu için, üretimlerde ışığın optimum seviyelerde sağlanması gerekir. Işık yoğunluğu çok önemli bir rol oynar ve kültür kabının derinliği ve kültür yoğunluğu ile ilişkilidir. Derinliği ve hücre konsantrasyonu yüksek olan kültürde, penetrasyonunu sağlamak için ışık yoğunluğu arttırılır. (Örneğin; erlenlerde yapılan çalışmalar için 1000 lüks, daha büyük hacimler için lüks uygundur.)

16 4 Işık kaynağı doğal ya da yapay olabilir. Yapay aydınlatma için genellikle floresan lambalar kullanılır. Mavi ya da kırmızı ışık spektrumu yayan floresanlar, fotosentez için kullanılan en aktif ışık spektrum aralığına sahip olduklarından tercih edilebilir. Yapay aydınlatma sağlanarak yapılacak kültürlerde aydınlatma süresi, günlük minimum 18 saat olmalıdır (Coutteau, 1996). Işık miktarının artması ile fotosentetik organizmaların büyüme hızları artar. Işık miktarının artışı, belli bir noktadan sonra, doygunluk seviyesine ulaşılmasına neden olur. Bu noktadan itibaren hücreler ürettikleri enerjiyi ısı olarak açığa çıkartırlar. Yüksek ışık seviyelerinin devam etmesi durumunda, organizmanın dengesi bozularak üretilen yüksek miktarda enerji nedeniyle inhibisyon meydana gelir ve fotoinhibisyon durumunda geri dönülmez zararlar oluşabilir. Işık inhibisyonu, etkisini bir kaç dakika içerisinde göstermeye başlar ve bazı kültürlerde dakika içerisinde %50 yi aşan hasar verebilir (Torzillo and Vonshak, 2003; Pulz, 2001; Lee, 2000; Tanaka et al., 1995) Sıcaklık Mikroalgler ve siyanobakteriler farklı sıcaklık aralıklarında yaşayabilirler. Metabolizmalarına ve fizyolojik aktivitelerine doğrudan etkili olan sıcaklık değişimlerine hemen tepki gösterirler. Bu nedenle, üretimi yapılacak türün optimum sıcaklığı dikkate alınarak uygun sistemde üretimi yapılmalıdır. Özellikle ticari üretimleri gerçekleştirilen alglerin çoğu, ılık sıcaklık aralığında yaşamaktadır (Cohen 2000). Sıcaklığın etkisi hücre solunumu sırasında görülür. Sıcaklık arttığında solunum hızı artar, artan solunum biyokütle kayıplarını arttırır. Sıcaklık, mikroalglerin kimyasal kompozisyonları üzerinde de etkili olur. Torzillo ve çalışma arkadaşlarının 1991 de Spirulina platensis M2 suşu ile açık alanda termostatlı fotobiyoreaktörlerde yaptıkları çalışmada, sıcaklığın verimlilik ve kimyasal kompozisyon üzerinde etkili olduğunu belirtmişlerdir Havalandırma/Karıştırma Karıştırma, mikroalg kültürlerinde, sıcaklık, ışık gibi parametrelerin ortamda optimum seviyelerde sağlanmasında en önemli rollerden birini üstlenmektedir. Karıştırma, alglerin sedimentasyonunu önleyerek, kültürün içindeki hücrelerin homojen olarak dağılım göstermesinde rol oynar. Böylece populasyondaki tüm hücrelerin, ışık ve besin maddelerinden eşit oranda faydalanmasını sağlanır, termal tabakalaşma önlenir (özellikle, Açıkhava kültürlerinde), kültür ortamı ve hava arasındaki gaz transferini düzenlemesi sağlanır.

