2. KAYNAK ÖZETLERİ
2.9 Mikroalg Lipitlerinin Hammadde Olarak Kullanıldığı Çalışmalar
29
zincirlerin bulunmuyor olması bu hammaddeden üretilecek biyodizelin yüksek kalitede olacağını göstermektedir.
30
araştırmalarda tercih edilmektedir. Bunlara alternatif olarak Synechocystis sp. gibi fotosentetik siyanobakteriler de dikkat çekmektedir.
Algler depo maddesi olarak yüksek miktarda lipit içerebilirler fakat bunu stres koşullarında ve yavaş gelişiyorken yaparlar. Bu durumun aksine siyanobakteriler lipitleri, yüksek oranda fotosentez ve yüksek gelişme hızıyla ilgili olan tilakoid membranlarında biriktiriler. Bu yüzden fotosentetik bakteriler yüksek miktarda lipit üretimi için idealdirler. Üstelik siyanobakteriler, genetik manipülasyonlarla lipit üretim kapasitelerinin iyileştirilmesine ökaryotik alglerden daha uygundur. Örneğin, Vermaas yaptığı çalışmada (1998) Synechocystis sp. siyanobakterisinin mutantını oluşturarak lipit içeriğini %50’ye çıkarmıştır (Rittman, 2008).
Scragg vd. (2003) yaptıkları çalışmada; Chlorella vulgaris gibi 5-10 mikrometre çaplı bazı tek hücreli aglerin emülsiyon bir yakıt olabileceklerini göstermişlerdir. Modifiye edilmemiş tek silindirli dizel bir makinede denenen emülsiyon, transesterifikasyona uğratılmış kanola yağı, sürfektant ve C. vulgaris hücrelerinden oluşan bir bulamaçtan oluşmaktadır. Oluşturulan yakıtın yanması ve emisyonu incelendiğinde dizel yakıtla kıyaslandığında CO miktarının yüksek (1904 ppm), NOx emisyonunun ise daha düşük (239 ppm) olduğu bildirilmiştir. Dizel yakıtın viskozitesi 2.6 cP iken alg bulamaçı ve biyodizel karışımından oluşan emülsiyonun viskozitesi 490 cP olarak bildirilmiştir.
Yakıt tüketimi, ısıl değer ve yakıt kullanımı dizel motorda sırasıyla 0.78 l/saat, 43.3 kJ g-1, 33.8 kJ/saat iken, %80 biyodizel+%20 alg bulamaçından oluşan yakıtın tüketimi, ısıl değeri ve yakıt kullanımı 1.06 l/saat, 31.6 kJ g-1, 33.5 kJ/saat olarak bulunmuştur.
Xu vd. (2006) gerçekleştirdikleri çalışmada, Chlorella protothecoids mikroalg hücrelerini hetetrofik olarak geliştirmişler ve en yüksek lipit içeriğini %55.2 olarak bulmuşlardır. Fermentörde büyük ölçekle geliştirdikleri hücrelerden n-kekzan ile lipit eksktrakte etmişlerdir. Elde ettikleri lipitleri asidik bir katalizörle transesterifikasyona uğratarak biyodizele dönüştürmüşlerdir. Oluşturdukları biyodizel 0.864 kg L-1 yoğunluğunda üst ısıl değere (41 MJ kg-1) ve 5.2x10-4 Pas (40 ºC) viskozite değerine sahiptir.
31
Literatürde yapılan çalışmalar genellikle ökaryotik mikroalglerin lipit içeriklerini belirlemeye yöneliktir. Fakat son iki yılda yapılan çalışmalar yukarıda bahsedilen özelliklerden dolayı mikrobiyel biyodizel yapımında siyanobakterilerin kullanımının daha avantajlı olduğunu düşündürmesine rağmen literatürde konuyla ilgili çalışma bulunmamaktadır.
Samorì vd. (2010) yaptıkları çalışmada, Botryococcus braunii mikroalginin hücresinde biriktirdiği yağı farklı solventler kullanarak ekstrakte etmişlerdir. Bu amaçla sıvı alg kültürlerinde n-hekzan ile yaptıkları lipit ekstraksiyonunda mikroalgin %5.6 lipit biriktirdiğini ancak solvent olarak 1,8-diazabicyclo-[5.4.0]-undec-7-ene maddesini kullandıklarında bu oranın %8.2’ ye çıktığını bulmuşlardır. Aynı alg kültürünün dondurularak kurutulmuş örneklerinde n-hekzan ekstraksiyonu ile %7.8, 1,8-diazabicyclo-[5.4.0]-undec-7-ene ekstraksiyonu ile %16 lipit verimi elde etmişlerdir.
