HAYVAN BARINAKLARINDAN SALINAN KĠRLETĠCĠ GAZLARIN FOTOBĠYOREAKTÖR SĠSTEMLERĠ ĠLE AZALTILMASI Seyit UĞUZ i T.C. BURSA ULUDAĞ ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ HAYVAN BARINAKLARINDAN SALINAN KĠRLETĠCĠ GAZLARIN FOTOBĠYOREAKTÖR SĠSTEMLERĠ ĠLE AZALTILMASI Seyit Uğuz 0000-0002-3994-8099 Prof. Dr. Ercan ġĠMġEK (DanıĢman) DOKTORA TEZĠ BĠYOSĠSTEM MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI BURSA – 2023 Her Hakkı Saklıdır ii TEZ ONAYI Seyit UĞUZ tarafından hazırlanan ―HAYVAN BARINAKLARINDAN SALINAN KĠRLETĠCĠ GAZLARIN FOTOBĠYOREAKTÖR SĠSTEMLERĠ ĠLE AZALTILMASI‖ adlı tez çalıĢması aĢağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Biyosistem Mühendisliği Anabilim Dalı‘nda DOKTORA TEZĠ olarak kabul edilmiĢtir. DanıĢman: Prof. Dr. Ercan ġĠMġEK BaĢkan : Prof. Dr. Ercan ġĠMġEK Ġmza 0000-0000-0000-0000 Bursa Uludağ Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Biyosistem Mühendisliği Anabilim Dalı Üye : Prof. Dr. Erkan YASLIOĞLU Ġmza 0000-0000-0000-0000 Bursa Uludağ Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Biyosistem Mühendisliği Anabilim Dalı Üye : Prof. Dr. Mete YILMAZ Ġmza 0000-0000-0000-0000 Bursa Teknik Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Biyomühendislik Anabilim Dalı Üye : Prof. Dr. Yahya ULUSOY Ġmza 0000-0000-0000-0000 Bursa Uludağ Üniversitesi, Teknik Bilimler MYO, Makine ve Metal Teknolojileri Programı Üye : Prof. Dr. Ünal KIZIL Ġmza 0000-0000-0000-0000 Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarımsal Yapılar ve Sulama Anabilim Dalı Yukarıdaki sonucu onaylarım Prof. Dr. Hüseyin Aksel EREN Enstitü Müdürü ../../…. iii B.U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalıĢmasında;  tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,  görsel, iĢitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,  baĢkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu,  atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi,  kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı,  ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya baĢka bir üniversitede baĢka bir tez çalıĢması olarak sunmadığımı beyan ederim. …/…/……… Seyit UĞUZ iv TEZ YAYINLANMA FĠKRĠ MÜLKĠYET HAKLARI BEYANI Enstitü tarafından onaylanan lisansüstü tezin/raporun tamamını veya herhangi bir kısmını, basılı (kâğıt) ve elektronik formatta arĢivleme ve aĢağıda verilen koĢullarla kullanıma açma izni Bursa Uludağ Üniversitesi‘ne aittir. Bu izinle Üniversiteye verilen kullanım hakları dıĢındaki tüm fikri mülkiyet hakları ile tezin tamamının ya da bir bölümünün gelecekteki çalıĢmalarda (makale, kitap, lisans ve patent vb.) kullanım hakları tarafımıza ait olacaktır. Tezde yer alan telif hakkı bulunan ve sahiplerinden yazılı izin alınarak kullanılması zorunlu metinlerin yazılı izin alınarak kullandığını ve istenildiğinde suretlerini Üniversiteye teslim etmeyi taahhüt ederiz. Yükseköğretim Kurulu tarafından yayınlanan ―Lisansüstü Tezlerin Elektronik Ortamda Toplanması, Düzenlenmesi ve EriĢime Açılmasına ĠliĢkin Yönerge‖ kapsamında, yönerge tarafından belirtilen kısıtlamalar olmadığı takdirde tezin YÖK Ulusal Tez Merkezi / B.U.Ü. Kütüphanesi Açık EriĢim Sistemi ve üye olunan diğer veri tabanlarının (Proquest veri tabanı gibi) eriĢimine açılması uygundur. DanıĢman Adı-Soyadı Öğrencinin Adı-Soyadı Tarih Tarih İmza İmza Bu bölüme kişinin kendi el yazısı ile okudum Bu bölüme kişinin kendi el yazısı ile okudum anladım yazmalı ve imzalanmalıdır. anladım yazmalı ve imzalanmalıdır. v ÖZET Doktora Tezi HAYVAN BARINAKLARINDAN SALINAN KĠRLETĠCĠ GAZLARIN FOTOBĠYOREAKTÖR SĠSTEMLERĠ ĠLE AZALTILMASI Seyit UĞUZ Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Biyosistem Mühendisliği Anabilim Dalı DanıĢman: Prof. Dr. Ercan ġĠMġEK Hayvansal üretimden kaynaklanan kirletici gazların, baĢta küresel ısınma olmak üzere olumsuz çevresel etkileri nedeniyle üreticileri, çevrecileri ve ilgili devlet kurumlarını her geçen gün rahatsız etmektedir. Kirletici gaz emisyonlarının tarım ve hayvancılığı da olumsuz yönde etkilemesine rağmen, ülkemizde emisyonların azaltılması ile ilgili çok fazla bilimsel çalıĢma bulunmamaktadır. GeliĢmiĢ ülkelerde uygulanan emisyon azaltım yöntemleri, baĢta yüksek maliyetli olmalarının yanında sürdürülebilir sistemler olmamaları bu yöntemlerin ülkemizde uygulanabilirliklerini olumsuz yönde etkilemektedir. Son yılların yenilenebilir hammadde kaynağı olan mikroalgler ise, hayvan barınaklarından salınan kirletici gazların azaltılmasında daha ekonomik ve sürdürülebilir bir yöntem olarak karĢımıza çıkmaktadır. Bu çalıĢmada, hayvansal üretim yapılarından kaynaklanan kirletici gazların fotosentez yoluyla mikroalgler aracılığıyla azaltılması amaçlanmıĢtır. ÇalıĢmada, Güney Dakota Devlet Üniversitesi‘nin domuz çiftliğine 2 adet fotobiyoreaktör sistem entegre edilerek 3 hafta süreyle barınak iç ortam gazı ile alg geliĢimi (Scenedesmus dimorphus) izlenmiĢtir. Scenedesmus dimorphus, barınak havasındaki NH3 ve CO2 konsantrasyonlarının sırasıyla 25,6 ppm ve 3150 ppm olduğu 17. günde maksimum hücre sayısına ulaĢmıĢtır. Maksimum biyokütle konsantrasyonu ise, NH3 ve CO2 konsantrasyonlarının sırasıyla 14,6 ve 2250 ppm olduğu 11. günde elde edilmiĢtir. Fotobiyoreaktör sistemin NH3 ve CO2 azaltım etkinlikleri sırasıyla %31-50 ve %1-1.7 Ģeklinde gerçekleĢmiĢtir. Bu sistemde, 1 g NH3 ve CO2'in azaltım maliyetleri sırasıyla 3,77$ ve 0,20$ olduğu hesaplanmıĢtır. Elde edilen sonuçlar, fotobiyoreaktör sistemlerin hayvansal üretimden kaynaklanan kirletici gazların azaltılmasında alternatif bir yöntem olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Ayrıca kıĢ mevsiminde fotobiyoreaktörden çıkan hava, barınak içerisine tekrar verilerek yapının ısıtma yükü azaltılabilecektir. Anahtar Kelimeler: Mikroalg, Scenedesmus dimorphus, kirleticiler, hayvan barınakları biyokütle, fotobiyoreaktör 2023, xiv + 89 sayfa. vi ABSTRACT PhD Thesis MITIGATION OF POLLUTANT GASES RELEASED FROM ANIMAL BARNS BY PHOTOBIOREACTOR SYSTEMS Seyit UĞUZ Bursa Uludağ University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Biosystems Engineering Supervisor: Prof. Dr. Ercan ġĠMġEK Pollutant gases originating from animal production and negative environmental effects, especially global warming, are disturbing producers, environmentalists and relevant government institutions day by day. Although pollutant gas emissions also negatively affect agriculture and livestock, there are not many scientific studies on reducing emissions in our country. Emission reduction methods applied in developed countries, on the other hand, are not sustainable systems, which negatively affects their applicability in our country. Microalgae, which has been a renewable raw material source in recent years, is a more economical and sustainable method for reducing the pollutant gases released from animal barns. In this study, it is aimed to reduce the polluting gases originating from animal production structures by means of photosynthesis through microalgae. In the study, two photobioreactor systems were integrated into the pig farm of South Dakota State University and algae growth (Scenedesmus dimorphus) was monitored with the exhaust barn air for 3 weeks. Scenedesmus dimorphus reached maximum cell count at day 17, when the NH3 and CO2 concentrations in the exhaust air were 25.6 ppm and 3150 ppm, respectively. The maximum biomass concentration was obtained on the 11th day, when the NH3 and CO2 concentrations were 14.6 and 2250 ppm, respectively. The NH3 and CO2 reduction efficiencies of the photobioreactor system were 31-50% and 1-1.7%, respectively. In this system, the abatement costs of 1 g of NH3 and CO2 were calculated to be $3.77 and $0.20, respectively. The results show that photobioreactor systems can be used as an alternative method to reduce polluting gases originating from animal production. In addition, the air coming out of the photobioreactor in winter will be recirculated into the barn, thereby reducing the heating load of the building. Key words: Microalgae, Scenedesmus dimorphus, pollutants, animal barn, biomass, photobioreactor 2023, xiv + 89 pages. vii TEġEKKÜR Bu tez çalıĢmasının yürütülmesi için gerekli zemini hazırlayan, bilgi ve tecrübeleriyle beni aydınlatan, yol gösteren ve hiçbir zaman emeğini esirgemeyen çok değerli danıĢmanım Sayın Prof. Dr. Ercan ġimĢek‘ e sonsuz teĢekkürlerimi sunarım. Doktora tez çalıĢmamın planlanmasında, araĢtırılmasında, yürütülmesinde ve tamamlanmasında ilgi ve desteğini esirgemeyen, engin bilgi ve tecrübelerinden yararlandığım, yönlendirme ve bilgilendirmeleriyle çalıĢmamı bilimsel temeller ıĢığında Ģekillendiren sayın hocam Prof. Dr. Gary Anderson‘a teĢekkürü bir borç bilirim. Tez dönemimin baĢlangıcında çalıĢmamı değerlendirerek tavsiyelerini esirgemeyen, fikir ve görüĢlerini aldığım Prof. Dr. Mete Yılmaz ve Prof. Dr. Erkan Yaslıoğlu hocalarıma katkılarından dolayı teĢekkürlerimi sunarım. Hayatıma girdiği andan itibaren yaĢamıma anlam ve değer katan, desteğini ve yardımını kalpten hissettiğim, iyi ve kötü her anımı güzelleĢtiren ve her zaman yanımda olacağını bildiğim sevgili eĢim Buket UĞUZ‘a sonsuz teĢekkür ederim. Hayatımın baĢlangıcından itibaren yanımda olan ve bana maddi manevi her türlü imkânı sağlayarak her konuda desteklerini hissettiğim sevgili annem Birsen Uğuz ve babam Mehmet Uğuz‘a sonsuz Ģükranlarımı sunarım. Beni güçlü ve Ģanslı hissettiren, benimle bütün güzellikleri ve zorlukları paylaĢan sevgili ablam ġerife Uğuz Arsu, eniĢtem Talip Arsu ve kardeĢim ġeyma Nur Uğuz‘a ve minik yeğenlerim Arda ve Atlas‘a teĢekkürü bir borç bilirim. Her zaman koĢulsuz destek ve yardımlarıyla yanımda olan ve aileye sonradan katılan oğulları olmaktan gurur duyduğum sevgili annem Demet Ayten, babam Turgut Ayten ve kardeĢim Tuğçe Ayten‘e de teĢekkürü bir borç bilirim. Amerika‘da yürüttüğüm laboratuvar çalıĢmalarım sırasında akademik bilgi ve tecrübeleriyle kilometrelerce uzaktan bana sabırla destek olan sevgili arkadaĢım GökĢen Arık ve eĢi Burak Arık‘a teĢekkür ederim. Dost deyince aklıma gelen tek kiĢi, en yakın arkadaĢım, her zaman yanımda hissettiğim kardeĢim Ġhsan DemirtaĢ‘a teĢekkür ederim. Seyit UĞUZ …/…/……. viii ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖZET................................................................................................................................ vi ABSTRACT .................................................................................................................... vii TEġEKKÜR ................................................................................................................... viii SĠMGELER ve KISALTMALAR DĠZĠNĠ ...................................................................... xi ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ........................................................................................................ xiii ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ .................................................................................................. xiv 1. GĠRĠġ ............................................................................................................................ 1 2. KAYNAK ARAġTIRMASI ......................................................................................... 