17 5 Karıştırma, kültür sisteminin ölçeğine bağlı olarak, günlük olarak elle (tüpler ve erlenler), havalandırma ile (torbalar, tanklar), çarklı pedallar ve pompalar (havuzlar) ile gerçekleştirilir. Bununla birlikte, bazı türlerin kuvvetli karıştırmaya toleransları yoktur (Becker, 1996; Coutteau, 1996). Hava içerisindeki doğal CO 2 konsantrasyonu (%0,03), optimum büyüme ve yüksek verimlilik için yeterli değildir. Düşük tuzluluk ve nötrale yakın ph da yapılan alg kültürlerinde, yeterli büyümenin olabilmesi için hava CO 2 ile zenginleştirilmelidir. Bunun bir istisnası, tuz formunda ortama katılan karbonat ya da bikarbonatı, karbon kaynağı olarak kullanabilen Spirulina dır. CO 2 su içerisinde, ph, sıcaklık ve besin elementlerinin konsantrasyonlarına bağlı olarak aşağıdaki formlarda bulunur. Birçok kültür ortamında tamponlama sistemi zayıftır. Hızlı üreyen alglerde ortamdaki CO 2 veya bikarbonatın hızlı asimilasyonu, algler tarafından ortama OH - iyonlarının salgılanmasından dolayı, yukarıdaki denklem sonucunda ph artışına neden olur. Yoğun kültürlerde ph, kültürü yapılan algin optimum değerleri arasında tutulması ve ortamdaki karbonun tükenmesini engellemek için dengelenmelidir (Becker, 1995) Besin Mikroalglerin fototrofik üretimlerinde gerekli olan besinler, makro elementler, mikro elementler ve vitaminlerdir. Her türün üretiminde, farklı konsantrasyonlarda çeşitli maddelere gereksinim duyduğu bilinen bir gerçektir. Mikroalgin gereksinimi çevresel ve fizyolojik parametrelere bağlı olduğundan, uygun ortam kompozisyonunun belirlenmesi yoğun çalışma gerektirmektedir. Vonshak, 1986 ya göre, algal üretim için besin ortamlarının geliştirilmesindeki faktörler aşağıda özetlenmiştir. Toplam tuz konsantrasyonu. (Algin orijinal biyotopuna bağlıdır.) Karbon kaynağı. (Algal biyokütlenin %50 si karbondan oluştuğundan dolayı, iyi bir üretim için yeterli miktarda karbon sağlanması, hayati önem taşır. Karbon, inorganik substrat olarak, gaz CO2 ya da bikarbonat formunda sağlanır. Organik karbon kaynağı olarak genelde şekerler ya da asetat kullanılır.) Uygun ve ekonomik azot kaynağı seçimi. (Nitrat, amonyak ve üre en çok kullanılan azot kaynakları olup, türe ve optimum ph ya bağlıdır. Azot, algal biyokütlenin

18 6 %10 undan daha fazlasını oluşturduğundan, en önemli elementlerdendir. Azot kaynağındaki değişim algin metabolik yollarını üzerinde etki gösterir ve sonuçta organizmanın kompozisyonu değişir.) Potasyum, magnezyum, sodyum, sülfat ve fosfat gibi diğer majör elementlerin konsantrasyonu. Ortamın ph değeri. (Bazı majör elemntlerin çökelmesini önlemek için, genellikle nötral değerler kullanıllır.) Ortamda bulunması zorunlu iz elementler. (Genellikle az miktarlarda bulunması gerektiği için, stok çözeltileri hazırlanır. Bazı elementlerin, özellikle demirin, çözünürlüğünü arttırmak için EDTA gibi şelatlayıcı ajanlar kullanılır.) Organik bileşenlerin ve büyümeyi destekleyici maddelerin ilavesi. (vitaminler, hormonlar vb.) Teorik olarak, mikroalgler ve siyanobakteriler, ototrofik, heterotrofik ve miksotrofik (fotoheterotrofik) olarak yaşayabilmekle birlikte, her türün endüstriyel üretiminde tüm bu beslenme çeşitleri kullanılamayabilir (Borowitzka, 1999; Becker, 1995) ph Mikroalg ve siyanobakterilerin üretimine etki eden diğer bir parametre ise ph dır. Her tür, spesifik olarak belirli bir ph aralığında üreyebilir. ph, bir çok alg türünün kültüründe, 7-9 aralığındadır. Optimum aralık ise 8,2-8,7 arasında değişir. Kültür için uygun ph nın sağlanamaması, hücrelerin parçalanarak içeriğinin ortama geçmesine ve kültürün ölümüne yol açar. Bu sorun kültürün havalandırılmasıyla aşılır. Çok yoğun kültürlerde, zamanla ph artışı meydana gelir. Bu durumda ph dengesi, havalandırma/karıştırma kısmında anlatıldığı gibi uygun miktarlarda eklenen CO2 ile uygun aralıkta tutulur (Coutteau, 1996). 2.3 Mikroalg Üretim Sistemleri Mikroalgal üretimlerin verimlerini arttırmak için fizyolojik ve teknolojik gelişmeler doğrultusunda çalışılmaktadır. Mikroalg üretimlerinde ticari başarının sağlanması ve etkili kültür sistemleri için besinlerin optimal kullanımı, ışığın kullanımı ve ürünlerin etkili üretimi yanında ekonomik üretim teknikleri de göz önünde bulundurulmalıdır. Uzun bir süredir mikroalg üretimleri doğal veya yapay kaynaklardan sağlanmıştır. Alg üretimi dünya genelinde 5 milyar $ lık bir pazar oluşturmuştur.

