Geri Dön

Carbondioxide capturing from industrial flue gas via calcium carbonate inducing microorganisms

Kalsiyum karbonat oluşumunu tetikleyen mikroorganizmalar ile karbondioksit yakalama

PDF İndir

  1. Tez No: 936913
  2. Yazar: MERT KOLUKISAOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Bioengineering, Biotechnology, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 137

Özet

Geçtiğimiz yüzyılda öncelikli olarak insan faaliyetleri sonucunca oluşan sera gazlarındaki artış küresel iklim değişikliğinin etkilerinin giderek belirginleşmesine yol açmaktadır. Avrupa ve komşu ülkelerindeki yasal düzenlemeler daha keskin hale gelmektedir ve Sınırda Karbon Vergisi gibi yeni vergilendirme sistemleriyle birilkte karbon emisyonu yüksek sanayileri farklı çözümler aramaya itmektedir. Yalnızca konvansiyonel baca gazı arıtma yöntemlerinin yetersiz kalacağı yakın gelecekte karbon yakalama teknolojileri son yıllarda araştırmacılar ve hatta endüstri temsilcileri tarafından geliştirilmektedir. Mikroorganizma içeren çözümler, atmosferik ve kapalı devre sistemler gibi bireysel faydaları olan birçok seçeneğe olanak tanımaktadır. Özellikle algler olmak üzere mikroorganizmalar kullanılarak yapılan karbon yakalama, umut verici bir çözüm sunmaktadır. Bu çalışma kapsamında Chlorella vulgaris, Spirulina, Chlamydomonas reinhardtii türleriyle birlikte Salda Gölü'nden temin edilen kokus ve filamentli morfolojik yapıda olan iki alg türü üzerinde çalışmalar yapılmıştır.Alglerin büyüme hızları, büyüme süreleri, klorofil ve karotenoid gibi pigment içerikleri, karbonik anhidraz enzim aktivitesi değerleri, biyokimyasal muhteviyatı, yağ asidi tipleri olmak üzere bu algler üzerinde bir çok analiz yapılmıştır. Salda Gölü'nün pH değerinin 9'dan büyük olarak yüksek pH kategorisinde yer alması, buradan temin edilen numunelerin çalışma kapsamına alınması konusunda etkin faktör olmuştur. Bütün analizlerde ilgili alg türlerinin 0,5 aralıklarla pH 8 ile 11 arasındaki en çok büyüme gösterdiği pH irdelenmiştir. BG11 besiyeri kullanılan ve diğer alg türleriyle aynı büyüme şartlarına tabi tutulan Salda Gölü'nden temin edilmiş iki türün de görece çok daha az çoğalmaları nedeniyle ileriki çalışmalara dahil edilmemişlerdir. Bunun yanında karbonik anhidraz enzim aktivitesi ölçümü tür seçimi sırasında en az çoğalma kadar önemli bir parametre olarak kabul edilmiştir. Gaz formundaki karbon dioksitin çözünmüş gaz formuna geçmesini sağlayan ilgili enzimin varlığı karbon dioksit yakalama çalışmaları için geliştirilmesi gereken unsur olarak değerlendirilmiştir. Büyüme ve enzim aktivitesinin yanı sıra diğer tüm etkileyici faktörlerin de hesaba katıldığı Analitik Hiyerarşi Prosesi metodu yardımıyla tür seçimi Spirulina olarak yapılmıştır. Deneyin ikinci safhasında enzim aktivitesini arttırabilmek adına alg ile bakteri kokültürü yapmanın optimum karşım oranı irdelenmiştir. Burada ilgili enzimi salgılayan Bacillus pasteurii türü seçilmiştir. Steril şişelerde 100'er ml kadar alg ve bakteri monokültürlerinin yanı sıra karışım oranı olarak 3:1, 1:1, 1:3 oranları da deney setine ikişer set olarak eklenmiştir. 12 günlük inkübasyon akabinde en yüksek enzim aktivitesi değeri 1,33 mU/mg olarak alg-bakteri karşım oranı 3:1 için ölçümlenmiştir. Büyüme değerlerinde ise 2,4 g/L olarak yine aynı kültür öne çıkmıştır. Aynı deney seti, bu kez sadece Zarrouk medyasının farklı bir erlende olduğu üçüncü bir set için daha çalıştırılmıştır. Burada 15 günlük inkübasyon süresi başlatılmadan hemen önce ortamda 60 mM kalsiyum iyonu olacak şekilde ortama CaCl2 ilavesi yapılmıştır. 