6 2.1. Hayvan Barınakları Ġç Ortamında Bulunan Kirletici Gazlar ...................................... 6 2.1.1. Amonyak.................................................................................................................. 6 2.1.2. Karbon dioksit ......................................................................................................... 8 2.1.3. Metan ....................................................................................................................... 8 2.1.4. Hidrojen sülfür ......................................................................................................... 9 2.1.5. Uçucu Organik BileĢikler (VOC) ............................................................................ 9 2.2. Hayvan Barınaklarından Kaynaklanan Kirletici Gaz Emisyonları ve Miktarları .... 10 2.3. Kirletici Gazların Çevreye Etkisi ............................................................................. 14 2.4. Kirletici Gazların Azaltılması Ġçin Kullanılan Yöntemler ....................................... 15 2.4.1. Barınak tasarımı .................................................................................................... 16 2.4.2. Yem rasyonu ......................................................................................................... 16 2.4.3. Hava temizleyiciler ............................................................................................... 17 2.4.4. Biyofiltreler ........................................................................................................... 17 2.4.5. Biyokömürler ........................................................................................................ 18 2.5. Mikroalg Üretim Sistemleri ..................................................................................... 19 2.5.1. Açık Sistemler ....................................................................................................... 19 2.5.2. Kapalı sistemler ..................................................................................................... 22 2.6. Mikroalg GeliĢiminde Etkili Parametreler ............................................................... 26 2.6.1. Alg türü ................................................................................................................. 28 2.6.2. IĢık ......................................................................................................................... 30 2.6.3. Sıcaklık .................................................................................................................. 32 2.6.4. Havalandırma ........................................................................................................ 33 2.6.5. Besin ...................................................................................................................... 33 2.6.6. pH .......................................................................................................................... 35 2.7. Mikroalglerin Hasat Edilmesi .................................................................................. 36 2.8. Mikroalglerin Kullanım Alanları ............................................................................. 37 2.8.1. Mikroalglerin atıksu arıtımında kullanılması ........................................................ 38 2.8.2. Kirletici gazların azaltılmasında mikroalg uygulaması......................................... 38 3. MATERYAL ve YÖNTEM ........................................................................................ 41 3.1. Materyal ................................................................................................................... 41 3.1.1. Alg ve besiyeri ...................................................................................................... 41 3.1.2. Fotobiyoreaktör tasarımı ....................................................................................... 43 3.1.3. Barınak denemesi .................................................................................................. 45 3.2. Yöntem ..................................................................................................................... 48 3.2.1. Hücre sayımı ......................................................................................................... 48 ix 3.2.2. Biyokütle ölçümü .................................................................................................. 48 3.2.3. Amonyak ve karbondioksit gaz konsantrasyonlarının ölçümü ............................. 49 3.2.4. NH3 ve CO2 gaz konsantrasyonlarının azaltım miktarlarının hesaplanması ......... 49 3.2.5. Enerji Tüketimi ..................................................................................................... 51 3.3. Ġstatistiksel analizler ................................................................................................. 52 4. BULGULAR ve TARTIġMA ..................................................................................... 53 4.1. Mikroalg geliĢimine etki eden parametreler ............................................................ 53 4.1.1. pH .......................................................................................................................... 53 4.1.2. Sıcaklık .................................................................................................................. 55 4.1.3. Amonyak ve karbondioksit gaz konsantrasyonları ............................................... 56 4.2. Alg GeliĢimi ............................................................................................................. 58 4.2.1. Hücre Konsantrasyonu .......................................................................................... 58 4.2.2. Biyokütle verimi ................................................................................................... 61 4.3. Amonyak ve karbondioksit gazı azaltım etkinliği ................................................... 63 4.4. Ekonomik Analiz ..................................................................................................... 65 5. SONUÇ ....................................................................................................................... 68 KAYNAKLAR ............................................................................................................... 71 EK 1 86 x SĠMGELER ve KISALTMALAR DĠZĠNĠ Simgeler Açıklama NH3 Amonyak CO2 Karbondioksit CH4 Metan N2O Nitröz oksit N Azot P Fosfor K Potasyum Zn Çinko Fe Demir Cu Bakır NH4NO3 Amonyum nitrat NH4HSO4 Amonyum bisülfat SO2 Kükürt dioksit HNO3 Nitrik asit H2SO4 Sülfürik asit ppm Milyonda bir birim (parts per million ) AU 500 kg canlı ağırlık NH3-N Amonyak azotu Ha Hektar Tg Teragram H2S Hidrojen sülfür C Karbon H Hidrojen O Oksiyen Mg Magnezyum NaNO3 Sodyum nitrat K2HPO4.3H2O Potasyum fosfat di-bazik KH2PO4 Mono Potasyum Fosfat MgSO4.7H2O Magnezyum sülfat CaCl2.2H2O Kalsiyum Klorür Dihidrat Ca(NO3)2.4H2O Kalsiyum Nitrat Tetrahidrat Na2SiO3.9H2O Sodyum Silikat FeCl3 Demir(III) Klorür FeSO4.7H2O Demir sülfat heptahidrat EDTA Etilendiamin tetraasetik asit Na2CO3 Sodyum karbonat NaCl Sodyum Klorür KOH Potasyum hidroksit H3BO4 Borik asit MnCl2.4H2O Mangan (II) Klorür ZnSO4.7H2O Çinko sülfat Na2MoO4.2H2O Sodyum molibdat CuSO4.5H2O Bakır (II) sülfat xi Co(NO3)2.6H2O Kobalt nitrat hekzahidrat MoO3 Molibden trioksit - OH Hidroksit SO2 Kükürt dioksit K2HPO4 Dipotasyum fosfat HCl Hidroklorik Asit NaOH Sodyum hidroksit -1 µ Spesifik büyüme hızı (gün ) Nt1 t1 inci gündeki hücre konsantrasyonu (hücre sayısı/mL) Nt0 t0 ncı gündeki hücre konsantrasyonu (hücre sayısı/mL) td Ġkilenme süresi (gün) -1 -1 Rgaz CO2 ve NH3 fiksasyon oranı (mg L gün ) CC/N S. Dimorphus türünün karbon (C) ve azot (N) içeriği (%) -1 -1 Y Biyokütle verimi (mg L gün ) Mgaz CO2 ve NH3 gazlarının moleküler ağırlığı MC/N Karbon (C) ve azotun (N) moleküler ağırlığı NH3 ve CO2 gaz azaltım etkinliği -1 -1 Cgaz PBR‘a CO2 ve NH3 gaz konsantrasyonları (mg L gün ) E Günlük enerji tüketimi (kWh) P(W) Cihaz gücü (W) kWh Kilovat saat -1 t Zaman (saat gün ) EE Enerji verimliliği H2CO3 Karbonik asit - HCO3 Bikarbonat iyonu 2- CO3 Karbonat iyonu Kısaltmalar Açıklama ABD Amerika BirleĢik Devletleri UNFCCC BirleĢmiĢ Milletler Ġklim DeğiĢikliği Çerçeve sözleĢmesi PBR Fotobiyoreaktör PM Partikül madde VOC Uçucu organik bileĢikler BBM Bold‘s Basal Medium AOM Algojenik organik maddeler UTEX The University of Texas at Austin xii ġEKĠLLER DĠZĠNĠ Sayfa ġekil 2.1. ÇalıĢmanın yürütültüğü domuz barınağında kullanılan biyofiltre sistem görüntüsü……………………………...…….. 18 ġekil 2.2. Biyolojik kömür örneği ….……………………………...…….. 19 ġekil 2.3. YarıĢ pisti havuzu Ģematik gösterimi …………………..…….. 21 ġekil 2.4. Dairesel havuz sistemleri……………........…………………… 21 ġekil 2.5. Yatay ve düĢey tübüler fotobiyoreaktör sistem örnekleri ..…… 23 ġekil 2.6. Plastik torba PBR sistemler…………...………….…………… 24 ġekil 2.7. KarıĢtırmalı fotobiyoreaktör sistem……………………....…… 25 ġekil 2.8. Düz panel fotobiyoreaktör sistemler ..…………………....…… 26 ġekil 2.9. Mikroalglerin tipik büyüme evresi….………………………… 28 ġekil 2.10. Floresan Lambaların IĢık Spektrumu ………….……………… 32 ġekil 2.11. Scenedesmus sp. türünün farklı sıcaklıklardaki geliĢimi…….... 33 ġekil 3.1. Scenedesmus Dimorphus alg kültürü ….……………………… 41 ġekil 3.2. Scenedesmus Dimorphus‘un mikroskop altında görüntüsü…… 42 ġekil 3.3. Alg ekiminin ilk günü...……………………………………….. 43 ġekil 3.4. Panel tip fotobiyoreaktör………………………………..…….. 44 ġekil 3.5. Alg geliĢimi için kullanınlan ıĢık sistemi…..…………………. 44 ġekil 3.6. South Dakota Devlet Üniversitesi Domuz barınağı……………. 45 ġekil 3.7. ÇalıĢmanın yürütüldüğü barınak iç ortamı……….…..……….. 46 ġekil 3.8. Barınak içerisine yerleĢtirilen fotobiyoreaktör sistem...………. 47 ġekil 3.9. KurutulmuĢ biyokütleler ...……………………………………. 49 ġekil 3.10. Gaz ölçüm cihazı…………………………………………….... 49 ġekil 4.1. Deney boyunca alg kültür ortamını pH değerinin değiĢimi (pH dengelemesi yapılmadan önceki değerler) ……………………. 55 ġekil 4.2. Deney süresince kültür ortamının sıcaklık değiĢimi.…………. 56 ġekil 4.3. NH3 ve CO2 gaz konsantrasyonlarının değiĢimi ………………. 58 ġekil 4.4. Ġki PBR'de S. dimorphus hücre konsantrasyonları (Veriler ilk gün ki hücre konsantrasyonlarına göre normalize edilmiĢtir)… 61 ġekil 4.5. 21 günlük deney boyunca biyokütle konsantrasyonu değiĢimi... 62 xiii ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ Sayfa Çizelge 2.1. Domuz ve süt sığırı barınaklarından toplanan hava örneklerinde bulunan organik bileĢenler ……………………... 10 Çizelge 2.2. Hayvansal üretimden kaynaklanan sera gazı emisyon miktarlarını değiĢtiren faktörler ………………..……………. 10 Çizelge 2.3. Farklı tür barınaklardan kaynaklanan amonyak konsantrasyonları ve emisyonları……………………….……. 12 Çizelge 2.4. Süt sığırı barınaklarındaki sera gazı konsantrasyonları ve emisyonları…………………………………….…………….. 13 Çizelge 2.5. Kümes hayvanlarından kaynaklanan sera gazı konsantrasyonları ve emisyonları……………………….…… 13 Çizelge 2.6. Domuzculuk iĢletmelerinde sera gazı konsantrasyonları ve emisyonları…………………………………………………… 14 Çizelge 2.7. S. dimorphus'un kimyasal özellikleri…….