19 7 Çizelge 2.2 Miksotrofik olarak üretilebilen ticari önemi olan algler (Lee, 2001). Mikroalg Organik karbon kaynağı Kaynak Anabaena variabilis fruktoz, glikoz Pearce & Carr, 1969; Valiente et al., 1992 Brachiomonas submarina asetat Tsavalos & Day, 1994 Chlorella minustusa metanol Kotzabasis et al., 1999 Chlorella regularis asetat Endo et al., 1977 Chlorella sorokinianna glikoz Lee et al., 1996 Chlorella vulgaris glikoz Ogawa & Aiba, 1981 Chrococcum sp. Asetat, fruktoz, glikoz, maltoz, Yayınlanmamış veri manoz Cylotella cryptica gliserol, glikoz Wood et al., 1999 Euglena gracilis gliserol Tani & Tsumura, 1989 Haematococcus pluvialis asetat Kobayashi et al., 1992 Nannochloropsis CCAP879/5 gliserol, glikoz Wood et al., 1999 Nannochloropsis CCAP211/78 gliserol Wood et al., 1999 Navicula saprophila asetat Kitano et al., 1997 Nitzschia sp. asetat Kitano et al., 1997 Phaeodactylum tricornutum gliserol Garcia et al.,2000 Rhdomonas reticulata gliserol, glikoz Wood et al., 1999 Rhdomonas salina asetat Kitano et al., 1997 Scenedesmus acutus glikoz Ogawa & Aiba, 1981 Scedesmus ablquus metanol Kotzabasis et al., 1999 Mikroalgler gezegenin ekolojisinde önem taşıyan ilk biyolojik CO 2 /O 2 dönüştürücüleri olmalarının yanında ürünleriyle de benzersiz ve değerli mikroorganizmalardır. Günümüzde kültür sistemleri ticari olarak 10 2 litre kapasiteden litrelerdeki büyük kapasitelere ulaşabilmektedir. Örneğin kültür balıkçılığında yem için gerekli mikroalgler lt lik polietilen torbalarda veya lt lik cam fiber transparan silindirlerde, genelde oda koşullarında yapay aydınlatma ile veya açık havuz ve tanklarda güneş altında üretilmektedirler. Bu tip özelleşmiş küçük çaplı (<1000 lt) sistemler dışında başlıca sistemler; büyük açık havuzlar, kültürlerin karıştırıldığı dairesel büyük havuzlar, raceway (kanallı) havuzlar ve büyük torbalardır. Diğer ticari büyük ölçek sistemleri arasında çeşitli mikroalglerin üretildiği tanklar, kaskatlı sistemler gibi farklı sistemler örnek olarak sayılabilir (Grobbelaar, 2000; Lee, 2001; Pulz, 2001; Tredici et al., 2000). Alg kültür sistemleri sirkülasyon mekanizmasına, ışık kaynağına ve ışığın sağlanış biçimine, havalandırma sistemine, yapım malzemelerine, ortam ile olan ilişkisine göre farklı

20 8 sınıflara ayrılan üretim sistemleridir. Örneğin ışık sağlanmasına göre, güneş ışığından yararlanan açık alan sistemleri veya kapalı oda koşullarında yapay ışık kaynaklarından yararlanan kapalı alan sistemleri olarak sınıflandırılabilir. Kültür sistemlerine genel olarak Fotobiyoreaktör denmektedir. Işık ile enerji ihtiyaçlarını sağlayan mikroalglerin ihtiyaç duydukları optimum koşulları sağlayan ve ışık geçişine izin veren sistemler olan fotobiyoreaktörler, Chisti, Molina ve ekibine (1998) göre potansiyel kontaminantlara karşı kültürü koruyan ve ortamı koşullarının tam kontrolüne izin veren üretim sistemleri olarak tanımlanır. Bu nedenle açık sistemlerin tanımlanmasında kullanılması yerine kapalı sistemler için tercih edilir (Chisti et al., 1999; Pulz, 2001). Üretim sistemleri genelde çevre ile olan ilişkilerine göre sınıflandırılır. Bu sınıflandırmaya göre kültür ortamının dış etkilere açık olduğu açık sistemler ve ortamın tamamen dış çevreyle ilişkisinin kesildiği kapalı sistemler mevcuttur. Bu temel fiziksel ayrım, en uygun koşulların sağlanması için ortaya çıkan farklı tasarımlar sonucunda oluşmuştur (Borowitzka, 1997; Torzillo and Vonshak, 2003; Vonshak et al. 1996). Sistemlerin tasarımında kültür ortamının seçilen alg ihtiyacına uygunluğu, sıcaklık, besin kaynağı, çevresel etkiler, üretilen türün özellikleri, kontrol mekanizmalarına olan gereksinim ve özellikle dış ortamda kurulu olan sistemler için güneş ışığından yaralanma gibi faktörler rol oynamaktadır. Bu nedenle temelde sistemlerin: yeterli ve verimli ışık sağlanması ve ışıktan maksimum yararlanılması, kütle ve gaz kayıplarını minimum seviyelere indirilmesi, kültürü yıpratan ve