15 gün sonunda elde edilen çökelek üzerinden ise XRD analizi, SEM görüntülemesi ve qPCR analizi gibi çalışmalar yapılmıştır. Özellikle oluşturduğu kalsitteki yüksek safsızlığa istinaden kolkültür 3:1 karışım oranı yine öne çıkmıştır. Deneyin üçüncü safhasında pilot ölçekli çalışmalara geçerken kokültür karışım oranına da karar verilebilmiş bir şekilde ilerlenmiştir. Öncelikle 200 L hacminde yan yana konumlanmış, atmosferik ve karıştırıcılı havuzlarda çalışma yapılmıştır. Ekim ve Kasım aylarının içinde kalacak şekilde 35 gün süren inkübasyon gerçekleştirilmiştir. Bunun 22 günü sadece sucul ortamdaki mikroorganizmaların çoğalması için geçen süre olmakla birlikte son 13 günde ortama CaCl2 ilavesi yapılmış olup, kalsifikasyon süreci takip edilmiştir. Toplam çalışmanın sonunda kokültürdeki UAKM konstantrasyonu 1,7 kat artarken, monokültürdeki UAKM konsantrasyonu sadece 1,4 kat artmıştır. Çalışmanın sonunda monokültür UAKM kontantrasyonu 1,1 g/L olarak ölçülmüştür, düşük sıcaklığın bu farka neden olduğu söylenebilmektedir. Kabarcık tip fotobioreaktör ile monokültürde 4 gün büyüme üzerine 4 gün kalsifikasyon, kokültürde ise 8 gün büyüme üzerine 4 gün kalsifikasyon gerçekleştirilmiştir. Alınan sonuçlarda, kokültürde 2,12 g/L UAKM gözlenirken, monokültürde 4 g/L UAKM gözlenmiştir. Monokültürdeki dikkate değer büyümeye rağmen her iki çalışmanın sonunda sırasıyla monokültürde 14,64 g/L ve kokültürde 14,42 g/L neredeyse eşit miktarda AKM ölçümü yapılmıştır. Sonuç olarak kokültürde çok daha düşük biyokütle ile çok daha fazla kalsit üretimi gerçekleştiği tespit edilmiştir. Bu çalışma, özellikle Spirulina sp. için çeşitli biyoteknolojik uygulamalardaki çok yönlü potansiyelini açıklamaktadır. Yapılan kapsamlı analizler ve deneyler, biyokütle verimliliğini artırmak ve CO2 kullanımını optimize etmek için kritik bilgiler sağlamıştır. Kalsiyum karbonat (CaCO3) ve karbonik anhidraz (CA) enzim aktivitesinin özellikleri incelenmiş ve biyokütle verimliliğini ve CO2 kullanımını optimize etmek için değerli bilgiler elde edilmiştir. Kapalı fotobiyoreaktörlerde yapılan deneyler, çevresel parametreleri düzenlemenin alg büyümesini ve verimliliğini maksimize etmenin avantajlarını göstermiştir. Askıda katı maddeler ve uçucu askıda katı maddelerin değerlendirilmesi, yetiştirme süreçlerinin genel verimliliği ve sürdürülebilirliği hakkında kritik veriler sağlamıştır. Ayrıca, kalsiyum karbonatın yapısal ve bileşimsel özelliklerinin çeşitli endüstriyel süreçlerdeki uygulamaları için önemli olduğu bulunmuştur. Enzim aktivitesi çalışmaları, CA'nın CO2 yakalama ve dönüştürme sürecindeki kritik rolünü vurgulayarak sera gazı emisyonlarını azaltma potansiyelini ortaya koymuştur. Ek olarak, hücre dışı polimerik maddeler (EPS) analizi, hücre dışı matrisin karmaşık doğasını aydınlatarak biyofilm oluşumu ve stabilitesi üzerine daha fazla araştırma yapılmasını önermektedir. Çalışma ayrıca algler aracılığıyla karbon yakalama ile geleneksel karbon yakalama ve depolama (CCS) teknolojilerini karşılaştırmış, avantajları ve zorlukları not etmiştir. Faydalarına rağmen, enerji yoğun sektörlerde alg bazlı yakalamanın ölçeklendirilmesi zor olmaktadır. Absorpsiyon ve adsorpsiyon, önemli miktarda CO2 yakalamak için daha ekonomik ve gelişmiş yöntemler olarak kabul edilmektedir. Analitik Hiyerarşi Süreci (AHP) yöntemi kullanılarak, çalışma CO2 yakalama kapasitesi, maliyet, operasyonel zorluklar, ölçeklenebilirlik ve alan gereksinimleri gibi faktörlere dayalı olarak çeşitli CCS teknolojilerini değerlendirmiştir. Alg bazlı CCS teknolojileri, ton başına 702,00 ile 1.585,00 USD arasında değişen maliyetlerle önemli ekonomik ve mekansal zorluklarla karşı karşıya kalmaktadır, bu maliyetler geleneksel yöntemler için ton başına 15,00 ile 340,00 USD arasında değişmektedir. Sonuç olarak, mikroalgler çevresel ve enerji zorluklarını ele almak için önemli bir potansiyel gösterse de, endüstriyel ölçekli uygulamalar için daha fazla araştırma ve geliştirme gerekmektedir. Sürekli işbirliği ve araştırma, mikroalg biyoteknolojisi alanını ilerleterek sürdürülebilir kalkınmayı teşvik edecektir.