…………………… 29 Çizelge 2.8. Scenedesmus dimorphus türü için kullanılan çevresel parametreler ………....………………….…………………… 30 Çizelge 2.9. Farklı alg türleri için tasarlanmıĢ olan üç farklı besiyerinin besin değerleri ……………………………….………………. 34 Çizelge 3.1. Bold Basal Medium Ġçeriği …………….……………………. 42 Çizelge 3.2. Fotobiyoreaktörlerde kullanılan malzemelerin optik özellikleri…………………………………………………….. 43 Çizelge 4.1. Domuz barınağı iç ortamındaki karbondioksit ve amonyak gaz konsantrasyonları ……...…………………………………….. 57 Çizelge 4.2. Fotobiyoreaktör Sistemin Ekonomik Analizi…….………….. 67 xiv 1. GĠRĠġ Dünya nüfusunun 2050‘li yıllarda 7,2 milyardan 9,6 milyara çıkacağı tahmin edilmektedir. Nüfustaki bu %33‘lük artıĢa karĢılık, tarımsal ürünlere olan talebin ise yaklaĢık %70 oranında artacağı düĢünülmektedir (Rojas-Downing, Nejadhashemi, Harrigan, Woznicki, 2017). Bununla birlikte, hayvancılık iĢletmelerinin giderek artması ile çevre ve insan sağlığı üzerindeki etkileri bilim insanlarını endiĢelendirmektedir. Hayvan barınaklarından salınan amonyak (NH3) ve karbondioksit (CO2) gazları, asit birikimi, amonyum aerosollerinin oluĢumu, ötrofikasyon ve iklim değiĢikliği dâhil olmak üzere çeĢitli çevresel sonuçlara yol açmaktadır (Arogo, Westerman, Heber, Robarge, Classen, 2006). Amerika BirleĢik Devletleri'nde, hayvancılık iĢletmeleri toplam antropojenik NH3 emisyonlarının %50'sini oluĢturmaktadır (Li, Powers, Rozeboom, Liu, Liao, 2016). Dong, Kang, Zhu, Tao, Chen, Xin, Harmon (2009) domuz kümeslerinde NH3 ve CO2 konsantrasyonlarının ilkbaharda sırasıyla 5,9±2,7 ve -3 -3 2,183±1,376 mg m , yazın ise sırasıyla 6,8±3,4 ve 1,530±364 mg m olduğunu bildirmiĢtir. Bu nedenle hayvan barınaklarından salınan kirletici gaz konsantrasyonlarının ve emisyonlarının azaltılması hem hayvan refahı açısından hem de çevresel etkileri açısından büyük önem taĢımaktadır (Maurer, Koziel, Bruning, Parker, 2017). Sera gazı konsantrasyonlarının artması küresel ısınma sebebiyle çevresel bir sorun haline gelmeye baĢlamıĢtır (Rotz, 2018). Dünya‘da son 10 yılda sera gazı emisyonlarının azaltılmasına yönelik yapılan çalıĢmalar artıĢ göstermiĢtir. Tarım sektörü enterik fermantasyon ve gübrenin araziye uygulanmasıyla sera gazı emisyonlarının artıĢına katkıda bulunmaktadır (Balafoutis, Beck, Fountas, Vangeyte, Van der Wal, Soto, 2017). ABD ve AB ülkelerinde hayvancılık iĢletmelerinden kaynaklanan kirletici gaz emisyonlarının belirlenmesine ve azaltılmasına yönelik bilimsel araĢtırmalara büyük ölçüde maddi destek vermeye baĢlanmıĢtır. Günümüzde, barınak iç ortam hava kalitesinin iyileĢtirilmesi ve atmosfere salınan kirletici gazların azaltılması için geliĢtirilen teknolojiler, hayvancılık sektörünün 1 öncelikleri arasında yer almaya devam etmektedir. Hayvan barınaklarından kaynaklanan kirletici gazları azaltmak sadece emisyonları azaltmakla kalmaz, aynı zamanda hayvanlar ve çiftlik çalıĢanları için iyileĢtirilmiĢ bir iç ortam havası sağlar. Literatürde hayvan barınaklarından salınan kirletici gazların azaltılmasına yönelik; ozonlama (Bildsoe vd., 2012; Liu vd., 2011), yıkayıcılar (Feilberg ve Sommer, 2013; Mostafa vd., 2020; Van der Heyden vd., 2015), biyofiltreler (Tymczyna vd., 2010), bariyerler (Berg vd., 2006), yem rasyonu ayarlama (Recharla vd., 2017; Saeed vd., 2018) ve fotokataliz (Zhang, Hou, Wang, Liu, Gao, Wang, 2022) gibi birçok yöntem geliĢtirilmiĢtir. Ancak, bu teknolojilerin çoğu, kurulum zorlukları ve yüksek maliyetler nedeniyle kapsamlı bir Ģekilde uygulanmamaktadır. Maurer vd., (2017), hayvan barınaklarından kaynaklanan gaz emisyonunun azaltılmasına iliĢkin araĢtırmaların yalnızca %25'inin çiftliklerde test edildiğini ve ölçeklendirildiğini belirtmiĢtir. Türkiye, BirleĢmiĢ Milletler Ġklim DeğiĢikliği Çerçeve sözleĢmesi kapsamında UNFCCC'ye taraf bir ülke olarak 2030 yılına kadar sera gazı emisyonlarını azaltmayı kabul etmiĢtir. Bu kapsamda tarım sektöründen kaynaklanan emisyonların azaltılmasına yönelik azaltım stratejileri geliĢtirilmiĢtir. Bu stratejiler arasında; toplulaĢtırma ile yakıt tasarrufu, meraların iyileĢtirilmesi, gübre yönetimi ve modern tarım uygulamaları yer almaktadır. Ne yazık ki tarımsal üretimde en yüksek emisyon kaynağına sahip olan enterik fermantasyonu kapsayan bir azaltım stratejisi bulunmamaktadır. Tarımsal kaynaklı sera gazlarının %47'si enterik fermantasyondan, %40'ı tarım topraklarından, %11'i gübre yönetiminden ve %2'si diğer atıklardan kaynaklanmaktadır (Ağaçayak ve Öztürk, 2017). Sera gazı emisyonları küresel ısınma yanında tarım ve hayvancılığı da olumsuz yönde etkilemesine rağmen, Türkiye'de emisyonların azaltılması ile ilgili çok fazla bilimsel çalıĢma bulunmamaktadır. Kyoto protokolü gereğince, Türkiye de hayvan barınaklarından yayılan emisyonların kontrol altına alınması ve azaltılmasına iliĢkin yasal düzenlemelerin hayata geçirilmesi zorunluluğu bulunmaktadır. Son yıllarda biyoteknoloji alanında yapılan çalıĢmalar, NH3, CH4, N2O ve CO2 gibi kirletici gazların azaltılmasında düĢük maliyetli ve çevre dostu sistemlerin 2 geliĢtirilmesine olanak sağlamıĢtır. Yaygın biyoteknolojik yöntem olan mikroalgler, sera gazları için etkili azaltma yöntemi olmalarının yanı sıra, yüksek potansiyel protein ve yağ içeriği gibi faydalı özellikleriyle yem ve yiyecek olarak kullanılma olanağına sahiptir. Dünyada artan alternatif enerji kaynaklarına olan ihtiyaçlar doğrultusunda mikroalgler yenilenebilir hammadde kaynaklarından birisi olarak karĢımıza çıkmaktadır. Yenilenebilir kaynak olarak mikroalgerin baĢta biyoyakıt üretimi olmak üzere, sera gazı emisyonlarının azaltılmasında da önemli bir rolü vardır. Mikroalglerin büyüme hızlarının dolayısıyla biyokütle verimlerinin çok yüksek olması, üretimleri için ekilebilir araziye ihtiyaç duyulmaması, yüksek yağ içermeleri ve bütün bunlar için baĢta atık baca gazlarından olan karbondioksit ve diğer sera gazlarını kullanıyor olmaları ekonomik sürdürülebilir bir enerji kaynağı olduklarını göstermektedir (Soydemir, 2016). Mikroalgler günümüzde biyoteknolojik süreçlerden geçirilme kolaylığı ve çok hızlı yetiĢtirilebilme özelliklerinden dolayı birçok alanda kullanılmaktadır. Son yıllarda özellikle yakıt üretiminde, gıda maddesi olarak, ilaç sektöründe ve tarımda kullanımına yaygın olarak rastlanmaktadır. Bu nedenle mikroalgler üzerine yapılan çalıĢmalar biyoteknoloji alanında önemli bir yer tutmaktadır. Atmosfere salınan kirletici gazların azaltılması için kullanılan biyoteknolojiler, kirleticilerin arıtılması için ekonomik ve çevre dostu bir yöntem olarak ortaya çıkmıĢtır. Mikroalgler, biyomitigasyonda kirleticileri değerli ürünlere dönüĢtürmek veya metabolize etmek için kullanılır. Son zamanlarda, mikroalg yetiĢtiriciliği atık su arıtımında (Nagarajan vd., 2020) ve hayvansal atıkların (Peter vd., 2021) temizlenmesinde biyolojik bir arıtma yöntemi olarak kullanılmaktadır. Feng, Sun, Zhang, Chang, Zhong, Wu, ... ve Ho, (2022), amonyak bakımından zengin atıksuların mikroalg ile biyohidrojen ve uçucu yağ asitlerine biyolojik dönüĢümünü araĢtırmıĢlardır. Öte yandan araĢtırmacılar, mikroalgal yetiĢtirilen Fotobiyoreaktör Sistemlerinin (PBR) laboratuvar ölçekli çalıĢmalarda NH3, CO2 ve diğer kirleticileri azaltabildiğini bildirmiĢlerdir (Kang, Wang, Xin, Wen, 2014; Kang ve Wen, 2015; Liv vd., 2016). Hayvan barınaklarından yayılan kirleticiler, mikroalglerin geliĢimi için 3 gerekli olan azot (N), fosfor (P) ve potasyum (K) - ve mikro besinler - çinko (Zn), sodyum (Na), demir (Fe) ve bakır (Cu) gibi ana besin maddelerini içerir (Li vd., 2014; 2017). Mikroalgler gibi fotosentetik organizmalar NH3 ve CO2'yi kullanabilir ve bunları biyokütle, biyoyakıt ve hayvan yemine dönüĢtürebilir. Mikroalg türlerinin çoğu, yüksek karbondioksit konsantrasyonlarında geliĢim gösterebilmektedirler. Kang vd. (2014) çalıĢmalarında, laboratuvar ölçekli bir PBR'de yüksek konsantrasyonlarda saf amonyak içeren mikroalglerin büyüme performansını araĢtırmıĢ ve S. dimorphus türünün %94,9 oranında amonyak azaltım kapasitesine sahip olduğunu belirmiĢlerdir. Bir baĢka çalıĢmada Kang ve Wen (2015), S. dimorphus'u CO2-NH3 içeren bir hava ile beslenen düz panel PBR'de yetiĢtirmiĢtir. Sabit bir NH3 gaz -1 -1 konsantrasyonunda (42.4 mg L gün ) ve farklı CO2 konsantrasyonlarının (0.64-5.49 g -1 -1 L gün ) S. Dimorphus türünün geliĢimine etkisini incelemiĢlerdir. Karbondiksit -1 -1 konsantrasyonunun 0.64 g CO2 L gün olduğu durumda, S. Dimorphus türünde en yüksek CO2 absorpsiyon verimliliğini %78 olarak elde etmiĢlerdir. Li vd. (2016) üç aĢamalı olarak yürüttükleri bir çalıĢmada, hayvan barınaklarından kaynaklanan kirletici gazların fotobiyoreaktör sistemler ile azaltılması ve bir gıda kaynağı olarak kullanılmasının ekonomik etkisini incelemiĢlerdir. Ġlk aĢamada, depolanmıĢ hayvan gübresinden salınan gazları ile bir alg kültürünü besleyerek alglerin büyümesini ve NH3 gazının azaltılmasını incelemiĢlerdir. Bu aĢamada Scenedesmus ve Desmodesmus türleri ile sırasıyla %92,7 ve %71 NH3 azaltma verimi elde etmiĢlerdir. Ġkinci aĢamada, depolanan hayvan gübresinden elde edilen partikül madde (PM), alg üretimi için besin kaynağı olarak kullanılmıĢtır. Üçüncü aĢamada, alg kültür ortamından besin elementleri ve tüm mineraller elimine edilmiĢ ve ortama besin kaynağı olarak sadece filtrelenmiĢ kümes havası verilmiĢ ve üç farklı alg türünün (Scenedesmus, Chlorella ve Chlamydomonas) geliĢimi incelenmiĢtir. Elde ettikleri sonuçlara göre, hayvansal üretimden salınan gaz kirleticilerin mikroalgler için besin maddesi olarak kullanılmasının alg üretim maliyetini azalttığını belirtmiĢlerdir. Ayrıca, test sisteminin -2 günlük 20 g m alg biyokütle verimi ile yumurta baĢına 0,0005$'lık bir kâr sunduğunu da belirtmiĢlerdir. Bu çalıĢmada, domuz barınaklarından kaynaklanan sera gazı emisyonlarının azaltılmasında iĢletme ölçeğinde mikroalg kullanımının etkilerinin belirlenmesi 4 amaçlanmıĢtır. ÇalıĢmanın uygulanabilirliğini kısıtlayacak en önemli faktörler; barınak iç ortam havasında bulunan gazların alglerde toksik etki yaratıp yaratmayacağı ve alg kültürünün sıcaklık, pH gibi çevresel faktörlerden olumsuz etkilenip etkilenmeyecekleridir. ÇalıĢmada, laboratuvar Ģartlarında ekimi yapılan ve 10 L‘lik kapasiteye getirilen 2 tane Fotobiyoreaktör sistem Amerika‘da Güney Dakota Devlet Üniversitesi‘nin domuz çiftliğine entegre edilerek 3 hafta süreyle barınak iç ortam gazı ile alg geliĢimi izlenmiĢtir. 5 2. KAYNAK ARAġTIRMASI 2.1. Hayvan Barınakları Ġç Ortamında Bulunan Kirletici Gazlar Hayvan barınakları iç ortamında bulunan hava kirleticileri, barınak içerisindeki çeĢitli biyolojik, fiziksel ve kimyasal kaynaklardan üretilen gaz ve partiküler maddeleri içermektedir. Gaz halindeki kirleticiler, çoğunlukla hayvan metabolizması, gübre ve idrarın parçalanması sonucu açığa çıkmaktadır. Bu kirleticilerin konsantrasyonları, barınak tipine, hayvan türüne, hayvan yaĢına, yem rasyonuna, gübre yönetimine ve çevresel faktörlere (havalandırma, sıcaklık, nem) bağlı olarak değiĢiklik göstermektedir. Amonyak (NH3), metan (CH4), karbon dioksit (CO2) ve azot oksit (N2O), hayvansal üretimden kaynaklanan önemli kirletici gazlardır (Chiumenti, da Borso, Pezzuolo, Sartori, Chiumenti, 2018). Metan (CH4) ve azot oksit (N2O) gazları küresel ısınmayı etkilerken amonyak (NH3) gazı ise ekosistemi olumsuz yönde etkilemektedir. Amonyak (NH3) ayrıca aĢırı seviyelere ulaĢırsa ötrofikasyona sebep olmaktadır (Ngwabie, Jeppsson, Nimmermark, Swensson, Gustafsson, 2009). 