metabolizmasını inhibe eden fotosentetik O 2 sistemden uzaklaştırılması, ölçek büyütmeye uygunluk bakımından kültür gereksinimini sağlanması, açısından dikkatle seçilmeleri gerekmektedir (Chisti et al., 1999; Iversen et al., 1998; Ogbonna et al. 1997). Açık sistemler mikroalgal kültür sistemleri içinde en basit ve temelde mikroalglerin doğal yaşam ortamlarına benzer koşulların sağlandığı sistemlerdir. En büyük üstünlükleri çok basit işletimleri ve ucuz maliyetleridir. Bu nedenle ilk ticari üretim çalışmaları kapalı sistemlere odaklanmış olsa da, günümüzde büyük çaplı üretimler yapan işletmelerin hemen hepsi açık sistemleri kullanmaktadırlar. Kapalı sistemlerin maliyetli oluşları, ölçek büyütmede hassas oluşları ve özellikle yapay ışıklandırmalı sistemlerde enerji maliyetlerinin fazla oluşu

21 9 açık sistemlerin halen yaygın olarak kullanılmasının nedenleri arasındadır (Becker, 1995; Borowitzka, 1999). Açık sistemlerin temel tipleri; sığ büyük havuzlar, tanklar, dairesel havuzlar, raceway (kanallı) havuzlar, kaskatlı havuzlar olarak özetlenebilir. Sistem seçimi algin özelliklerine, yerel iklime, maliyete (toprak ve su) bağlıdır. Açık sistemlerde mikroalg kültürlerinden biyokütle veya biyolojik maddelerin elde edilmesinde üretimin açık havuzlarda yapılmaya başlanması özellikle II. Dünya Savaşı sonrasında hız kazanmış ve halen ABD, Japonya, Tayvan ve Endonezya gibi ülkelerde devam edilmektedir. Örneğin Avustralya lı Dunaliella salina üreticisi Betatene ltd. 250 ha lık büyük alanlarda Whyalla ve Hutt lagununda karıştırma olmadan rüzgâr sayesinde üretim yapmakta, arazinin ucuz oluşu ve suyun denizden sağlanarak ek maliyetlerden kurtulması ile işletme önemli avantajlar sağlamaktadır. Diğer yandan Ben-Amotz a (1995) göre ABD de ve İsrail de Dunaliella üreticileri arazi daha pahalı olduğundan raceway havuzlarda üretim yapmaktadırlar ve deniz suyu gibi bir alternatif olmadığından ortam için gereken kimyasallar ek maliyeti arttırmaktadır. Bunlardan anlaşılacağı gibi havuzların arazi maliyetleri ve hacimleri minimize edilirken ve hücre yoğunluğu maksimize edilecek şekilde işletmenin seçim yapması üretimlerin ekonomik olması için şarttır (Borowitzka, 1999; Lee, 2001)

22 10 Çizelge 2.3 Farklı büyük-ölçekli alg üretim sistemlerinin karşılaştırılması (Borowitzka 1999). Sistem tipi Karıştırılmayan sığ havuzlar Tanklar Dairesel karıştırmalı Paletli kanal havuzlar Karıştırmalı tanklar (iç-dış aydınlatmalı) Hav kaldırmalı Torba Panel Tübüler (serpantin tip) Tübüler sistem (Biyocoil tip) Araştırma Çok yetersiz Yetersiz Vasat Vasat-iyi Oldukça uniform Genelde uniform Değişken Uniform Uniform Uniform Işık kullanma etkinliği Yetersiz Çok yetersiz Vasat- iyi Vasat- iyi Vasat- iyi İyi Vasat-iyi Mükemmel Mükemmel Mükemmel Sıcaklık kontrolü Yok Yok Yok Yok Mükemmel Mükemmel İyi (iç ortam üretimlerind e) Mükemmel Mükemmel Mükemmel Gaz transferi Yetersiz Yetersiz Yetersiz Yetersiz Düşükyüksek Yüksek Düşükyüksek Yüksek Düşükyüksek Düşükyüksek Alg üzerinde oluşan hidrodinami k stres Çok düşük Çok düşük Düşük Düşük Yüksek Düşük Düşük Düşükyüksek Düşükyüksek Düşükyüksek Tür kontrol ü Zor Zor Zor Zor Kolay Kolay Kolay Kolay Kolay Kolay Sterilite Yok Yok Yok Yok Kolay sağlanabilir Kolay sağlanabilir Kolay sağlanabilir Kolay sağlanabilir Sağlanabilir Sağlanabilir Ölçek büyüt me Çok zor Çok zor Çok zor Çok zor Zor Zor Zor Zor Mümkü n Kolay Kaynak Borowitzka and Borowitzka, 1989 Fox, 1983 Tamiya, 1957; Stengel, 1970; Weisman & Goebel, 1987; Oswald, 1988 Pohl et al., 1988 Jütter, 1977 Baynes et al., 1979 Hu et al., 1996; Tredici and Zitelli, 1997 Richmond et al., 1993; Torzillo, 1997 Borowitzka, 1996