Çalışmada azot kaynağı olarak 0.2 g/L KNO3 kullanmışlardır.
Converti vd. (2009) yaptıkları çalışmada, sıcaklığın Nannochloropsis oculata ve Chlorella vulgaris hücrelerinin lipit içeriği üzerine etkisini 14 günlük inkübasyon süresi sonunda belirlemişlerdir. Ortam sıcaklığı 20 ºC’den 25 ºC’ye çıkarıldığı zaman N.
oculata lipit içeriğinin %7.90’dan %14.92’ye çıktığı, 25 ºC’den 30 ºC’ye çıkarıldığında ise C. vulgaris hücrelerinin lipit içeriğinin %14.71’den %5.90’a düştüğü gözlemlenmiştir. Elde ettikleri lipitin metanol ile transesterifikasyonu sonucunda her iki mikroalg hücresinde de yüksek miktarda palmitik asit (tüm lipitin yaklaşık olarak %60 mol/mol) varlığını göstermişlerdir. Araştırıcılara göre C. vulgaris hücrelerinde linolenik asit miktarı Avrupa biyodizel yönetmeliğinin standartlarını taşımakta fakat N. oculata hücrelerinden sağlanan linolenik asite ek işlem uygulanması gerekmektedir.
Morowwat vd. (2010) yaptıkları çalışmada biyodizel üretiminde hammadde olarak kullanılmak üzere çeltik tarlasından Chlamydomonas mikroalgi izole etmişlerdir.
Hücreler durgun faza ulaştıktan sonra lipit ekstraksiyonları yapılmıştır. Ekstrakte edilen lipitler esterifiye edilmiş ve gaz kromotografi cihazında yağ asidi metil esterlerine bakılmıştır. İzole edilen suşta toplam yağ asidi içeriği %25 olarak belirlenmiştir. Başlıca yağ asidi dağılımı %9.8 dokosanoik asit, %6.6 tetradekanoik asit, %8.3 tetrakosanoik
32
asit, %12.3 eikosanoik asit, %19.1 heneikosanoik asit, %8.1 nonanoic asit, %4.2 dodekanoik asit, %5.6 heksadekanoik asit, %5.4 pentadekanoik asit olarak bulunmuştur.
Araştırıcılar çeltik tarlasından izole ettikleri için bu mikroalgin gelişimi için ucuz ve basit bir besiyeri olduğunu ve Chlamydomonas sp. nin biyodizel üretiminde hammadde olarak kullanımını belirtmişlerdir.
Lee vd. (2010) yaptıkları çalışmada; Botryococcus sp., Chlorella vulgaris, ve Scenedesmus sp. hücrelerinden daha etkin şekilde lipit elde edebilmek için farklı yöntemlerle (otoklavlama, mikrodalga, sonikasyon ve %10 NaCl solüsyonuna maruz bırakma) hücreleri parçalamışlardır. Çalışmada BG-11 besiyerinde geliştirilen Botryococcus sp. hücreleri 14 gün, Chlorella vulgaris, ve Scenedesmus sp. hücreleri 7 gün süreyle inkübe edilmiştir ve bu hücrelerden 1:1 oranında kloroform: metanol solüsyonu ile lipit ekstraksiyonu yapılmıştır. Araştırıcılar lipit veriminin alg türüne ve ekstraksiyon yöntemine göre değiştiğini bulmuşlardır. Mikrodalga fırın yöntemi denenen tüm türlerde en yüksek lipit eldesini sağlamıştır. En yüksek lipit içeriği %28.6 olarak Botryococcus sp. hücrelerinden diğerlerinin yaklaşık iki kat oranında elde edilmiştir. Çalışmada, denenen her üç mikroalg hücresinin lipit içeriğinde de oleik ve linoleik asitlerin daha fazla görüldüğü bildirilmiştir. Oleik asit Botryococcus sp.
Chlorella vulgaris, ve Scenedesmus sp. hücrelerinde sırasıyla %55.7, %16.3 ve %57.2 iken, linoleik asit %34.2, %79.4 ve %36.8’dir.