Özet (Çeviri)

The increase in greenhouse gases, primarily caused by human activities in the past century, has led to the effects of global climate change becoming increasingly evident. Legal regulations in Europe and neighboring countries are becoming more stringent, and new taxation systems such as the Carbon Border Adjustment Mechanism are pushing industries with high carbon emissions to seek different solutions. In the near future, where conventional flue gas treatment methods alone will be insufficient, carbon capture technologies have been improved in recent years by scientists and even industry's research and development departments. Solutions involving microorganisms allow for many options with individual benefits, such as atmospheric and closed-loop systems. Carbon capture using microorganisms, especially algae, offers a promising solution. Within the scope of this study, experiments were conducted on two algae species with coccus and filamentous morphological structures obtained from Lake Salda together with Chlorella vulgaris, Spirulina, Chlamydomonas reinhardtii species. Many analyses were conducted on these algae including growth rates, growth periods, pigment contents such as chlorophyll and carotenoid, carbonic anhydrase enzyme activity values, biochemical content, and fatty acid types. The fact that Lake Salda is in the high pH category with a pH value greater than 9 was an effective factor in including the samples obtained from here in the study. In all analyses, the pH at which the relevant algae species showed the most growth between pH 8 and 11 at 0.5 intervals was examined. The two species obtained from Lake Salda, which were subjected to the same growth conditions as other algae species using BG11 medium, were not included in further studies as they grew relatively less. In addition, the measurement of carbonic anhydrase enzyme activity was considered as a parameter at least as important as growth during species selection. The presence of the relevant enzyme that enables the gaseous carbon dioxide to be converted into dissolved gas was evaluated as an factor that needs to be developed for carbon dioxide capture studies. The species selection was made as Spirulina with the help of the Analytical Hierarchy Process method, which takes into account all other effective factors as well as growth and enzyme activity. In the second phase of the experiment, the optimum mixture ratio of algae and bacteria coculture was examined in order to increase enzyme activity. Here, the Bacillus pasteurii species that secretes the relevant enzyme was selected. In addition to 100 ml of algae and bacteria monocultures in individual sterile bottles, 3:1, 1:1, 1:3 ratios were also added to the experimental set as two sets. After 12 days of incubation, the highest enzyme activity value was measured as 1.33 mU/mg for the algae-bacteria mixture ratio of 3:1. In growth values, the same culture stood out as 2.4 g/L. The same set of experiments was run for a third set, this time with only the Zarrouk medium in a different conical flask. Here, just before the 15-day incubation period was started, CaCl2 was added to the medium so that there would be 60 mM calcium ions in the medium. Advanced experiments such as XRD analysis, SEM imaging and qPCR analysis were performed on the precipitate obtained at the end of 15 days. The coculture 3:1 mixing ratio stood out again, especially due to the high impurity in the calcite it formed. In the third phase of the experiment, while moving on to pilot scale studies, the coculture mixture ratio was decided and it was progressed in a way. First, the study was carried out in atmospheric and agitated tanks positioned side by side in 200 L volume. Incubation lasting 35 days was carried out in October and November. 22 days of this was the time spent only for the growth of microorganisms in the aquatic environment, and CaCl2 was added to the medium in the last 13 days and the calcification process was followed. At the end of the total study, the VSS concentration in the coculture increased by 1.7 times, while the VSS concentration in the monoculture increased by only 1.4 times. At the end of the study, the VSS concentration in the monoculture was measured as 1.1 g/L, and the temperature has a great effect on the relatively low result. With bubble type photobioreactor, 4 days of calcification were performed in monoculture after 4 days of growth, and 4 days of calcification were performed in coculture after 8 days of growth. In the results, 2.12 g/L VSS was observed in coculture, while 4 g/L VSS was observed in monoculture. Despite the remarkable growth in monoculture, almost equal amounts of TSS were measured at the end of both studies as 14.64 g/L in monoculture and 14.42 g/L in coculture, respectively. As a result, it was determined that much more calcite was produced with much lower biomass in coculture. This study elucidates the multifaceted potential of microalgae, specifically Spirulina sp., in diverse biotechnological applications. The comprehensive analyses and experiments conducted have provided critical insights into optimizing conditions for enhanced biomass productivity and efficient CO2 utilization. The investigation into the properties of calcium carbonate (CaCO3) and the enzyme activity of carbonic anhydrase (CA) revealed valuable information for optimizing biomass productivity and CO2 utilization. Experiments conducted in closed photobioreactors demonstrated the advantages of regulating environmental parameters to maximize algal growth and productivity. The evaluation of suspended solids and volatile suspended solids yielded critical data on the overall efficiency and sustainability of the cultivation processes. Furthermore, the structural and compositional attributes of CaCO3 were found to be essential for its application in various industrial processes. The enzyme activity studies highlighted the pivotal role of CA in facilitating CO2 capture and conversion, underscoring its potential in mitigating greenhouse gas emissions. Additionally, the extracellular polymeric substances (EPS) analysis illuminated the complex nature of the extracellular matrix, suggesting avenues for further research into biofilm formation and stability. The study also compared carbon capture via algae with conventional carbon capture and storage (CCS) technologies, noting both advantages and challenges. Despite the benefits, scaling up algae-based capture in energy-intensive sectors remains challenging. Absorption and adsorption are considered more economical and advanced methods for substantial CO2 capture. Using the Analytic Hierarchy Process (AHP) method, the study evaluated various CCS technologies based on factors such as CO2 capture capacity, cost, operational difficulties, scalability, and space requirements. Algae-based CCS technologies face significant economic and spatial challenges, with costs ranging from $702 to $1,585 per ton of CO2 captured, compared to $15 to $340 for conventional methods. In conclusion, while microalgae demonstrate significant promise in addressing environmental and energy challenges, further research and development are necessary for industrial-scale applications. Continued collaboration and research will advance the field of microalgal biotechnology, fostering sustainable development.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    932071