23 Açık sistemler Açık sistemlerin avantajlarının yanında bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Özellikle üretim havuzların önemli bir kısmı iklimsel olarak tüm yıl boyu üretimi sağlayamayacak bölgelerde kurulmuştur. Bu nedenle üretimin verimi yıl içinde farklılıklar göstermekte ve üretimin tüm yıl boyu yapılamaması işletme giderlerinin karşılanmasında sorun çıkarmaktadır. Sistemlerin buharlaşma kayıpları, atmosfere CO 2 kayıpları, kontaminasyon ve kirlilik riskleri diğer sorunlarıdır. Ayrıca teknik olarak ışık kullanımının verimi için kültür sisteminin derinliğinin çok fazla olmaması gerektiğinden açık sistemlerin kapladıkları alanlar büyüktür. Uç noktalardaki kültür koşullarında (yüksek tuzlu, yüksek ph değerlerinde veya yüksek besin içerikli) yaşayan mikroalgler başarıyla açık kültür sistemlerinde yetiştirilmiştir. Örneğin Dunaliella yüksek tuz konsantrasyonlarında, Spirulina yüksek ph değerlerinde, Chlorella yoğun besin içeren ortamlarda yaşayabildiklerinden biyolojik kontaminantlardan korunarak açık sistemlerde başarıyla üretilmektedirler. Fakat seçici ortamlarda yaşamayan mikroalglerin açık sistemlerde verimli üretimleri çok zordur. Günümüzde özellikle ilaç ve kozmetik endüstrisindeki uygulamalarda önem taşıyan mikroalg ürünlerinin belirli kalite ve saflıkta olması ihtiyacı açık sistemlerdeki üretimlerde yakalanamayan yüksek standartlar içermektedir (Borowitzka and Borowitzka, 1992; Lee, 2001; Fox, 1996; Moraes et al., 2002) Açık havuzlar Açık havuzlar mikroalg üretiminde kullanılan açık sistemlerdir. Derinlikleri uygun ışık ihtiyacını sağlayacak şekilde ayarlanır, içleri kültürü yapılacak algin özelliklerine göre gereken ortamla doldurulur. Genelde betonarme veya plastik duvar ve tabanlıdır. Farklı şekillerde tasarlanmış örnekleri vardır. Bazı durumlarda sıcaklık dengesi, ışık kontrolü ve kontaminasyon risklerinin azaltılması amacıyla boyutları izin verirse üstü plastik gibi materyallerle kapatılır. Japonya ve Tayvan da 45 metre çaplı dairesel havuzların üstü camdan kubbelerle örtüldüğü işletmeler bulunmaktadır. Gerekli durumlarda karıştırmanın sağlanması amacıyla karıştırıcı sistemleri de eklenebilmektedir. En yaygın şekli dairesel havuzlu ve karıştırma sistemli olanlardır. Sosa Texcoca Meksika da Spirulina maxima üretiminde başarılı olmuş Carocal sistemi 3200 metre çapında ve 900 hektar Alan kaplayan büyük bir dairesel açık havuz sistemidir. Özellikle yem amacıyla üstü açık basit tanklarda yapılan üretimlerde havuz sistemlerine örnek gösterilebilir. Tanklar farklı boyutlarda olabilirler fakat

24 12 özellikle uygun ışık sağlayacak şekilde transparan ve toksik etkisi olmayan materyallerden yapılmalıdırlar (Becker, 1995; Borowitzka, 1999; Cohen, 2000; Lee, 2001) Raceway (kanallı) havuzlar Bu tip sistemler dikdörtgen havuzlardan oluşmaktadır. Richmond a (2000) göre cm derinlikte metrekare alanları kaplayabilen büyük havuz sistemleridir. Kültür palet şeklinde bir karıştırırcı ile havuz boyunca hareket ettirilerek gereken karıştırma sağlanmaktadır. Ticari üretimlerde yaygın olarak tercih edilmektedirler, açık havuzlara göre daha iyi karıştırma sayesinde üretimlerin verimleri artmaktadır. Raceway havuzlar İsrail ve ABD, Çin, İspanya ve diğer ülkelerde kullanılmakta ve yüksek konsantrasyonlarda üretim gerçekleştirilebildiğinden, maliyetler aşağı çekilebilmektedir. Özellikle gaz transferinin arttırılması için üreticiler özel dağıtıcı sistemleri bu havuzlarda kullanmaktadırlar (Becker, 1995; Cohen, 2000; Jimenez et al., 2003; Pulz, 2001). Şekil 2.1 Raceway havuzlar Kaskatlı havuzlar Kaskatlı havuzlar belli eğimlerde yapılan havuz sistemleridir. Bu sistemlerde amaç eğim sayesinde yukarıdan aşağıya doğru akış sağlayarak kültürün gerekli ışık ve gaz ihtiyacını gerçekleştirmesine zaman vermektir. Daha sonra alt bölüme gelen ortam pompalar yardımıyla sisteme geri beslenerek dönüşüm sağlanır. Yerçekimi sayesinde sistem hareketi sağlanmış olur. Bu sistem 1960 lı yıllarda Çek Cumhuriyetindeki Trebon da ortaya çıkmıştır. Setlik ve Malek in (1970) çalışmalarıyla sistem geliştirilerek verimi arttırılmıştır. Fakat Trebon daki bu sistemin kuruluşu maliyetlidir çünkü sistemin eğimli tabanının cam gibi şeffaf materyallerden olması gerekmektedir. Bu da büyük alanlardaki üretimler için ekonomik değildir. Halen maliyetlerin aşağı çekilebilmesi için daha basit bir sistem kuruluşu için uygun malzemeler aranmaktadır. Proje partnerimiz Giuseppe Torzillo Çek cumhuriyetinde bu çalışmayı yapan grupla ortak çalışmalar içindedir. Bizim bu proje kapsamında tasarladığımız