Chinnasamy vd. (2010) halı endüstrisinden çıkan atık suyunu mikroalg hücrelerinin gelişimi ve biyodizel üretimi için kullandıkları çalışmalarında atıksuyundan 13 adet mikroalg izole etmişlerdir (Botryococcus braunii, Chlorella protothecoides, Chlorella saccharophila var. saccharophila, Chlorella vulgaris, Cricosphaera carterae, Dunaliella tertiolecta, Nannochloris oculata, Spirulina platensis, Spirulina maxima, Tetraselmis suecica, Tetraselmis chuii Phaeodactylum tricornutum, Pleurochrysis carterae). Bu mikroalglerden oluşan konsorsiyumun atıksuda bulunan besinin %96’dan daha fazlasını kullandıklarını göstermişlerdir. Oluşturulan bu konsorsiyumdan elde edilen lipitten %63.9 biyodizel verimi elde edilmiştir. Yapılan araştırmada izolasyon ve zenginleştirme çalışmaları için BG-11 besiyeri kullanılmıştır. Çalışmada Botryococcus braunii, Chlorella saccharophila, Dunaliella tertiolecta, Pleurochrysis carterae ve
33
mikroalglerden oluşan konsorsiyum gelişimleri ve lipit biriktirme kapasiteleri bakımından incelenmiştir. BG11, işlenmiş atıksu ve işlenmemiş atıksu besiyerlerinde geliştirilen Botryococcus braunii mikroalginin lipit konsantrasyonu sırasıyla %13.5,
%9.5, %13.2; Chlorella saccharophila mikroalginin lipit konsantrasyonu sırasıyla
%12.9, %17.0, %18.1; Dunaliella tertiolecta mikroalginin lipit konsantrasyonu sırasıyla
%12.8, %12.2, %15.2; Pleurochrysis carterae mikroalginin lipit konsantrasyonu sırasıyla %9.7, %11.8, %12.0; konsorsiyumun ise %10.9, %12.2, %12.0 olarak belirlenmiştir.
Çalışmada algal konsorsiyumun metil esterlerinin çoğunluğunu %15.47 oranında C18:3 (linolenik), %10.54 oranında C18:2 (linoleik), %20.62 oranında C16:0 (palmitik),
%10.58 oranında C18:1 (oleik) ve %6.47 oranında C16:1 (palmitoleik) asidin oluşturduğu görüşmüştür. Doymamış yağ asitlerinin oranı ise %65.8 olarak belirlenmiştir.
Damiani vd. (2010) yaptıkları çalışmada; 14 günlük inkübasyon süresi sonucunda metanol ile yapılan ekstraksiyonlar ile farklı stres koşullarının Haematococcus pluvialis mikroalginin lipit içeriğine ve kompozisyonuna etkisini araştırmışlardır. Çalışmada hücreler azot kaynağı olarak NaNO3’ün kullanıldığı Bold’s Bazal Medium’da geliştirilmiştir. Çalışmada azotun yeterli olduğu ortamda sürekli yüksek ışık şiddeti A stresi; azotun sınırlı olduğu ortamda sürekli yüksek ışık şiddeti B stresi olarak tanımlanmıştır. Strese maruz bırakılmayan kontrol hücrelerinde lipit konsantrasyonu
%15.61 iken; A stresine maruz bırakılan hücrelerde %34.85, B stresine maruz bırakılan hücrelerde %32.99 olarak belirlenmiştir.
Widjaja vd. (2009) yaptıkları çalışmada; Chlorella vulgaris mikroalginin lipit üretimine CO2, azot sınırlaması, inkübasyon süresi ve ekstraksiyon yöntemi gibi faktörlerin etkisini araştırmışlardır. Çalışmada azot kaynağı olarak NaNO3 kullanılmış ve hücreler modifiye edilmiş Fitzgerald besiyerinde geliştirilmiştir. Lipit analizleri sırasında kurutma sıcaklığının (0, 60, 80, 100 ºC) lipit kompozisyonunun yanı sıra lipit içeriğini de etkilediğini bulmuşlardır. Çok düşük sıcaklıkta vakum altında kurutmanın en iyi sonucu verdiğini, 60 ºC’de lipit kompozisyonunun değişmediğini ama toplam lipit
34
içeriğinin düşmeye başladığını bildirmişlerdir. Yüksek sıcaklıkta kurutulan hücrelerde triaçilgliserol içeriğinde azalma gözlenmiştir. Lipit analizi için hazırlanan örneklerin daha küçük toz haline getirilmesi ultrasonikasyon yönteminde lipit içeriğini ve ekstraksiyon süresini etkilememiştir. Ortamda CO2 konsantrasyonunun arttırılması hücre gelişimini arttırdığından lipit üretimini de arttırmıştır.