2.1.1. Amonyak Amonyak (NH3) hayvansal üretimde gübre ve idrardaki azotlu bileĢiklerin ayrıĢması sonucu ortaya çıkan zararlı kirletici bir gazdır. Amonyak ötrofikasyona ve toprak asitliğine etkisi olmakla birlikte insan sağlığı içinde oldukça zararlı bir gazdır. Ayrıca amonyak, küresel ısınma potansiyeline sahip olan ve CO2 emisyonunun doğrudan 300 kat fazlasına eĢdeğer olan N2O gazının oluĢumunda da rol oynamaktadır. Tarımsal faaliyetten kaynaklanan N2O emisyonları temel olarak nitrifikasyon ve denitrifikasyonun mikrobiyal proseslerinden kaynaklanmaktadır. Azot, gübre veya gübre olarak toprağa eklendiğinde, doğrudan N2O emisyonlarına neden olabilir (Hristov, Hanigan, Cole, Todd, McAllister, Ndegwa, Rotz, 2011). Bu gaz, partiküler maddelerin oluĢmasına sebep olan sülfür ve azot oksit bileĢenleriyle atmosferde çok kolay ve hızlı bir Ģekilde kimyasal reaksiyona girebilmektedir. Ancak 6 bu reaksiyon, sıcaklık ve reaktanların konsantrasyonu gibi çevresel koĢullara bağlıdır. (Hristov vd., 2011; Leytem, 2017). Amonyak, atmosferde, amonyum nitrat (NH4NO3) ve amonyum bisülfat (NH4HSO4) gibi aerosoller oluĢturmak için kükürt dioksit (SO2), nitrik asit (HNO3) ve sülfürik asit (H2SO4) gibi asidik bileĢiklerle kolayca reaksiyona girebilir. Bu aerosoller atmosferde hava kirliliğine neden olmaktadır (Arogo, Westerman, Heber, 2003). Amonyak gazı, hayvancılık iĢletmelerinde gübrenin katı zemin üzerinde depolanması durumunda daha yüksek konsantrasyonlara (10-20 ppm) ulaĢabilmektedir. Ayrıca amonyak gaz konsantrasyonları kıĢ mevsiminde düĢük havalandırma koĢullarında 25 ppm‘in üzerindeki değerlere de çıkabilmektedir. ĠĢletmelerde havalandırmanın yetersiz olması durumunda 40 ppm‘i de aĢabilmektedir (Casey, Gates, Wheeler, Zajaczkowski, Topper, Xin, Liang, 2003). Ahırlarından yayılan amonyak emisyonları kaynağın türü (bina, gübre, depolama ve arıtma tipi, arazi uygulama yöntemi), sıcaklık, pH ve rüzgâr hızı gibi çeĢitli faktörlere bağlıdır. Literatürde ölçülen amonyak emisyonları, domuzlar, süt sığırları, besi sığırları ve kümes hayvanları için sırasıyla 0,2 ila 5, 0,12 ila 1,48, 0,28 ila 0.74 ve 0,5 ila 10 g NH3-N/sa-AU (1 AU = 500 kg canlı ağırlık) aralığında değiĢmektedir. Depolama ve iĢleme yapıları için bu rakamlar, lagünler ve depolama tankları için sırasıyla 0,25 ila 156 ve 3 ila 90 kg NH3-N / ha-gün olarak ölçülmüĢtür (Arogo vd., 2003). Süt sığırları ve besi sığırlarının yetiĢtirildiği iĢletmlerde domuz ve kanatlıya oranla amonyak konsantrasyonları daha düĢük seviyelerdedir. Domuzdan kaynaklanan NH3 -1 -1 emisyon oranları 0,09 ile 12,9 gr NH3 AU saat arasındadır. Kanatlı kümes hayvanları -1 -1 için bu oranlar, 0.24-12.5 g NH3 AU saat olarak domuz ahırlarından daha fazladır (Casey vd., 2003). 7 2.1.2. Karbon dioksit Karbondioksit aerobik ve anaerobik koĢullar altında organik maddenin parçalanmasıyla üretilir. Ahırlardaki karbondioksit, hayvanların solunumu, ısınma ve piĢirmeden çıkan gazlar ve organik maddenin bozulmasıyla yayılmaktadır (Mihina, Sauter, Palkovičová, Karandušovská, Brouček, 2012). Arazi uygulama alanlarından mineralli organik bileĢiklerin toprak mikroorganizmaları ile ayrıĢtırılmasıyla da karbondioksit salınır. Karbondioksit üretiminin hayvancılık iĢletmelerindeki konsantrasyonlarının belirlenmesi oldukça zordur. Hayvan barınağındaki CO2 konsantrasyonlarının hesaplanmasında, toplam CO2, hayvan ve gübre olmak üzere iki farklı kaynaktan değerlendirilir. Gübre hayvan barınağında uzun süre saklanmazsa, CO2 üretimi yüksek değerlere ulaĢmamaktadır. 2.1.3. Metan Hayvancılık iĢletmelerinde sera gazı emisyonlarının temel kaynaklarından birisi olan gübre metan ve azot oksit gaz emisyonlarının %7‘sini oluĢturmaktadır (Aguirre- Villegas & Larson, 2017). Hayvansal üretimde metan gazı, hayvansal atıklar, biyokütlenin yanması ve yemlerin ruminantlarla fermantasyonu sonucu açığa çıkmaktadır. Literatürde, dünyada yıllık 550 Tg metan üretiminin 85 Tg‘sının ruminant hayvanlardan kaynaklandığı bilinmektedir. Bu sebeple, hayvansal üretimden kaynaklı metan gazı emisyonlarının belirlenmesi ve tahminlenmesi konusu oldukça önemlidir. Fakat barınaklardan yayılan metan emisyonlarının ölçülmesi oldukça zordur. Metan, atmosfer için karbondioksitten yaklaĢık 21 kat daha fazla zararlıdır. Bu nedenle metan karbondioksitten sonra ikinci önemli sera gazıdır (Dong vd., 2009). Literatürde, hayvansal üretimden kaynaklanan metan gazı emisyonları günlük hayvan baĢına 194 ila 390 g (1 AU=50 kg) arasında değiĢmektedir ve bu rakamlar hayvan ağırlığına, beslenmeye ve süt verimine bağlı olarak farklılık göstermektedir. Doğal havalandırmalı hayvan barınaklarından yayılan metan emisyonları ile ilgili çok fazla veri bulunmamaktadır. Çünkü doğal havalandırmalı iĢletmelerde havalandırma oranı ve emisyon değerlerinin hesaplanması oldukça zordur (Jungbluth, Hartung, Brose, 2001). 8 2.1.4. Hidrojen sülfür Hidrojen sülfür gazı gübre içerisinde bulunan kükürt içerikli organik bileĢenlerin ayrıĢmasıyla açığa çıkmaktadır. Hidrojen sülfür gazı renksiz ve yoğunluk olarak havadan daha ağır bir gazdır. DüĢük konsantrasyonlarda çürük yumurta kokusu vardır. Yüksek konsantrasyonlarda insan ve hayvan sağlığı için oldukça tehlikelidir. Ancak hayvansal üretimde karbondioksit ve amonyak gazına oranla daha düĢük konsantrasyonlarda görülmektedir (Casey vd., 2003). Literatürde, süt sığırları ve kümes hayvanlarından kaynaklanan H2S emisyonları üzerine çok fazla veri yoktur. Hayvansal üretimde H2S gazının temel kaynakları, depolama tankları ve lagünlerdir (National Research Council, 2002). 2.1.5. Uçucu Organik BileĢikler (VOC) Kimyasal yapılarında en az bir karbon ve bir hidrojen atomu içeren kimyasal bileĢikler organik bileĢikler olarak adlandırılırlar. Uçucu organik bileĢikler ise atmosferde normal sıcaklık ve basınç koĢulları altında buharlaĢabilen organik kimyasal bileĢikler olarak tanımlanır. Hayvansal üretim, uçucu organik bileĢiklerin temel kaynaklarından birisidir. AraĢtırmacılar, son yıllarda hayvan ahırlarından kaynaklanan birçok farklı türde uçucu organik bileĢikler tanımlamıĢlardır (Ni, Robarge, Xiao, Heber, 2012). Uçucu organik bileĢikler oda sıcaklığında çok kolay buharlaĢabilmektedir. Bu bileĢikler, sülfitler, aminler, yağ asitleri, alkoller, azot heterosiklikleri, alifatik aldehitler, hidrokarbonlar ve halokarbonları içermektedir (National Research Council, 2002). Zhang, Cai, Koziel, Hoff, Schmidt, Clanton, ..., Heber, (2010) çalıĢmalarında hayvancılık iĢletmelerinden kaynaklanan uçucu oganik bileĢiklerin karakterizasyonunu yapmıĢlardır. ĠĢletmelerden topladıkları hava örneklerini analiz ederek 15 farklı organik bileĢik bulmuĢlardır. Çizelge 2.1‘de domuz ve süt sığırı barınaklarından toplanan hava örneklerinde bulunan organik bileĢikler yer almaktadır. 9 Çizelge 2.1. Domuz ve süt sığırı ahırlarından toplanan hava örneklerinde bulunan organik bileĢikler (Zhang vd., 2010) BileĢen Konsantrasyon Konstantrasyon (ppb) (ppb) Domuz Süt Sığırı Aseik asit 16,9 14.5 Propiyonik assit 29 7.15 Izobutirik asit 3.52 0.24 Butirik asit 20.3 3.93 Ġzovalerik asit 2.94 0.138 Valerik asit 2.18 0.198 Hekzanoik asit 0.589 0.327 Heptanoik asit 0.075 0.108 Fenol 1.7 2.16 p-krezol 9.45 0.737 4-Etilfenol 0.494 0.016 2-Aminoacetophenone 0.06 - Indol 0.071 - Skatole(3-methylindole) 0.027 - 2.2. Hayvan Barınaklarından Kaynaklanan Kirletici Gaz Emisyonları ve Miktarları Hayvan barınaklarında iç ortam hava kalitesini etkileyen birçok faktör bulunmaktadır. Bunlar; barınak tasarımı, sıcaklık, gübre yönetimi, beslenme, altlık ve havalandırmadır. Gübre kaynaklı metan emisyonları özellikle ortam sıcaklığı ve gübre yüzey alanına göre değiĢiklik göstermektedir. Amonyak emisyonları ise sıcaklık, yüzey alanı, pH ve azot alımına bağlıdır (Chiumenti vd., 2018; Deng, Gao, Addy, Chen, Li, Zhang, Ruan, 2018; Hristov vd., 2011). Çizelge 2.2‘de barınaklardan kaynaklanan sera gazı emisyonlarını etkileyen faktörler verilmiĢtir. Çizelge 2.2. Hayvansal üretimden kaynaklanan sera gazı emisyon miktarlarını değiĢtiren faktörler (Schiefler, 2013) Hayvan Beslenme Barınak Yapısal Gübre Gübre Yönetimi Depolama Canlı Besin alımı Sıcaklık Hava hızı Temizleme Yüzey alanı ağırlık Rasyon Rüzgar hızı Havalandırma Altık Araziye Aktivite Besleme Yönlendirme Rüzgar hızı değiĢtirme uygulama Genetik yönetimi Nem Birim alan Zemin yapısı Sıvı gübre 10 Chiumenti vd. (2018) çalıĢmalarında, iki farklı taban sistemine sahip (beton ve kauçuk altlık kaplı) iĢletmede robotik sistem kazıyıcı ve kazıyıcı olmadığı durumdaki sera gazı emisyonlarını incelemiĢlerdir. ÇalıĢmalarında robotik kazıyıcı sistem uygulaması ile sera gazı emisyonlarını azaltmayı amaçlamıĢlardır. Ġç ortamdaki NH3 emisyon oranını -1 -2 -1 -2 12,8 mgh m , zemin yüzeyindeki emisyon miktarını ise 7,4 mgh m olarak -1 -2 hesaplamıĢlardır. Ortalama N2O emisyon oranları ise; 0,43 mgh m (zeminden) ve 0,75 -1 -2 mgh m (zemin ve tanktan) olarak hesaplamıĢlardır. Karbondioksit emisyon oranı ise -1 -2 -1 -2 659,5 mgh m ila 850,5 mgh m olarak ölçülmüĢtür. Ngwabie vd. (2009) doğal havalandırmalı bir süt sığırı iĢletmesinde, kıĢ ve ilkbahar mevsiminde barınak iç ortamından salınan CH4, N2O, NH3 ve CO2 konsantrasyonlarını ölçmüĢlerdir. ÇalıĢmalarında 164-195 baĢ süt sığırı barındırılan bir barınak seçmiĢlerdir. Ölçülen iç ortam N2O konsantrasyonu, 0.29-0.36 ppm (Aralık-Mart) ve 0.34-0.39 ppm (Mayıs) arasında değiĢmektedir. Amonyak emisyonlarının ise mayıs ayında daha düĢük - -1 değerlerde (0.89 g AU 1 saat ) olduğu görülmüĢtür. Bu düĢük konsantrasyon değerlerinin o dönemde barınak içerisinde daha az hayvan faaliyeti olmasından -1 kaynaklandığını belirtmiĢlerdir. Ölçülen NH3 emisyon değerleri ise 0.89 ila 1.13 g AU -1 saat aralıklarında değiĢmektedir. Leytem (2017), bir süt sığır ahırındaki NH3, CH4, CO2 ve N2O gibi sera gazı emisyonlarının, üç farklı kaynaktan (açık alan, atık su havuzu, kompost) salınan emisyon oranlarını belirlemiĢlerdir. Atık su havuzundan kaynaklanan ortalama -2 -1 emisyonlar (gm gün ); 2 g NH3, 103 g CH4, 637 g CO2 ve 0.49 g N2O olarak -2 -1 hesaplanmıĢtır. Kompost tesisindeki ortalama emisyon değerleri ise (gm gün ); 1,6 g NH3, 13,5 g CH4, 516 g CO2 ve 0,90 g N2O olarak ölçülmüĢtür. Tüm iĢletmeden salınan NH3, CH4, CO2 ve N2O'nun birleĢik emisyonlarının sırasıyla ortalama 0.15, 1.4, 30.0 ve -1 -1 0.02 kg inek gün olduğunu belirtmiĢlerdir. Todd, Cole, Clark, Flesch, Harper, Baek (2008), 77 hektarlık bir iĢletmede 45000 baĢ sığırın barındırıldığı ahır iç ortamındaki amonyak emisyon oranlarını incelemiĢlerdir. -1 Emisyon oranlarının; yaz mevsiminde 7420 kg NH3 gün ve kıĢ mevsiminde 3330 kg -1 NH3 gün olduğunu bildirmiĢlerdir. 