25 13 ondüleli sistemin Çek Cumhuriyetindeki grupla geliştirilmesi proje bitiminde yapılması planlanan önemli bir gelişmedir. Hesaplamalar kaskatlı havuzların, eğer daha güneşli ve daha sıcak bir bölgede ekonomik malzemelerle kurulmaları durumunda, paletli raceway havuzlarla rekabet edebileceklerini göstermiştir. Benzer bir sistem Batı Avustralya da Dongara yakınlarında Chlorella üretimi için eğimli, plastikten yapılmış, birkaç yıl işletimde kalmıştır. Ortalama 25 gr/m 2 gün üretime ulaşılmış ve yarı sürekli şekilde tüm yıl boyunca uygun ikimde üretim geçekleştirilmiştir, fakat ölçek büyütmedeki teknik sorunlar bu işletmenin kapanmasına neden olmuştur (Becker, 1995; Borowitzka, 1999) Kapalı sistemler Kapalı sistemler ve genel tanımlarıyla Fotobiyoreaktörler açık sistemler gibi yaygın kullanılan diğer üretim sistemleridir. Bu sistemlerde mikroalg kültürünün dış ortamla ve atmosferle ilişiği kesilmiştir. Kapalı sistemler yani fotobiyoreaktörler özellikle gelişen endüstriyel pazarların ihtiyaç duyduğu pigmentler, polisakkaritler gibi değerli mikroalgal ürünlerin eldesinde kullanılmaktadırlar. Fotobiyoreaktörler tam kontrollü bir ortam sağladıklarından dış ortamdan gelebilecek kontaminasyon, farklı mikroorganizmaların ortama karışma riskine karşı koruyucu bir kalkan sağlarlar. Ancak tam kontrollü çalışmaya uygun fotobiyoreaktörler genelde çok özel üretimlerde kullanılmaktadır, ticari üretimlerde amaç ortam koşullarını optimum seviyede tutabilecek, tek algal hücre (monoalgal) kültürünü sağlıyacak esneklikte çalışılan sistemlerdir. Bunun yanında seçici ortamlarda yaşamayan mikroalglerin üretimlerinde fotobiyoreaktörlere ihtiyaç duyulmaktadır. Fotobiyoreaktörler genel olarak karşılaşılan önemli sorunların çözülmesini sağlayacak şekilde tasarlanmaktadırlar. Üretimlerin en verimli şekilde gerçekleşmesi için gereken: Etkili ışık kullanımı ve bunu sağlayacak yüzey hacim oranı, Yüksek yoğunluktaki kültürlerle çalışma imkanı, Yüksek alansal ve hacimsel üretim, Dengeli, kaliteli ve sabit bir üretim sağlama, Diğer türlerce oluşturulabilecek kontaminasyon riskinin önlenmesi, Yüksek oranda CO 2 transferine izin verilmesi ve en az miktarda CO 2 kaybı, Dış alanlarda kurulduğunda en üst seviyede güneş enerjisinden yararlanma ve biriken oksijenin hızla uzaklaştırılmasını sağlama,

26 14 koşullarını gerçekleştirebilecek kapasitede olmasıdır (Olaizola, 2003; Pirt et al. 1983; Torzillo and Vonshak, 2003). Tanklar, plastik torbalar gibi basit ilk nesil fotobiyoreaktörler üretimlerin arttırılması ve ölçek büyütülmesi çalışmaları sırasında kısa zaman içinde pek çok önemli sorunlar açığa çıkarmıştır. Çünkü lt lik hacimler ışığı etkin kullanma özelliklerini artan hacimle kaybetmektedir. Bu sorunun giderilmesi için, su altı aydınlatma, optik fiberlerle kültür içi aydınlatma gibi değişik teknik yaklaşımlar denenmiştir lardan bugüne türlerin etkin ışık almaları için önemli olan ışık yolu, derinlik, turbulans ve O 2 çıkışı gibi parametreler önem kazanmıştır. Bu parametrelerin önem kazanması ve daha dikkatli çalışılması ile artık fotobiyoreaktör sistemlerinin en kısa ışık yolunu sağlayacak şekilde tasarlanmalarına veya en verimli üretimin gerçekleştiği akış hızı ve karakterine izin verecek tasarımları olmasına özen gösterilmektedir. Kapalı sistemlerin çok farklı tasarımları test edilmeye ve çalışılmaya başlanmıştır. Tasarımların gelişmesiyle farklı mikroalglerle çalışma esnekliğinde fotobiyoreaktörler işletilmeye başlanmıştır (Borowitzka, 1999; Pulz, 2001; Watanabe and Hall, 1996). Yıllar içindeki çalışmalar sonucunda ticari olarak üretime geçirilen iki