Mikroalgal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin kullanımı ile entegre besiyer madde giderimi, sera gazı mitigasyonu ve biyo-yakıt ve biyo-ürün eldesi

TÜBİTAK ÇAYDAG15.08.2015Mikro algal kültürlerin kullanımı ile önemli bir sera gazı olan CO2’in mitigasyonu çok yeni bir araştırma alanıdır. Mikro algal kültürler ile besiyer madde giderimi ve atık mikro algal biyokütleden biyogaz, hidrojen ve gübre eldesi çeşitli araştırmalara tek başına ya da birlikte konu olmuş uygulamalardır. Ancak, bu projenin konusunu oluşturan mikro algal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin entegre besiyer madde giderimi, sera gazı mitigasyonu ve biyo-yakıt ve biyo-ürün eldesi için birlikte kullanıldığı entegre bir biyoproses konfigürasyonun geliştirilmesi özgün bir yaklaşımdır. Bu inovatif konfigürasyon sadece atık su arıtımı ve CO2 mitigasyonu gibi önemli atık yönetimi sorunlarına bir katkıda bulunmakla kalmayacak, biyoyakıt (biyogaz ve biyohidrojen) ve biyoürün (gübre) eldesi de sağlayabilecektir. Bu projenin en önemli çıktısı hem evsel hem de endüstriyel atık suların atık CO2 kaynakları (örneğin endüstriyel baca gazları) ile birlikte arıtılabilmesini sağlayan özgün bir biyoteknolojik proses konfigürasyonunun geliştirilmesi olacaktır. Bu sürece paralel olarak sağlanacak olan biyoyakıt ve biyoürün eldesi, sadece atık valorizasyonuna değil, sürdürülebilir atık yönetimine de önemli bir örnek oluşturabilecektir. Atık sulardan azot ve fosforun %90-100 arasında değişen verimle giderimi, fotobiyoreaktörlerde sağlanan 0,16-0,26 g/L.gün CO2 tutma hızı, mikro algal biyokütleden elde edilen metan verimi (249 mL CH4/g TUKM), hidrojen verimi (2,47 mL H2/g TUKM) ve detayları bu raporda sunulan projemizin diğer sonuçları hipotezimizi destekler bir ilk adım niteliğindedir. Diğer bir deyişle, mikro algal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin entegre besiyer madde giderimi, sera gazı mitigasyonu ve biyo-yakıt ve biyo-ürün eldesinde birlikte kullanımı olasıdır. Bu üç farklı amaca aynı anda hizmet edecek olan bir inovatif biyoproses konfigürasyonunun optimizasyonu çalışmalarımızın bundan sonraki aşamasını oluşturacaktır.The mitigation of CO2 which is an important greenhouse gas by using microalgal cultures is a very new research area. Nutrient removal by microalgal cultures and anaerobic digestion of waste microalgal biomass and subsequent biogas, biohydrogen and fertilizer production were relatively investigated in the past. However, the research on these areas concentrated on only one or two of these tasks. Therefore, the integrated bioprocess configuration which is investigated in this project to provide integrated nutrient removal, greenhouse gas mitigation and bio-fuel and fertilizer production by using both microalgal and anaerobic microbial cultures is an innovative approach. This innovative configuration will not only contribute to nutrient removal from wastewaters and CO2 mitigation but also generate bio- fuels (biogas, biohydrogen) and bio-products (fertilizer). The impact of this project will be a cost-efficient biotechnological process configuration for the treatment of both domestic and industrial wastewaters as well as waste CO2 sources such as flue gas. Moreover, the parallel bio-fuel and bio-product generation will be a good example of waste valorization and sustainable waste management approach. Nitrogen and phosphorus removal from wastewaters with 90-100% efficiency, achievement of significant CO2 mitigation rates (0,16-0,26 g/L.day) in photobioreactors, methane production from microalgal biomass with a yield of 249 mL CH4/g VS, dark fermentative hydrogen production with a yield of 2.47 mL H2/g VS and other results of our project which are presented in this report not only support our initial hyphothesis but also constitute the first step toward its realization. In other words, an integrated approach enabling nutrient removal, greenhouse gas mitigation and bio-fuel and fertilizer production by using microalgal and anaerobic cultures is possible. Optimization of an inovative bioprocess configuration which will serve for all these three objectives will be the next phase of our research

Mikroalgal ve anaerobik mikrobiyal kültürler ile entegre besiyer madde giderimi ve biyogaz üretimi.

Following industrialization and urbanization, there have been significant impairments in key nutrient cycles, affecting both ecosystems and human well-being. Urban sewage is rich in nutrients such as nitrogen and phosphorus, which cause eutrophication in receiving water bodies, if not removed. Microalgal nutrient removal is a viable alternative for biological wastewater treatment, considering their high nutrient uptake capabilities of microalgae. These systems are also advantageous in terms of nutrient recycling and conversion into microalgal biomass, which, in turn, is a beneficial resource for biofuel production. In this study, a semi-continuous photo-bioreactor was operated for investigation of nutrient removal efficiency of unialgal culture, Chlorella vulgaris. Maximum N and P removal efficiencies of 99.6% and 91.2% were achieved in the photobioreactor. Biogas production from biomass obtained from semi-continuous photobioreactor was investigated via Biochemical Methane Potential (BMP) assays. The results illustrated that maximum biogas yield of 442 mL/g VS added could be achieved in untreated microalgal slurry reactors. Evaluation of pretreatment options indicated that the highest biomethane yield could be achieved after heat pretreatment. However, considering that autoclave pretreatment is less energy intensive, this method was found to be more feasible for enhanced biogas production. The results of BMP assay conducted for co-digestion of microalgal slurry with model kitchen waste or waste activated sludge indicated that maximum biogas yield of 785 mL/ g VS added could be achieved when model kitchen waste was used as co-substrate. Outcomes of this study reveal that microalgal biotechnology is a feasible alternative for integrated nutrient removal and biofuel production applications.M.S. - Master of Scienc