11 Mihina vd. (2012) çalıĢmalarında tavukçuluk iĢletmelerinden salınan emisyon değerlerinin altlık durumuna göre değiĢimini incelemiĢlerdir. ÇalıĢmaları sonucunda kafeslerdeki altlıkların daha eski ve çok olmasının daha fazla kirletici gazın yayılmasına sebep olduğu sonucuna varmıĢlardır. Ayrıca gaz emisyonlarının hayvanların metabolik aktivitelerine bağlı olarak değiĢtiğini de belirtmiĢlerdir. Amonyak emisyon oranları genellikle hayvan birimi veya hayvan ahırı baĢına NH3 veya amonyak azotu (NH3-N) kütlesi olarak tanımlanmaktadır. Arogo vd. (2003), aĢağıdaki Çizelge 2.3‘de gösterildiği gibi NH3-N kütlesi kullanılarak farklı tip hayvan ahırlarından amonyak emisyon oranlarını hesaplamıĢlardır. Çizelge 2.3. Farklı tür barınaklardan kaynaklanan amonyak konsantrasyonları ve emisyonları (Arogo vd., 2003) Konsantrasyon Emisyon (NH3-N) Kaynak Domuz yavrusu 4 kg/yıl-domuz barınak Gastel vd. (1995) Besi domuzu 10-35 2.5 g/h-AU Hinz ve Linke (1998) Damızlık/besi 11-14.7 1.65-4.94 g/h-AU Hendriks vd. (1998) DiĢi domuz 11-22.1 0.86-1.41 g/h-AU Koerkamp vd. (1998) Sütten kesilmiĢ 4.6-7.8 0.55-1.27 g/h-AU Koerkamp vd. (1998) domuz Broiler 24.2 7.6 g/h-AU Wathes vd. (2007) Yumurta tavugu 13.5 7.6 g/h-AU Wathes vd. (2007) Besi sığırı 0.35-0.4 g/h-AU Koerkamp vd. (1998) Süt sığırı 0.26-0.86 g/h-AU Koerkamp vd. (1998) *AU – Birim hayvan = 500 kg canlı ağırlık, 1 g NH3 = 1.214 g NH3-N. Çizelge 2.4-2.6, literatürdeki, süt sığırcılığı, kümes hayvanları ve domuz barınaklarından kaynaklanan kirletici gaz konsantrasyonlarını ve emisyonlarını göstermektedir. 12 Çizelge 2.4. Süt sığırı ahırlarındaki sera gazı konsantrasyonları ve emisyonları Gaz Konsantrasyon Emisyon Kaynak Yaz KıĢ 6.2-21.4 g/AU gün Koerkamp vd. (1998) 20.2-42.5 g/AU gün Koerkamp vd. (1998) 38.9-40.32 g/AU gün Snell vd. (2003) CO2 1430 ppm 1700 ppm Brose vd. (1998) 777 ppm 658 ppm Zhang & Chen (2014) 1697-2281 kg/baĢ yıl Jungbluth vd. (2001) 11900-17500 g/AU Kinsman vd. (1995) gün CH4 327 g/LU gün Crutzen vd. (1986) 194 g/LU gün Amon vd. (2001) 87.13 ppm - Snell vd. (2003) 373-617 g/AU gün Kinsman vd. (1995) 194,4 g/LU gün Amon vd. (2001) 672-528 g/sığır gün Fiedler ve Muller (2011) 25-312 g/baĢ gün Ngwabie vd. (2009) H2S 31 ppb 4 ppb Zhao vd. (2007) N2O 619,2 mg/LU gün Amon vd. (2001) Çizelge 2.5. Kümes hayvanlarından kaynaklanan sera gazı konsantrasyonları ve emisyonları Gaz Konsantrasyon Emisyon Kaynak Yaz KıĢ Yaz KıĢ 0,12 g/ tavuk-d (11-27 Casey vd. (2003) gün) 0,96 g/tavuk-d (47-56 gün) 1-9 ppm 36,9 g 23,1 g NH3/broiler Cheng vd. (2011) NH3/broiler 0,21 kg NH3/tavuk/yıl Faulkner ve Show (2008) NH3 0,26 kg NH3/tavuk/yıl 3 0,23-10,77 mg/m Mihina vd. (2012) 15,1 Chiumenti ve Borso ppm (2018) 5,8 ppm 28,5 ppm Redwine vd. (2002) 300 g/AU gün 190 g/AU gün Wathes vd. (1997) 10-385 g/AU 6.9-344.2 g/AU gün Redwine vd. (2002) gün 3 CH4 46,59-134,12 mg/m Mihina vd. (2012) 3 N2O 0,92-8,24 mg/m Mihina vd. (2012) 13 Çizelge 2.6. Domuzculuk iĢletmelerinde sera gazı konsantrasyonları ve emisyonları Konsantrasyon Emisyon Kaynak Gaz Yaz KıĢ Yaz KıĢ 3 2,64-22,9 mg/m Heber vd. (2000) 50-62 g/AU gün Koerkamp vd. (1994) 72 g/AU gün Heber vd. (2000) -1 NH3 124 g AU-1 gün Dong vd. (2009) 34 g/gün–AU Heber vd. (2000) 120 g/gün–AU Heber vd. (2000) 2.5 g/h–AU Heber vd. (2000) 975,36-9948,78 Mihina vd. (2012) CO2 3 mg/m -1 - 11.3 kg AU gün Dong vd. (2009) 1 3 CH4 33,51-189,63 mg/m Mihina vd. (2012) -1 36.2 g AU-1 gün Dong vd. (2009) 3 N2O 3,62-6,39 mg/m Mihina vd. (2012) 2.3. Kirletici Gazların Çevreye Etkisi Hayvansal üretimden kaynaklanan kirletici gazlar, Dünya‘da sera gazı emisyonlarının %14,5‘lik kısmının temel kaynağı olarak bilinmektedir. Hayvansal üretimden kaynaklanan sera gazı emisyonlarının büyük kısmı araziye uygulama, enterik fermantasyon ve gübre yönetim sistemlerinden kaynaklanmaktadır. Sera gazı emisyonlarının artması tarım arazilerinin zarar görmesine, hava ve çevre kirliliğine ve biyo-çeĢitliliğin azalmasına sebep olmaktadır. Kirletici gazların çevreye verdiği zararlardan birisi küresel iklim değiĢikliğidir. Tarım ve hayvancılık faaliyetleri atmosferdeki metan, nitrojen oksit ve karbondioksit gazlarının artmasına sebep olmakta bu da dolaylı olarak küresel iklimi etkilemektedir. Hayvansal üretimin artması, gübrenin araziye uygulanması doğal kaynakların kirlenmesine ve azalmasına sebep olmaktadır (Rojas-Downing vd., 2017). 14 Dünya‘da ulaĢım sektörü 5656 Tg CO2-eĢdeğeri emisyona sebep olurken, hayvanlık sektörü 7100 Tg CO2-eĢdeğeri emsiyona sebep olmaktadır. Bu da hayvancılık sektörünün küresel olarak ulaĢım sektöründen daha fazla kirletici gaz emisyonuna sebep olduğununu göstermektedir (Rojas-Downing vd., 2017). Gübre depolama ve enterik fermentasyon sonucu salınan metan gazı, karbon dioksit gazından 28 kat daha fazla küresel ısınmaya katkı sağlamaktadır. Gübrenin araziye uygulanması sonucu salınan nitrojen oksit ise yine karbon dioksit gazından 265 kat daha fazla küresel ısınmaya katkı sağlamaktadır (Grossi, Goglio, Vitali, Williams, 2019) 2.4. Kirletici Gazların Azaltılması Ġçin Kullanılan Yöntemler Dünya‘da, besin zinciri önemli derecede sera gazı emisyonlarını artırmaktadır. Artan nüfusa bağlı olarak daha fazla et ve süt üretim ihtiyacı, bitkisel ve hayvansal üretimin dolaylı olarak da sera gazı emisyonlarının artmasına sebep olmaktadır. Küresel sıcaklık her geçen gün artmakta ve küresel iklim değiĢikliği canlı yaĢamı için tehlikeli hale gelmektedir. Bu tehlikenin minimum düzeyde tutulabilmesi için küresel sera gazı emisyonlarının azaltılması gerekmektedir (Garnett, 2009). Hayvan barınaklarından kaynaklanan kirletici gazların azaltılmasına yönelik literatürde çeĢitli çalıĢmalar bulunmaktadır. Bunların birçoğu hayvanların yem içeriğinin ve gübre yönetim sistemlerinin kontrol edilmesi ile gazların azaltılmasına yönelik yapılan çalıĢmalardır. Örneğin metan gazının azaltılmasına yönelik yapılan çalıĢmalara bakıldığında, pek çok araĢtırmada hayvanların yem rasyonlarının kontrol edilmesiyle metan gazının çıkıĢının azaltılmasına yönelik yapılan çalıĢmalar bulunmaktadır. Mostafa vd. (2020) çalıĢmalarında, amonyak ve partiküler maddelerin emisyonlarının azaltılması üzerine "hava karıĢtırıcı (air scrubber)" ve "su-yağ karıĢımlı sprey" olmak üzere 2 farklı yöntem geliĢtirmiĢlerdir. Kapasiteleri 515 ve 680 baĢ olan iki ayrı domuz barınağında bu iki yöntemin etkinliğini incelemiĢlerdir. Ortalama emisyon azaltım oranlarını, PM10 için %61 ve NH3 için %32 olarak bulmuĢlardır. 15 2.4.1. Barınak tasarımı BüyükbaĢ ve küçükbaĢ hayvan barınaklarında hava kirleticileri, hayvanların ve çiftlik çalıĢanlarının sağlığı için risk oluĢtururken çevresel kirliliğe de sebep olmaktadır. Hava kirleticilerinin konsantrasyonları, barınak sistemlerinin tasarımına, havalandırma koĢullarına ve gübre yönetimine bağlı olarak değiĢiklik göstermektedir (Aarnink vd., 1995). Hayvan barınaklarının tasarımı, gübrenin toplanması, depolanması ve iĢlenmesi için kullanılan yöntemlere göre kirletici gaz emisyonlarını doğrudan etkileyebilmektedir. Genellikle, gübrenin uzun süre depolandığı gübre sistemleri, günlük olarak uzaklaĢtırıldığı sistemlere göre daha fazla NH3 ve CH4 emisyonu üretmektedir. Bu sebeple barınak tasarımı ve gübre yönetim sistemlerinin hayvansal üretimden kaynaklanan amonyak emisyonu üzerinde büyük etkisi vardır (Gerber, Henderson, Makkar, 2013). Besi sığırcılığı için kullanılan barınaklar, N2O ve CH4 emisyonlarına neden olan süreçleri doğrudan etkilemez; bununla birlikte, hayvanları barındırmak için kullanılan yapı türü, gübre ve nihai atığın depolanması ve iĢlenmesi için kullanılan yöntemi belirler. Bu nedenle, barınak tasarımının hayvan gübresinden kaynaklanan NH3 ve CH4 emisyonları üzerinde önemli bir dolaylı etkisi olabilmektedir. 2.4.2. Yem rasyonu Yem rasyonunun, özellikle geviĢ getiren hayvanlarda azot atılım yolu üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Powell ve Broderick (2011) çalıĢmalarında, yem rasyonunda protein oranının düĢürülmesinin, üretilen gübredeki azot mineralizasyon oranını düĢürmesi nedeniyle, araziye uygulanan gübrelerden amonyak emisyonlarını azaltmada etkili bir yol olduğunu belirtmiĢlerdir. Literatürde yapılan çalıĢmalarda, yemden alınan ham protein ve rumende parçalanabilen protein konsantrasyonunun azaltılması, üre atılımında, amonyak konsantrasyonunda ve gübreden kaynaklı N2O emisyonlarında etkili olduğu belirtilmiĢtir (Külling vd., 2001, Lee vd., 2012, Luo, De Klein, Ledgard, Saggar, 2010). 16 2.4.3. Hava temizleyiciler Hava temizleyiciler, barınak ortamından salınan partiküler maddeler ve kirletici gazları, filtre ve nem ile havadan uzaklaĢtıran bir hava temizleme sistemidir. Literatürde yapılan çalıĢmalar, hava temizleyici sistemlerin mekanik havalandırmalı hayvan barınaklarında kirletici gazları baĢarılı bir Ģekilde temizlediğini göstermektedir. Hava temizleyiciler; kimyasal, biyolojik ve kombine havalı yıkayıcı sistemler olarak 3 gruba ayrılmaktadır. Kimyasal hava temizleyicilerde, sisteme asit vb kimyasallar ekelenerek amonyum absorbe etme kapasitesi artırılmaktadır. Biyolojik hava temizleyicilerde ise, kirli hava sistemdeki su içerisinde tutulur ve kirletici gazlar mikroorganizmalar tarafından absorbe edilir. Örneğin amonyak, bakteriler tarafından nitrifikasyon yoluyla nitrite oksitlenir ve artından nitrata dönüĢtürülür. Bu dönüĢüm iĢlemleri, Nitrosomonas ve Nitrospira gibi amonyak ve nitrit oksitleyici bakteriler tarafından gerçekleĢtirilir. Kimyasal hava temizleyiciler amonyak gazının azaltılmasında etkili olurken, biyolojik hava temizleyiciler kokunun azaltılmasında etkili olmaktadır. Bu sebeple kimyasal ve biyolojik hava temizleyiciler kombine olarak arka arkaya gelecek Ģekilde yerleĢtirildiğinde, amonyak, koku ve partiküler maddeler gibi farklı tipteki kirleticiler aynı anda ayrıĢtırılabilmektedir (Guo vd., 2022, Van der Heyden, Demeyer, Volcke, 2015). 2.4.4. Biyofiltreler Biyofiltreler, mikroorganizmalar ile filtre yatağının bir araya getirilmiĢ halidir. Ağaç kabuğu, talaĢ, turba, kompost, çakıl, aktif karbon veya plastik gibi maddeler sürekli olarak nemli tutulan filtre yatağının malzemesi olarak kullanılmaktadır. Biyofiltrenin çalıĢma mekanizmasında, biyofiltre materyalinin içerisinde geliĢen mikroorganizmalar biyofilm oluĢturmaktadır. Hayvan barınaklarından gelen kirli hava biyfiltre yatağından geçerken, hava içerisinde bulunan kirletici gazlar mikroorganizmalar tarafından parçalanır. Ayrıca mikrobiyal bozunma sonucu açığa çıkan su, sülfat ve nitrat gibi bileĢenlerde ekolojik olarak güvenli bileĢikler üretirler. Biyofiltreler genellikle tek 17 baĢına değil, hava temizleyiciler (air scrubbers) ile kombine olarak kullanılmaktadır (Guo vd., 2022). ġekil 2.1‘de örnek bir biyofiltre sistem görüntüsü verilmiĢtir. ġekil 2.1 ÇalıĢmanın yürütültüğü domuz barınağında kullanılan biyofiltre sistem görüntüsü 2.4.5. Biyokömürler Kirletici gazların azaltılmasında gübre katkısı olarak biyokömür uygulaması özellikle depolanan gübreden kaynaklanan gaz emisyonlarını uzun vadede etkili bir Ģekilde azaltmaktadır. Biyokömür; piroliz ya da torrefaksiyon yoluyla çeĢitli biyokütle türlerinden yapılan bir yan üründür. Biyokömürler, azaltılması istenilen kirletici gazların çeĢitlerine göre pH, gözeneklilik ve kimyasalları ayarlanarak tasarlanabilirler (Chen, 2021). Maurer vd. (2017) çalıĢmalarında ince bir kömür tabakasının (pH:7,28) pilot ölçekte kurulan bir gübre deposundan salınan amonyak gazının azaltımında önemli düzeyde etkili olduğunu bulmuĢlardır. Bir baĢka çalıĢmada Meiirkhanuly, Koziel, Chen, Białowiec, Lee, Wi, Bakshi, (2020), biyokömürün laboratuvar ölçeğinde bir ortamdaki domuz gübresine bir kerelik yüzeysel uygulamasının NH3 ve fenolü önemli ölçüde azalttığını gözlemlemiĢlerdir. ġekil 2.2‘de biyokömür örneği verilmiĢtir. 