temel tasarım tipi ortaya çıkmıştır, bunlar tübüler sistemler ve panel sistemlerdir. Tüm bu tasarımlardaki temel kural ışık yolunu azaltmak ve böylece gerekli ışığın tüm hücrelere ulaşmasını sağlamaktır. Ayrıca bu sistemler iyi karıştırma sağlayarak ışığın dağılımını ve gaz transferini optimum koşullarda sağlayabilmektedirler. Örneğin Almanya Elbingerode de Chlorella kireç fabrikasından sağlanan CO 2 kullanılarak üretilmektedir, Potsdam da ise Spirulina üretimi fotobiyoreaktörlerde gerçekleştirilmektedir. Ayrıca Hawaii ve İsrail de Haematococcus üretiminin gerçekleştirildiği ticari fotobiyoreaktörler başarıyla işletilmektedir (Borowitzka, 1999; Pulz, 2001; Torzillo and Vonshak, 2003). Laboratuvar çapında yapılan denemelerde çalışılan mikroorganizmaların fizyolojileri hakkında bilgi edinilerek, yapılan basit üretimlerde karşılaşılan sorunlar ve çözümlerini bulmak için yapılan araştırmalar doğrultusunda fotobiyoreaktörlerin tasarımları geliştirilmekte ve üretimlere uygulanmaktadırlar. Bu çalışmalar sistemlerin geliştirilmesi ve uygulanması yeni kültürlerin çalışılması, uygun ortamlarının incelenmesi ve endüstriyel çapta yeni sistemlerin tasarlanmasında rol oynamaktadır. Örneğin Chroococcus minutus ve Nostoc insulare ile yapılan bir tasarım çalışmasında önemli EPA (exopolysakarit) üreticileri olan bu mikroalglerin farklı destek dokularında immobilizasyonla üretimleri incelenmiştir. Poliüretan köpük, gözenekli polietilen tabakalar (HDPE, yüksek yoğunluklu polietilen), beyaz lifli

27 15 naylon yünü ve normal havlu denenmiş. Denemeler sonunda en uygun verim pamuklu havluda gözlenmiştir. Spirulina platensis le katı kültür çalışmaları da yapılmıştır (Pelizer et al., 2003). Haslea ostearia ile yapılan çalışmlalarda ultrafiltrasyon membranı kullanılan serbest hücre sistemi ve agar jel tabakası ile oluşturulan immobilize hücre sistemi kullanılan iki farklı fotobiyoreaktörün pigment üretimine göre verimleri incelenmiştir (Rossignol et al., 2000). Ayrrıca çeşitli özel kaplarda da mikroalg üretimleri denenmiştir (Knutsen and Skjanes, 1999). Bu gibi çalışmalar ilginç sonuçlarının yanısıra farklı tasarımlara da öncülük edecek bilgilerin toplanmasında önem taşımaktadır. Bu nedenle laboratuvar çalışmalarından büyük işletmeler kadar tasarım bir bütün olarak ele alınmalıdır (Pohl et al., 1997; Tsygankov, 2000) Tübüler fotobiyoreaktörler Tübüler fotobiyoreaktörler temel tasarımları itibariyle üç ana üniteden oluşmaktadırlar, kültür ortamını içinde bulunduran tüplerden oluşmuş kısım, sistem içinde biriken gazın atılmasını sağlayan degazör ünitesi ve sirkülasyonu gerçekleştiren pompa sistemidir. Temel tasarım amaçları diğer fotobiyoreaktör sistemlerinde olduğu gibi en üst düzeyde ışıktan yaralanma ve optimum koşulların sağlanmasıdır. Tübüler sistemler güneş ışığını en iyi şekilde kullanmak için yatay veya dikey konumlandırılabilirler. Ayrıca tüpler düz, kıvrımlı veya halkasal yapıda olabilirler (Molina, 2000; Pirt et al. 1983). En yaygın kullanılan çeşidi yatay tüplerden oluşan fotobiyoreaktörlerdir. Tüpler yatay konumda yerleştirilerek ışık kollektörü olarak maksimum ışık tutulması ve minimum yer kaplama esasına göre tasarlanmaktadırlar. Ancak tip sistemler CO 2 kullanımında verim ve optimum koşulları sağlamakla beraber sistem hatları içindeki karanlık bölgeler nedeniyle özellikle tabanlarındaki hücrelerin ışık almasında bazı sorunlarla karşılaşılmaktadır. Bu sorunu çözmek için farklı kültür hızları, tüp şekilleri ve tüp dizilişleri kullanılmaktadır (Watanabe and Hall, 1996). Tüpler tek sıra halinde, üst üste ve hatta dikey olarak yerleştirilmektedir. Tübüler fotobiyoreaktörlerde dikkat edilmesi gerekenler: Üretilecek mikroalgin özelliklerinin belirlenmesi, Uygun özelliklerde tüp seçimi, Sistemin kurulacağı bölgenin iklim ve yer şekil özellikleri, Sirkülasyon sisteminin belirlenmesi, şeklinde sıralanabilir (Pirt et al., 1983; Pulz, 2001; Torzillo and Vonshak, 2003).