Hsieh ve Wu (2009) yaptıkları çalışmada; Chlorella sp. mikroalginin farklı ortam şartlarında lipit ve biyokütle üretimini araştırmışlardır. Kesikli sistemde 0.025 ve 0.2 g/L üre içeren Walne’s solüsyonu ve vitamin solüsyonu içeren yapay deniz suyunda 6 gün süreyle geliştirilen hücrelerde biyokütle konsantrasyonu ve lipit içeriği sırasıyla 0.464–2.027 g/L ve 0.661–0.326 g/g olarak bulunmuştur. En yüksek lipit prodüktivitesi 0.1 g/L üre içeren ortamda 0.124 g/dL olarak bulunmuştur.
Wang vd. (2010) yaptıkları çalışmada; bileşimindeki azot kaynağı NH4Cl olan Tris-Asetat-Fosfor (TAP) besiyerinde üretilen Chlorella mikroalginin gelişmesi için kullanılmış gübrenin besin olarak kullanılmasının etkinliği araştırılmıştır. Farklı oranlarda seyreltilmiş kullanılmış gübrenin hücre gelişim hızı, besin maddesinin kullanım etkinliği, algal yağ asidi içeriği ve dağılımı üzerine etkileri 21 günlük inkübasyon süresi boyunca araştırılmıştır. Daha az seyreltilmiş örneklerde gelişme hızının daha düşük olduğu görülmüştür. Yağ asidi dağılımına bakıldığında oktadekadienoik asit (C18:2) ve heksadekanoik asit (C16:0) lerin en fazla bulunduğu görülmüştür. C18:2 miktarı denenen tüm koşullarda %27.2 -%33.4 oranında; C16:0 ise
%20.6-%26.0 aralığında değişmiştir. Her iki yağ asidinin miktarı da daha seyreltilmiş oranlarda artmıştır. Seyreltme oranlarının arttırılmasıyla toplam yağ asidi içeriği
%9.0’dan %13.7’ye çıkarılmıştır.
Xin vd. (2009) gerçekleştirdikleri çalışmada atıksu arıtımını ve biyodizel üretimini aynı anda yapmak amacıyla Scenedesmus sp. LX1 mikroalgini evsel bir atıkta geliştirmişlerdir. Araştırıcılar inkübasyon süresinin 10. gününde ortamda azot miktarının azalmasına bağlı olarak mikroalgin lipit içeriğini %14’ten %31’e çıkardığı bildirmişlerdir. Çalışmada Scenedesmus sp. mikroalginin yanı sıra 11 adet farklı mikroalg hücresi (Chlorella vuglaris, Chlorella sorokiniana, Schizochytrium sp.,
35
Dunaliella primolecta, Spirulina platensis, Phaeodactytuum ericornutum, Isochorysis sp. Nitzschia hantzschiana, Cyclotella hebeiana, Botryococcus braunii, Botryococcus braunii) de bu amaç için denenmiştir. Fakat bu hücrelerin evsel atıkta geliştirildikleri zaman az biyokütle oluşturabilmiş ve ancak %24-%26 lipit içeriği gösterebilmişlerdir.
Chiu vd. (2009) yaptıkları çalışmada, CO2 havalandırmasının yarı sürekli kültür sistemi ile modifiye edilmiş yapay deniz suyunda geliştirilen Nannochloropsis oculata mikroalginin hücre gelişimine ve lipit birikimine olan etkisini araştırmışlardır.
Araştırıcılar farklı gelişme fazlarının hücrelerin lipit içeriğine olan etkisini araştırdığında, logaritmik fazdan durgun faza geçildiğinde lipit içeriğinin %30.8’den
%50.4’e çıktığı gözlenmiştir. Dört farklı CO2 konsantrasyonunun (%2, %5, %10, %15) denendiği çalışmada en yüksek biyokütle ve lipit verimine %2 CO2 varlığında ulaşıldığı bildirilmiştir.
Gerçekleştirilen tez çalışmasında literatürde daha önce çalışılmamış farklı maya, filamentli fungus ve mikroalg hücreleri olmak üzere yüksek miktarda lipit biriktirebilme kapasitesine sahip mikroorganizmaları seçmek hedeflenmiştir. Eldesi ve üretim maliyeti kolay olan bu biyokütlenin en yüksek kapasitede lipit ürettiği şartlar belirlenerek, biyodizel üretimi için hammadde olarak kullanılabileceğinin gösterilmesi amaçlanmıştır.