18 ġekil 2.2. Biyolojik kömür örneği (Kumar vd., 2022) Perera ve Sampath (2020) çalıĢmalarında, 6 L domuz gübresinden kaynaklanan amonyak ve karbondioksit gazları için 85 günlük %2,5 odun talaĢlı biyokömür uygulamasında amonyak gazında %26 ve karbondioksit gazında %50 oranında azaltım elde etmiĢlerdir. Liu vd. (2011) çalıĢmalarında ceviz kabuğu, hindistan cevizi kabuğu ve kömürün sıvı domuz gübresinden kaynaklanan amonyak ve sera gazı emisyonlarının azaltılmasında önemli derecede etkili olduklarını belirtmiĢlerdir. 2.5. Mikroalg Üretim Sistemleri Mikroalg üretim sistemleri açık ve kapalı sistemler olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Açık sistemler kurulumu kolay ve ekonomik, kapalı sistemler ise daha kompleks ve maliyeti yüksek sistemlerdir. Ancak kapalı sistemlerde biyokütle verimi daha yüksek ve alg geliĢim parametreleri daha iyi kontrol edilebilmektedir (Ahmad, Abdullah, Koji, Yuzir, Muhammad, 2021). 2.5.1. Açık Sistemler Açık havuz sistemleri ilk defa Almanya‘da II. Dünya SavaĢı sırasında Scenedesmus ve Chlorella türlerinin lipid içeriğini incelemek amacıyla kullanılmıĢtır. Fotobiyoreaktör sistemler ise ilk olarak 1950‘li yıllarda geliĢtirilmiĢtir. Kirleticilerin uzaklaĢtırılması özellikle CO2 gazı için PBR sistemlerin uygulanması ise ilk olarak 1953 yılında ABD‘deki Carnegie Enstitüsü‘nde çalıĢılmıĢtır (Ahmad vd., 2021). 19 Açık havuzlar, kurulum maliyetlerinin ve enerji tüketimlerinin düĢük olması sebebiyle çok sık olarak kullanılmaktadır. Endüstriyel ölçekteki açık havuz PBR sistemler 1000- 2 5000 m ‘lik alanlara kadar kurulabilmektedir. Açık havuzların en önemli dezavantajı mikroalg kültür ortamının dıĢ ortama direk maruz kalmasından dolayı bakteriyel kontaminasyon çok sık görülmektedir ve bu da biyokütle verimini olumsuz yönde etkilemektedir. Açık havuzlarda çevresel faktörlerden dolayı sıcaklığın değiĢken olması, yetersiz aydınlatma ve besin eksikliğinden düĢük biyokütle verimliliği görülmektedir (Zhou, Lu, Han, Li, 2020). Açık havuz sistemleri; dairesel, eğimli, karıĢtırmasız ve yarıĢ pisti olarak ayrılmıĢtır. Yarış pisti (raceway) havuzları Mikroalg üretiminde en yaygın kullanılan büyük ölçekli sistemlerden yarıĢ pisti havuzlarında, mikroalg kültürü yarıĢ pisti boyunca sirküle edilerek yetiĢtirilmektedir. GüneĢ ıĢığından faydalanma ve mikroalg hücrelerinin büyüme oranını arttırmak için 15- 50 cm yükseklikte sığ yapılırlar. YarıĢ pisti havuzlarında, mikroalglerin çökmesini engellemek için sürekli çalıĢan kanatlı çarklar sirkülasyonu sağlamaktadır (Elcik ve Cakmakcı, 2017). Sürekli üretim döneminde çarkların ön kısmından besin takviyesi yapılırkan arka kısmında da hasat yapılmaktadır. Bu sistemlerde, alg kültürü diğer mikroorganizmalar tarafından kolayca kontamine olabilmektedir. Bu sebeple yarıĢ pisti tipi havuzlarda yapılan yetiĢtiricilikte, kontaminasyonu önlemek için kültür ortamı yüksek pH‘larda tutulmalıdır bu da yetiĢtiricilik yapılacak alg türünü kısıtlamaktadır (Bahadar ve Khan, 2013). YarıĢ pisti tipi havuzların Ģematik gösterimi ġekil 2.3‘de verilmiĢtir. 20 ġekil 2.3. YarıĢ pisti havuzu Ģematik gösterimi (Bahadar ve Khan, 2013) Dairesel Havuz Sistemleri Dairesel havuz sistemleri, mikroalg kültürünün hareketinin ve karıĢtırma iĢleminin merkezi bir döner karıĢtırıcı tarafından yapıldığı dairesel havuzlardır. Havuzlar genellikle 20-30 cm derinliğinde ve 40-50 cm çapında yapılmaktadır ancak sadece 2 10000 m ‘lik alanlara kadar verimli bir Ģekilde üretim yapılabilmektedir. Diğer açık sistemlerde olduğu gibi sıcaklık ve kontaminasyon kontrölünün zor olması sistemin dezavantajlarındandır. Asya ülkelerinde çoğunlukla Chlorella sp. türünün geliĢtirilmesi için kullanılmaktadır (Ahmad vd., 2021). Dairesel havuz sistemlerine bir örnek ġekil 2.4‘de verilmiĢtir. ġekil 2.4. Dairesel havuz sistemleri (Shen vd., 2009) 21 2.5.2. Kapalı sistemler Kapalı yada fotobiyoreaktör sistemler (PBR), mikroalglerin sağlıklı büyümesi için ıĢık, besin maddeleri, sıcaklık ve hava gibi tüm temel unsurları sağlayan etkili yetiĢtirme tekniklerini kullanan yetiĢtirme sistemleridir. Fotobiyoreaktörler daha genel olarak mikroalg geliĢimi için kullanılan kapalı kap olarak tanımlanabilir (Huang, Jiang, Wang, Yang, 2017). Fotobiyoreaktör sistemlerin avantajları; mikroalglerin fotosentez etkinliğinin ve biyokütle veriminin daha yüksek olması, kontaminasyon riski ve buharlaĢma ile su kaybının daha düĢük olması, kontrol edilebilir ortam koĢullarının sağlanabilir olmasıdır. Daha etkili ve ekonomik mikroalg üretimi için farklı tipte fotobiyoreaktör sistemler geliĢtirilmiĢtir. Bunlar; plastik torbalar (plastic bags) (Kim vd., 2016; Sierra vd., 2008; Wang vd., 2012), tübüler (tubular) (Richmond vd., 1993), düz panel (flat-plate), hava kaldırmalı (air-lift) (Kaewpintong vd., 2007; Ranjbar vd., 2008; Rubio vd., 1999; Ugwu vd., 2002), karıĢtırmalı tank (stirred-tank) fotobiyoreaktörlerdir (Ogbonna, Soejima, Tanaka, 1999; Zhang, 2013). Tübüler Fotobiyoreaktörler Tübüler reaktörler, aydınlatma için nispeten geniĢ bir kullanılabilir yüzey alanına sahip olduğundan, açık havada mikroalg üretimi için en uygulanabilir sistemlerden biridir. Reaktör malzemesi olarak genellikle cam veya plastik borular kullanılmaktadır (Iluz & Abu-Ghosh 2016; Vasumathi, Premalatha, Subramanian, 2012, Wang vd., 2012). Bu Ģeffaf tüpler, güneĢ ıĢığını en üst düzeye çıkarmak için farklı desenlerde (örneğin düz, bükülmüĢ veya spiral) ve yönlerde (örneğin yatay, eğimli, dikey veya sarmal) düzenlenebilir ve mikroalg kültürü bir pompa ile sirküle edilebilmektedir. Arazi kullanımını azaltmak için, borular genellikle yatay çit benzeri bir yapıda dizildiğinde, bu durum iĢletme maliyetini artırmaktadır (Huang vd., 2017). Yatay ve düĢey tübüler fotobiyoreaktör sistem örnekleri ġekil 2.5‘de verilmiĢtir. 22 ġekil 2.5 Yatay ve düĢey tübüler fotobiyoreaktör sistem örnekleri (Slegers vd., 2013) Tübüler PBR'lerin çapları genellikle 10-60 mm arasında değiĢiklik göstermektedir ve uzunlukları birkaç yüz metreye kadar çıkabilmektedir (Posten, 2009). Tüp içerisinde 0,2 −1 ila 0,5 ms aralığındaki sıvı hızları genellikle alg geliĢimi için uygun kabul edilmektedir. Tübüler PBR'ler popüler olmasına rağmen, hala birçok dezavantajı vardır. Özellikle büyük çaplı tüplerde dıĢ mekân kültürlerinde tüpün orta kısmındaki hücreler çok az ıĢık almakta ve büyümeleri kısıtlanmaktadır. Ayrıca PBR borularının küçük çaplarından kaynaklanan sınırlı hacim sebebiyle kültür ortamlarında yüksek sıcaklık artıĢı meydana gelebilmektedir (Junying, Junfeng, Baoning, 2013). Plastik Torbalar (Plastic bag PBR) Plastik torba PBR sistemler düĢük maliyetlerinden dolayı son yıllarda özellikle mikroalglerin ticari üretimi için çok sık kullanılmaktadır. 5 ila 250 L hacimli plastik 23 torbalarda havalandırma sistemleri ile düĢük maliyetli olarak mikralg geliĢimi sağlanabilmektedir. ġekil 2.6‘da plastik torba PBR sistemlerinin görüntüsü verilmiĢtir. ġekil 2.6. Plastik torba PBR sistemler Plastik torba PBR'ler son yıllarda yaygın olarak tercih edilmesine rağmen, birçok dezavantajı vardır. Ġlk olarak, genellikle torbaların yerçekimi ile bozulmasından dolayı mikroalglerde fotosınırlama meydana gelmektedir. Bu sistemlerde yetersiz karıĢtırmadan dolayı hücreler zarar görmekte ve PBR‘ın bazı bölgelerinde hücre büyümesi azalmaktadır. Bir diğer dezavantaj ise, temizleme ve sızdırma sorunları nedeniyle torbaların ömrünün kısa olması ekonomikliğini sınırlandırmaktadır. Son olarak, büyük miktarlardaki plastik poĢetlerin atılması potansiyel bir sorun teĢkil etmektedir (Kim vd., 2016; B. Wang vd., 2012). Karıştırmalı Tank Fotobiyoreaktörler KarıĢtırmalı tank tipi PBR‘ler, çelik, cam ya da organik camdan yapılan ve genellikle sanayide ince kimyasallar veya farmasötik ürünler elde etmek için kullanılan tank biyoreaktörlerdir. KarıĢtırmalı tank PBR‘lerin çalıĢma parametrelerinin kesinliği ve doğruluğu, ısı yoluyla sterilizasyon yaparak kontaminasyonu en aza indirebilmesi gibi avantajları vardır (Assunção ve Malcata, 2020). ġekil 2.7‘de örnek bir karıĢtırmalı fotobiyoreaktör sistem verilmiĢtir. 24 ġekil 2.7. KarıĢtırmalı fotobiyoreaktör sistem (Benner vd., 2022) Düz Panel Fotobiyoreaktörler Düz panel PBR‘lar her iki tarafında Ģeffaf plaka bulunan pileksi cam, akrilik cam gibi Ģeffaf malzemeden ya da polikarbonat ve plastik torbalardan yapılan çerçeveden oluĢmaktadır. Düz panel PBR‘ların temel tasarım ilkesi kültür yüzeyine etki edecek ıĢık penetrasyon derinliğinin azaltılmasıdır. Düz panel PBR‘lerin ıĢık alan yüzey alanlarının fazla olması sebebiyle yüksek fotosentetik verim elde edilmesini sağlamaktadır (Sirohi, Pandey, Ranganathan, Singh, Udayan, Awasthi,, 2022). ġekil 2.8‘de düz panel fotobiyoreaktör sistem verilmiĢtir. 25 ġekil 2.8. Düz panel fotobiyoreaktör sistemler (Bitog vd., 2011) Düz panel PBR‘lerde, ıĢık yolu, panel eğimi, panel kalınlığı, alg türü ve sıcaklık gibi çalıĢma koĢulları optimize edilerek daha düĢük enerji tüketimi ile maksimum biyokütle eldesi sağlanabilmektedir. Slegers, Wijffels, Van Straten, Van Boxtel, (2011) çalıĢmalarında paneller arasında oluĢacak gölgelerin ıĢık penetrasyonunu olumsuz yönde etkilediğini belirtmiĢlerdir. Bu sebeple 0,2-0,4 m aralığında panel kalınlığının optimum olduğunu belirtmiĢlerdir. 2.6. Mikroalg GeliĢiminde Etkili Parametreler Mikroalgler için dört ana yetiĢtirme koĢulu vardır. Bunlar; fotoototrofik, heterotrofik, miksotrofik ve fotoheterotrofik yetiĢtirme Ģeklinde sınıflandırılmıĢtır (Chojnacka ve Marquez-Rocha, 2004). Mikroalglerin yetiĢtirilmesinde en çok kullanılan yetiĢtirme koĢulu olan fototrofik yetiĢtirme, mikroalglerin fotosentez için enerji kaynağı olarak ıĢığı ve karbon kaynağı olarak da karbondioksiti kullandığı yetiĢtirme koĢuludur (Huang vd., 2010). Bazı mikroalg türleri sadece fototrofik koĢullar altında büyümekle kalmaz, aynı zamanda bakteriler gibi karanlık koĢullar altında da organik karbonu kullanır. Mikroalglerin organik karbonu hem enerji hem de karbon kaynağı olarak kullandığı duruma ise heterotrofik yetiĢtirme denir (Chojnacka ve Marquez-Rocha, 2004). Miksotrofik yetiĢtirme, mikroalglerin fotosentez yapması ve geliĢimi için karbon kaynağı olarak hem organik bileĢikleri hem de inorganik karbonu (CO2) kullanmasıdır. Bu durum, mikroalglerin fototrofik veya heterotrofik koĢullar veya her ikisi altında yaĢayabileceği anlamına gelmektedir. Mikroalgler, karbon kaynağı olarak organik 26 bileĢikleri ve CO2'i özümser ve mikroalgler tarafından solunum yoluyla salınan CO2, fototrofik yetiĢtirme altında tutulur ve yeniden kullanılır (Mata, Martins, Caetano, 2010). Fototrofik ve heterotrofik yetiĢtirme ile karĢılaĢtırıldığında, mikroalgal yağ üretiminde miksotropik yetiĢtirme nadiren kullanılmaktadır (Chen vd., 2011). Fotoheterotrofik yetiĢtirme, karbon kaynağı olarak organik bileĢikler kullanıldığında mikroalglerin ıĢığa ihtiyaç duymasıdır. Miksotropik ve fotoheterotrofik yetiĢtirme arasındaki temel fark, ikincisinin enerji kaynağı olarak ıĢık gerektirmesidir, miksotrofik yetiĢtirmede ise mikroalgler enerji kaynağı için organik bileĢikler kullanabilir. Bu nedenle, fotoheterotrofik yetiĢtirme aynı anda hem Ģekere hem de ıĢığa ihtiyaç duyar (Chojnacka vd., 2004). IĢıkla düzenlenen bazı faydalı metabolitlerin üretimi, fotoheterotrofik yetiĢtirme kullanılarak arttırılabilse de (Ugwu vd., 2002), bu yaklaĢımı biyodizel üretmek için kullanmak, miksotropik yetiĢtirmede olduğu gibi çok nadirdir. Mikroalglerin karbonhidrat, yağ ve protein içerikleri türlerine göre ve yetiĢtirme koĢullarına göre farklılık gösterebilmektedir. Xu, Miao, Wu, (2006) çalıĢmalarında Chlorella protothecoides türünde yetiĢtirme koĢulu fototrofikten heterotrofik'e değiĢtirildiğinde lipit içeriğinde %40'lık bir artıĢ olduğunu gözlemlemiĢlerdir. Mikroalg geliĢiminin 5 farklı aĢaması vardır (ġekil 2.9);  Adaptasyon evresi: Yeni aĢılanmıĢ kültürün çevreye uyum sürecidir.  