    Termik santrallerde karbondioksit yakalama ve buhar yoğuşturma için sürdürülebilir, yenilikçi bir sistem tasarımı

    A sustainable and innovative system design for carbon dioxide capture and steam condensation in thermal power plants

    BEVİN AKÇADAĞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Çevre MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MAHNAZ GÜMRÜKÇÜOĞLU YİĞİT

  2. Tez No

    676650

    Karbon dioksit ayırma amaçlı ince film kompozit/nanokompozit membranların hazırlanması

    Preparation of thin film composite/nanocomposite membranes for carbon dioxide separation

    GÜLEN BÜYÜKOLCA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ

  3. Tez No

    312708

    Kabarcıklı kolonda sodyum metaborat çözeltisine karbon dioksitin absorpsiyonu

    Carbon dioxide absorption into sodium metaborate solution using a bubble column reactor

    DUYGU UYSAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Kimya MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZKAN MURAT DOĞAN

  4. Tez No

    693115

    Post-combustion carbon dioxide (CO2) capture with biomass derived activated carbon

    Biyokütleden elde edilen aktif karbonun yanma sonrası karbondioksit (CO2) yakalamada kullanımı

    AYŞE SEVER AKDAĞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Çevre MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLEN GÜLLÜ

  5. Tez No

    963806

    Hibrit enerji sistemleriyle enerji üretimi ve endüstriyel işletmelerin atık gazından karbondioksitin yakalanması

    Power generation with hybrid energy systems and capture of carbon dioxide from the waste gas of industrial enterprises

    ÖZCAN BAŞARAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    EnerjiSiirt Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ YAVUZ KIRIM

Geri Dön