28 16 Pirt ve ekibi iç çapı 1 cm olan ve 52 m uzunlukta cam tüplerden yaptıkları tübüler fotobiyoreaktörü tasarlayarak Chlorella türü bir yeşil alg ile 3 heterotrofik bakteri türünden oluşan ve optimum yaşam koşulları 37 C, ph 6,5 olan Consortium MA 003 olarak adlandırılan bir kültür örneğiyle çalışmışlardır. Sirkülasyonu hava kaldırmalı sistem ile sağlamışlardır. Küçük çaplı tüplerin avantajı olarak maksimum biyokütle konsantrasyonlarını yükseltmesini göstermişlerdir. Çünkü belirli bir büyüme hızı ve ışık şiddetinde biyokütle konsantrasyonunun çapla ters orantılı olduğu gözlemlenmiştir. Yüksek biyokütle konsantrasyonu ayırma işlemlerinin maliyetini düşürdüğü için de avantaj sağlamaktadır. Sistemde pompa yerine hava kaldırmalı sistem kullanılarak pompalardaki mekanik parçaların hareketiyle vereceği zararlar ve gerilme kuvvetleri bertaraf edilmiştir (Pirt et al., 1983). Thalia Pharceuticals Co. nun pilot üretim yaptığı, beyaz halojen lambalarla 500 μe/m 2 sn ışık sağlanan 2,4 cm iç çaplı tüplerden oluşan 50 lt lik tübüler fotobiyoreaktörde Porphyridium purpureum ile 25 o C de kontrollü ortam sağlanarak üretimler yapılmıştır. 84 metre tüp uzunluğu olan sistem, kıvrılmış borulardan oluşan bir 2,5 m. yüksekliğinde dik bir sarmal sistemdir (Baqueriesse et al., 1999). Tüplerin farklı şekillerde yerleştirilmesiyle gerekli türbülans sağlanarak üretimlerde verim artışı üretimlerde yakalanabilmektedir. Örneğin Spirulina platensis ile yapılan bir üretimde farklı hat sayısında üst üste sinüs eğrisi şeklinde yerleştirilen PVC tüplerden oluşan fotobiyoreaktörde verim düz borulara göre daha fazla olmuş ve bunun yanında dik şekilde yerleştirilen tüpler sayesinde ışık kullanımı optimum seviyelerde olmuştur (Carlozzi, 2000). Spirulina platensis Geitler (M2) suşu ile 35 o C sıcaklık ve 9.4 ph değerinde tübüler sistemle dış ortam üretimlerinde 5 cm çaplı cam tüpler kullanılmıştır. Kültür üzerinde oksijen ve ışığın etkisi incelenmiştir, 1.4 gr kuru kütle/lt ile yapılan üretimlerde fotoinhibisyon sorunu aşılmıştır (Vonshak et al., 1996). Yine Spirulina platensis M2 suşu ile yapılan bir denemede cam tüplerden oluşan iki fotobiyoreaktörden biri U şeklinde kıvrımlı tüplerden diğeri ise düz tüplerden oluşturulduğunda sert kıvrımlı tüpteki düz olanlara göre farklılıklar gözlemlenmiştir. Kıvrımlı sisteme giren akış kıvrıma geldiğinde merkez kaç kuvveti ile kıvrım merkezinden uzaklaşır, böylece tüp merkezine yakın olan bölümde duvara yakın kısma göre daha yüksek hızlara ulaşmaktadır. Düz sistemde üretim laminar akıştan türbülanslı akışa geçildiğinde % 29 luk bir artış sağlanmakta iken kıvrımlı sistemde % 39 luk bir artış sağlanmıştır. Fakat akış hızı yüksek değerlerde ulaştığında kültürde fazla türbülanstan dolayı oluşan stres nedeniyle yüksek hızlarda her iki sistem için üretimde düşüş olmuştur. Bu sayede kıvrımlı bir tüp sistemi Spirulina kültürü için kullanıldığında üretim artışı sağlanmıştır, benzer