Üstel (logaritmik) büyüme aşaması: Adaptasyon evresinden sonra, alg hücre sayısı ve biyokütle konsantrasyonundaki artıĢ zamana bağlı olarak orantılı bir Ģekilde artıĢ göstermektedir. Bu aĢamada besin, alg geliĢiminde sınırlayıcı bir faktör değildir.  Yavaşlama aşaması: Artan biyokütle konsantrasyonu, besin ve ıĢık sınırlaması ya da diğer toksik etkiler sebebiyle bu aĢamada büyüme hızı yavaĢlar. Bu aĢama kısa bir zaman diliminde gerçekleĢir.  Durağan faz: Durağan evre, büyüme hızının sıfır ya da ölüm hızına eĢit olduğu durumda gerçekleĢir. Biyokütle ya da hücre konsantrasyonu maksimum değerine ulaĢır ve neredeyse sabit kalır.  Ölüm fazı: Durağan fazda hücre ölümleri nedeniyle ortama salınan toksik bileĢenler, ölüm evresinin baĢlamasına neden olur. Ölüm oranı yüksek ve büyüme hızı ihmal edilebilir hale gelir (Kılıç, 2017). 27 ġekil 2.9 Mikroalglerin tipik büyüme evresi (Kılıç, 2017). Alglerin geliĢiminde en önemli parametreler; besin, ıĢık, karbon kaynağı, karıĢtırma, pH ve sıcaklıktır. Bu parametrelerin optimum değerleri alglerin türlerine göre farklılık göstermektedir. 2.6.1. Alg türü Mikroalgler denizde, temiz suda ve atık suda geliĢebilen sucul bitkilerdir. Kökleri ve yaprakları yoktur. Yüksek ya da düĢük sıcaklık, açık ya da kapalı sistemler gibi farklı çevre koĢullarında geliĢme gösterebilmektedirler. Birgün içerisinde hücrelerinin iki katına çıkarabilme özelliğine sahiptirler. Sadece sanayi endüstrisinden, insanların doğal aktivitelerinden ve diğer kaynaklardan açığa çıkan karbondioksite ihtiyaçları vardır (Mahfouz, 2014). Klorofil a ve klorofil b‘ye sahip olan yeĢil alglerin doğada yaklaĢık 8000 bin türü bulunmaktadır. YeĢil algler tek hücreli, çok hücreli ya da koloni formunda 28 bulunabilmektedir. YeĢil algler fotosentez için gerekli olan organik karbonu aldıkları sürece çok hızlı geliĢme gösterebilmektedirler (Encarnacion, Benitez, Santos, Medina, 2010). Scenedesmus Dimorphus Chlorophyceae sınıfında tek hücreli bir alg olan Scenedesmus Dimorphus, biyodizel üretmek için yüksek yağ içeriğine sahip en yaygın türlerden biridir. Scenedesmus dimorphus, büyüklüğü yaklaĢık 10 µ olan fasulye Ģeklindeki yeĢil alglerdir. Yüzde 16- 40 gibi yüksek yağ içeriğine sahiptir, bu sebeple biyodizel üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu türün hücreleri çok ağırdır ve bu sebeple reaktör içerisinde devamlı karıĢtırma olmazsa dibe çökme meydana gelmektedir. Bu alg türü için gerekli olan optimum sıcaklık aralığı 30-35°C arasındadır (Encarnacion vd., 2010). Bu türlerin kimyasal formülü literatürde CO0.48H1.83N0.11P0.01 olarak verilmiĢtir (Chisti, 2007). Scenedesmus dimorphus'un kimyasal özellikleri Çizelge 2.7‘de gösterilmektedir. Çizelge 2.7. S. dimorphus'un kimyasal özellikleri (Bordoloi vd., 2016, Vidyashankar vd., 2014) Özellikleri Kuru biyokütle (Ağırlık%) C 52.6 H 6.21 N 8.75 O 31.92 H/C 1.42 O/C 0.46 HHV (Mj/kg) 1 Nem içeriği 0.083 Kül içeriği 17.33 Uçucu bileĢen içeriği 51.45 Fikse edilmiĢ C 31.13 Protein 53.13 Yağ 10.23 Karbonhidrat 22.9 Na 0.11 K 0.09 Ca 1.2 Mg 0.4 Fe 0.09 Zn 0.0057 Cu 0.0003 Scenedesmus Dimorphus kolayca hasat edilebilmektedir. Ayrıca biyo yakıt ve biyoetanol üretimi için olukça yüksek yağ içeriğine sahiptir. Diğer bitkilerle 29 kıyaslandığında çok yüksek oranda fotosentetik aktiviteye sahiptir (Chng vd., 2016). Bordoloi vd. (2016) çalıĢmalarında, Scenedesmus dimorphus, Selenastrum sp, Desmodesmus sp, Scenedesmus quadricauda, Chlorella sp. gibi alg türlerinin sera gazlarını absorbe ederek yüksek miktarlarda biyokütle üretme özellikleri olduğunu belirtmiĢlerdir. Çizelge 2.8‘de Scenedesmus Dimorphus türü için litaratürde yapılan çalıĢmalarda kullanılan çevresel faktörler verilmiĢtir. Çizelge 2.8. Scenedesmus dimorphus türü için kullanılan çevresel parametreler Strain IĢık Sıcaklık Hacim Alg Besiyeri pH Hava CO -1 -2 2 Kaynak ID (mol s m ) (°C) (mL) BBM UTEX 110-120 6.8 25 2.774 Air 250 Kang (2012) 1237 l/min BG-11 100 7 25 0.25 vvm Jiang vd. (2013) BBM 100 8 25 ± 1 250 Zhang vd. (2015) BBM 60–80 26 ± 2 250 Xu vd. (2015) BBM 1.3 Klux 28-30 1.5 L/min Al-Shatri vd. (2015) BBM UTEX 110-120 6.8 25 2.774 Kang vd. (2014) 1237 l/min 3N-BB UTEX 14 W, 48‖ 25 0.1 LPM 5% 150 Welter vd. (2013) 746 florasan 2.6.2. IĢık IĢık alglerin büyümesini etkileyen ana etkenlerden biridir ve metabolizmaları için gerekli enerjiyi sağlar. Bununla birlikte, fazla ıĢık alg hücrelerine zarar da verebilir ve aĢırı miktarda foton alg kültürünün inhibisyonuna neden olabilir (Gris vd., 2014). Algler, diğer tüm bitkiler gibi fotosentez yoluyla inorganik karbonu organik maddeye dönüĢtürür. IĢık yoğunluğu alglerin geliĢiminde etkili olan en önemli faktörlerden biridir. IĢık yoğunluğu, spektral kalitesi ve fotoperiyot gibi parametreler bu reaksiyonun gerçekleĢmesi için oldukça önemlidir. Algler, foto-inhibitasyon nedeniyle algin fotosentetik kapasitesinden daha yüksek ıĢık yoğunluğunda düzgün Ģekilde büyümezler. Doğrudan güneĢ ıĢığı da alglerin geliĢiminde olumsuz etkilidir. Algler güneĢ ıĢığının ancak 1/10‘u kadarını absorbe edebilmektedirler (Encarnacion vd., 2010). 30 Scenedesmus Dimorphus Mikroalg ve siyanobakteriler, spektrumu 400 ila 700 nm arasında olan ıĢıkları emer. Yapılan çalıĢmalar 750 nm dalga boyundan fazla olan ıĢık spektrumunun kimyasal enerjiye dönüĢtürülmek için yeterli enerjiye sahip olmadığını göstermektedir. Genellikle, 600-800 nm arasındaki ıĢık enerjisi spektrumunun en iyi fotosentetik aktivite için optimum foton aralığı olduğu düĢünülmektedir (Katuwal, 2017). Zhang vd. (2015), farklı aydınlık/karanlık döngüleri, ıĢık yoğunlukları ve ıĢık frekansları gibi ıĢık koĢullarının Scenedesmus dimorphus'un büyümesi üzerindeki etkisini araĢtırmıĢlardır. Scenedesmus Dimorphus yetiĢtirmek için atık su kullanmıĢlardır. Azot tüketim oranlarının, farklı aydınlık/ karanlık döngülerinde (16: 8, -1 -1 20: 4 ve 24: 0) aynı olduğu (10 mgL gün ) sonucuna varmıĢlardır. 20:4 ve 24 0 -1 -1 aydınlık/karanlık döngülerinde ise maksimum fosfor giderim oranı (1.5 mgL gün ) elde etmiĢlerdir. ÇalıĢmaları, Scenedesmus dimorphus'un, nitrojen ve fosforun en iyi Ģekilde çıkarılma kapasitesi için en az 16 ve 20 saat boyunca aydınlatılması gerektiğini -2 -1 göstermektedir. Azot ve fosfor giderim hızı, ıĢık yoğunluğu 50 ila 400 µmolm sn -1 2 -1 arasında değiĢtiğinde pozitif yönde etkilenmiĢtir. Dörtyüz µmol m- sn 'nin üzerindeki ıĢık yoğunluğu, Scenedesmus dimorphus'un büyümesinde foto-inhibasyona neden olmuĢtur. Ayrıca bu tür için en iyi ıĢıklanma frekansının 2500 Hz olduğunu belirtmiĢlerdir. ÇalıĢmalarında kırmızı ve mavi ıĢık karıĢımının alg büyümesi üzerindeki etkisini incelemiĢlerdir. Elde edikleri sonuçlara göre; alg üretimi, aynı aydınlık/karanlık döngüsü 24:0 olan beyaz ıĢıktan % 43 daha yüksek sonuçlar vermiĢtir. Fotobiyoreaktörlerde alg yetiĢtirmek için birçok araĢtırmacı tarafından floresan lambalar kullanılmaktadır. Komarreddy vd. (2013), floresan lambaların verimliliğinin % 45 civarında olduğunu belirtmiĢlerdir. Floresan lambalar ekonomik ve kurulumları kolay olduğu için çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Floresan lambaların en önemli dezavantajı, verimlerinin zamanla azalması ve kullanım ömrünün yaklaĢık 10000 saat olması, yani yaklaĢık 1 yıl olmasıdır. Florasan lambalara ait ıĢık spektrumu ġekil 2.10‘da verilmiĢtir. 31 ġekil 2.10. Floresan Lambaların IĢık Spektrumu (Kommaredy vd., 2013) 2.6.3. Sıcaklık Sıcaklık, alg hücrelerinin metabolik aktivitelerini ve geliĢimlerini doğrudan etkileyen çevresel parametrelerden birisidir. Çoğu alg türleri 16-27°C sıcaklık aralığında geliĢim gösterebilmektedirler. Yapılan çalıĢmalar Scenedesmus Dimorphus türü için optimum sıcaklık aralığının 30-35°C olduğunu göstermiĢtir (Encarnacion vd., 2010). Çok yüksek ve düĢük sıcaklıklar alg hücrelerinin geliĢimini olumsuz yönde etkilediği gözlenmiĢtir (Mahfouz, 2014). Knutson, McLaughlin, Barney (2018) yürüttükleri çalıĢmada sıcaklığın iki farklı alg türünün (Neochloris oleoabundans ve Scenedesmus dimorphus) geliĢimi üzerindeki etkisini incelemiĢlerdir. Elde ettikleri sonuçlara göre Scenedesmus Dimorphus türünün geliĢimi için optimum sıcaklığın 26°C olduğunu belirtmiĢlerdir. Xin vd. (2011) çalıĢmalarında Scenedesmus sp. türünün geliĢimi için gerekli optimum sıcaklığı araĢtırmıĢlardır. Elde ettikleri verelere göre Scenedesmus sp. türü için optimum sıcaklığın 20°C olduğunu belirtmiĢlerdir. Alg geliĢiminin sıcaklığa bağlı değiĢimini gösteren grafik ġekil 2.11‘de verilmiĢtir. 32 ġekil 2.11. Scenedesmus Sp. türünün farklı sıcaklıklardaki geliĢimi (Xin vd., 2011) 2.6.4. Havalandırma Fotobiyoreaktör ortamında gazların (oksijen ve karbondioksit) taĢınması fotosentez reaksiyonu için oldukça önemlidir. Reaktör içerisinde yeterli karıĢım oluĢturulmazsa, alg hücrelerinde dibe çökme görülür ve bu da reaktör içerisinde karanlık bölgelerin oluĢmasına sebep olur. Ayrıca yüksek seviyede karıĢtırma ise kesme kuvveti sebebiyle alg hücrelerine zarar verebilmektedir. Bu sebeple optimum karıĢtırma alglerin geliĢimi açısından oldukça önemlidir. Genellikle, hava pompası, gaz enjeksiyonu ve mekanik karıĢtırma yöntemleri kullanılmaktadır (Rashid, Rehman, Sadiq, Mahmood, Han, 2014). Reaktör içerisinde genellikle hava kabarcıkları oluĢturularak havanın reaktör içerisine verilmesi en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Bu sistemin yaygın olarak kullanılmasının temel sebebi karbondioksit gazının da hava kabarcıklarıyla birlikte reaktör içerisine verilebilmesidir (Kommaredy vd., 2013). 2.6.5. Besin Mikroalglerin geliĢiminde kullanılacak besinlerle ilgili herhangi bir formül bulunmamaktadır. Ancak her alg türünün geliĢmesi için gerekli optimum, minimum ve maksimum besin değerleri mevcuttur (Katuwal, 2017). Alglerin geliĢmesini sağlayan 33 besin solüsyonları genellikle su ve kimyasal tuzları içermektedir. Alg kültürü genellikle her alg türünde farklı olan kimyasal yapılarına göre ayarlanmaktadır. Alglerin yetiĢtirilmesine yaygın olarak kullanılan alg kültürleri; Bold Basal Medium, Fogg's medium, F-2 medium, Beneck's medium, MA medium, Noro medium, BG-11 medium‘dur. Çizelge 2.9‘da bazı alg türleri için tasarlanmıĢ olan üç farklı besiyerinin besin değerleri verilmiĢtir. Çizelge 2.9. Farklı alg türleri için tasarlanmıĢ olan üç farklı besiyerinin besin değerleri (Hagendijk, 2015) -1 -1 -1 Besin Bold’s Basal (gL ) BG11 (gL ) Modifiye Allen’s (gL ) NaNO3 0.25 1.5 1.5 K2HPO4.3H2O 0.075 0.04 0.039 KH2PO4 0.175 MgSO4.7H2O 0.075 0.075 0.075 CaCl2.2H2O 0.084 0.036 0.025 Ca(NO3)2.4H2O 0.02 Na2SiO3.9H2O 0.058 Citric acid 0.006 0.006 Fe-Amonyum sitrat 0.006 FeCl3 0.002 FeSO4.7H2O 0.005 EDTA. 2Na-Mg tuz 0.05 0.001 0.001 Na2CO3 0.02 0.02 NaCl 0.025 KOH 0.031 H3BO4 (μg/l) 11.41 2.86 2.86 MnCl2.4H2O (μg/l) 1.44 1.81 1.81 ZnSO4.7H2O (μg/l) 8.82 0.222 0.222 Na2MoO4.2H2O (μg/l) 0.391 0.391 CuSO4.5H2O (μg/l) 1.57 0.079 0.079 Co(NO3)2.6H2O (μg/l) 0.49 0.0494 0.0494 MoO3 (μg/l) 0.71 pH 7.4 7.8 Scenedesmus Dimorphus türünün geliĢiminde genellikle Bold Basal‘s Medium kültürü kullanılmaktadır. Al-Shatri vd. (2015) çalıĢmalarında 5 farklı kültürün (Bold‘s Basal Medium (BBM), M4N medium, BG-11 medium, N-8 medium and M-8 medium) Scenedesmus Dimorphus türünün geliĢimi üzerindeki etkisini incelemeĢlerdir. Scenedesmus Dimorphus türünün Bold Basal Medium ile en iyi geliĢme gösterdiği sonucuna varmıĢlardır. Ayrıca çalıĢmalarında 5 farklı kültür ortamında yetiĢtirilen Scenedesmus Dimorphus türünün spesifik büyüme oranı, biyokütle oranı, optik yoğunluğunu ve hücre konsantrasyonu değerlerini gözlemlemiĢlerdir. 34 Literatürde yapılan çalıĢmalar Scenedesmus Dimorphus türünün BBM kültüründe daha iyi geliĢtiğini gösterdiğinden bu çalıĢmada da BBM kullanılmıĢtır. 2.6.6. pH pH alg hücrelerinin geliĢimini doğrudan etkileyen en önemli faktörlerden birisidir. Alg kültür ortamının pH değeri, biyokütle verimini ve algin spesifik geliĢme oranını doğrudan etkilemektedir. pH ayrıca kültür ortamındaki besinlerin taĢınmasında da etkili olarak rol almaktadır. Mikroalglerin geliĢimi için gerekli olan pH genellikle 7-9 aralığındadır (Encarnacion vd., 2010; Hodaifa, Martínez, Sánchez, 2010). Ahmad Latiffi, Radin Mohamed, Apandi, Tajuddin (2017) çalıĢmalarında, Scenedesmus sp. türünün farklı çevre koĢulları (pH, sıcaklık, ve ıĢık) altında geliĢimini incelemiĢlerdir. Elde ettikleri sonuçlara göre Scenedesmus sp. türünün tolere edebildiği maksimum pH aralığının 7-8 olduğunu belirtmiĢlerdir. Alg hücreleri nitrojeni, nitrat, nitrit, amonyak ve üre formunda besin olarak kullanabilmektedir. Besi ortamında bulunun nitrojen miktarı ve formu besiyerinin pH‘ını doğrudan etkilemektedir. Yapılan çalıĢmalar alg hücrelerinin nitrojen alımı sırasında ortamın pH seviyesinin arttığını göstermektedir. Bunun sebebi ise, bir mol - nitrat iyonun oluĢması bir hidroksit (OH ) iyonunun açığa çıkmasına sebep olmaktadır. Bunu gösteren kimyasal reaksiyon aĢağıdaki denklemde verilmiĢtir. - 1.0(NO3) +5.7(CO2) +5.4(CO2) +5.4(H2O) =C5.7H9.8O2.3N1.0+8.25(O2) +1.0(OH ) (1) Algler genellikle nitrojen kaynağı olarak nitrat yerine amonyağı tercih etmektedirler. + Hücrelerin amonyak alımı esnasında ise ortama hidrojen (H ) vermektedirler. Bu da 1 mol amonyak alımı için bir mol hidrojen iyonun ortama verilmesi anlamına gelmektedir. Bu reaksiyon ise aĢağıdaki denklemde verilmiĢtir (Rashid vd., 2014), + + NH4 + 7.6(CO2)+17.7(H2O) = (C7.6H8.1O2.5N1.0)+7.6(O2) + 15.2(H2O) + H (2) 35 Alg geliĢiminde nitrojen kaynağı olarak amonyak ya da nitrat kullanılacaksa, ortamın pH değerinin ayarlanması gerekmektedir. Yapılan çalıĢmalarda ortamın pH değerinin sabit tutulması için genellikle sodyum hidroksit ve hidroklorik asit kullanılmaktadır. 2.7. Mikroalglerin Hasat Edilmesi Mikroalglerin hasadı fiziksel, kimyasal ve biyolojik olmak üzere 3 farklı teknik ile yapılabilmektedir. Mikroalglerin hasadında mevcut uygulanan baĢlıca teknikler arasında santrifüjleme, flokülasyon, filtrasyon ve eleme, çöktürme, yüzdürme ve elektrokoagülasyon teknikleri yer almaktadır (Uduman vd., 2010). Hücreler normal olarak negatif yük ve aĢırı algojenik organik maddeler (AOM) taĢımaktadır ve kültür ortamındaki kütle fraksiyonları genellikle düĢük olduğundan, alg hasadının maliyeti yüksek olmaktadır (Chen vd., 2011). Mikroalglerin hasadı, mikroalg üretimi için gerekli toplam maliyetin %20-30‘luk kısmını oluĢturmaktadır. Yüksek maliyetin sebebi ise mikroalg hücrelerinin çok küçük olması, alg yetiĢtirme havuzlarının çok büyük hacimlerde olması ve hasat iĢleminin zorluğundan kaynaklanmaktadır (Elçik ve Çakmakcı, 2017). Santrifüjleme Santrifüj, birçok mikroalg türünün kültür ortamından ayrılması için kullanılmaktadır. Laboratuvar ölçeğinde yapılan çalıĢmalar, santrifüj yöntemi ile 3-5 dakikalık sürelerde mikroalglerin %80-90‘ının kültür ortamından baĢarılı bir Ģekilde ayrıĢtırılabildiğini göstermiĢtir (Grima vd., 2003). Ancak büyük ölçekli alg yetiĢtirme durumunda santrifüj yöntemi zaman alıcı ve maliyetli olmaktadır. Flokülasyon Flokülasyon iĢlemi, dağılmıĢ parçacıkların çökelme için büyük parçacıklar oluĢturmak üzere bir araya toplandığı bir iĢlemdir. Flokülasyon iĢlemi; otoflokülasyon, kimyasal koagülasyon ve elektrolitik süreç olmak üzere üç aĢamadan oluĢmaktadır. 36 Otoflokülasyon, yüksek pH'da alg hücreleri ile karbonat tuzlarının çökelmesinin bir sonucu olarak meydana gelmektedir. Bu nedenle, sınırlı CO2 kaynağı ile güneĢ ıĢığı altında uzun süreli kültivasyon, hasat için alg hücrelerinin otoflokülasyonuna yardımcı olmaktadır. Kimyasal koagülasyon, flokülasyon iĢlemini hızlandırmak için katı-sıvı ayırma iĢlemlerinde bir ön arıtma aĢaması olarak mikroalg kültürüne kimyasalların eklenmesi ile yapılan uygulamadır (Chng vd., 2016). Kimyasal koagülasyon iĢlemi büyük hacimli mikroalg sistemlerinin hasadı için daha uygundur. Çöktürme Çöktürme iĢlemi, özellikle mikroalglerin su arıtmada kullanımında alg biyokütlesinin sudan ayrıĢtırılması için kullanılmaktadır. Çöktürme yoluyla geliĢmiĢ mikroalg hasadı, lamel ayırıcılar ve çöktürme tankları ile gerçekleĢtirilmektedir (Uduman vd., 2010). Filtreleme ve Eleme Eleme iĢlemi, alg kültür ortamının belirli bir gözenek boyutuna sahip bir elekten geçirilmesidir. Mikro süzgeç ve titreĢimli elek filtreleri mikroalg hasadında birincil eleme ekipmanlarıdır. Eleme iĢleminde, mikroalg kültürünün yoğun olması durumunda elekte tıkanmaya sebep olurken, biyokütle konsantrasyonunun az olması durumunda verimsiz elemeye sebep olmaktadır. 2.8. Mikroalglerin Kullanım Alanları Mikroalgler, atıksuların arıtılmasında ve endüstriyel baca gazlarının azaltılmasında sıkça kullanılmaktadır. Jiang vd. (2013) çalıĢmalarında, bir enerji santralinin baca gazı -1 -1 ile Spirulina platensis yetiĢtirmiĢler ve yılda 2234 kg CO2 (74 tonha yıl eĢdeğeri) azaltımı elde etmiĢlerdir. Literatürde, mikroalgler ile ağır metallerin uzaklaĢtırılması üzerine de çalıĢmalar bulunmaktadır. Arun vd. (2017) çalıĢmalarında, mikroalg kültürü ile CU(II‘nin uzaklaĢtırılmasını incelemiĢlerdir. Kültürde Cu (II) olmadan maksimum biyokütle 37 -1 -1 verimi 5.628±0.05 gL iken, 30 mgL Cu(II) konsantrasyonu ile biyokütle verimi -1 2.51±0.01 gL 'ye düĢmüĢtür. 2.8.1. Mikroalglerin atıksu arıtımında kullanılması Mikroalgler ile atıksu arıtımı, diğer yöntemlere kıyasla sudaki zararlı besin maddelerin arıtımında ekonomik ve çevre dostu bir yöntemdir. Atık sudaki azot, fiziko-kimyasal teknikler (iyonizasyon ve klorlama) ve biyolojik teknikler (nitrifikasyon ve denitrifikasyon) ile giderilebilir. Atıksudaki fosfor ise fiziksel yöntemlerle (sedimantasyon, yüzdürme ve filtrasyon), kimyasal yöntemlerle (çökeltme) ve biyolojik yöntemlerle giderilebilir. Ancak kullanılan bu yöntemlerin çoğu yüksek enerji kaynağı gerektirmektedir. Mikroalgal sistemler ise, atıksudaki zararlı maddeleri temizlerken atmosferdeki zararlı gazlarıda (CO2) kullanarak düĢük enerji ile çalıĢabilmektedir (Kılıç 2017). Mikroalgal sistemlerle; kentsel atıksuları (Kim vd., 2010, Renuka, Sood, Ratha, Prasanna, Ahluwalia, 2013), tekstil atıksuları, hayvansal üretimden kaynaklı atık suları (Park, Jin, Lim, Park, Lee, 2010, L. Wang vd., 2010, Woertz, Feffer, Lundquist, Nelson, 2009) gibi farklı kaynaklı atıksularının arıtılması üzerinde çalıĢmalar yapılmıĢtır. 2.8.2. Kirletici gazların azaltılmasında mikroalg uygulaması Algler 1950‘li yıllarda yapılan çalıĢmalarla birçok sektörün ilgisini çekmiĢtir. Günümüzde biyoteknoloji alanında yapılan çalıĢmalar hızla artmakta ve alglerin yenilenebilir enerji kaynağı olarak kullanılması birçok bilimsel araĢtırmaların temel kaynağı olmaktadır. Algler, biyolojik karbondioksit oksijen dengesinde rol alan birincil canlılardır. Günümüzde alglerin, çevre, gıda, TARIM, yem ve kozmetik gibi alanlarda kullanılması yaygınlaĢmıĢtır. Alg kültürlerinin yetiĢtirilmesi, uygun biyolojik koĢullarının hazırlandığı fotobiyorektör sistemler içerisinde yapılmaktadır. Son yıllarda ticari ya da bilimsel amaçlı yetiĢtirilen algler açık ve kapalı sistemlerde üretilmektedir. Ancak bu üretim sistemlerinden en etkili olanları kapalı sistemlerden birisi olan fotobiyoreaktörlerdir (ġahin ve Akyurt, 2010) 38 Mikroalgler, fotosentetik aktiviteleri ile birlikte geliĢmelerinin diğer bitkilere oranla daha hızlı olmasından dolayı karbondioksit emisyonunun azaltılmasında çok etkindirler. Ayrıca, yetiĢtirilen alglerin biyoyakıt, besin maddesi ve hayvan yemi olarak kullanılma olanakları da bulunmaktadır (Yen, Ho, Chen, Chang, 2015). Keffer ve Kleinheinz (2002) çalıĢmalarında Chlorella vulgaris türünün 1850 ppm CO2 gazı ile bir fotobiyoreaktör içerisindeki geliĢimini incelemiĢlerdir. Elde ettikleri - sonuçlara göre, fotobiyoreaktörün karbondioksit absorbe etme kapasitesini 63,9 gm 3 -1 saat olarak bulmuĢlardır. Noktasal kaynaklı karbondioksit emisyonun azaltılmasında fotobiyoreaktörlerin olumlu etkisinin olduğu sonucuna varmıĢlardır. Kang vd. (2014) çalıĢmalarında, amonyak gazının azaltılması amacıyla kapalı sistem fotobiyoreaktör içerisinde bir mikroalg kültürü (Scenedesmus dimorphus) -1 -1 yetiĢtirmiĢlerdir. 5 farklı amonyak dozunda (9.4, 19.3, 28.9, 39.9, 55.6 mgL gün ), 4 farklı pH değerinde (5, 6, 7, 8) ve 4 farklı seyreltide (D=0.05, 0.1, 0.2, 0.3 gün-1) alg geliĢimini incelemiĢlerdir. En yüksek hücre yoğunluğunu günlük 0.1 litre seyrelti, 39.9 -1 -1 mgL gün amonyak ve pH=7 olduğu koĢulda elde etmiĢlerdir. Kapalı fotobiyoreaktörlerde yetiĢtirilen alglere hayvansal üretimden kaynaklanan amonyak gazı verilerek alg geliĢiminin elde edilebileceğini belirtmiĢlerdir. Bu sayede özellikle tavukçuluk iĢletmelerinden kaynaklanan kirletici gazlardan amonyak gazının azaltılmasında mikro alg yetiĢtiriciliğinin olumlu etkisi olduğu sonucuna varmıĢlardır. Ayrıca hasat edilen biyokütlenin besin değerini incelemiĢler ve yeterli aminoasit besin değerlerini sağlamasından dolayı hayvan yemi olarak kullanılabileceğini belirtmiĢlerdir. Negoro, Shioji, Miyamoto, Micira, (1991) çalıĢmalarında, SOX ve NOX bileĢenlerinin tuza dayanıklı deniz alglerinin geliĢimi üzerindeki etkisini incelemiĢlerdir. 3 farklı alg türünün (Nannochloris sp., Phaeodactylum tricornuttum ve Nannochloropsis sp.) geliĢimlerinde 50 ppm‘lik SO2 konsantrasyonuna kadar değiĢim olmadığını gözlemlemiĢlerdir. Ayrıca SO2 gazının yüksek konsantrasyonları (400 ppm) alg yetiĢme ortamındaki pH‘ı düĢürdüğünden alg kültürünün inhibe olmasına sebep olmuĢtur. 39 Chiu, Kao, Chen, Kuan, Ong, Lin (2008), Chlorella sp. alg türünün karbondioksit emisyonunu absorbe etme kapasitesi, biyokütle ve yağ içeriğini incelemek amacıyla bir fotobiyoreaktör ortamında yetiĢtirmiĢlerdir. ÇalıĢmalarında hücre yoğunluğunun ve karbondioksit emisyonlarının alg geliĢimi üzerindeki etkisini incelemiĢlerdir. %2, %5, %10 ve %15‘lik karbondioksit konsantrasyonlarındaki CO2 indirgeme oranları sırasıyla -1 0.261, 0.316, 0.466 ve 0.573 g saat ve karbondioksit absorbe etme kapasitelerini sırasıyla %58, %27, %20 ve %16 olarak bulmuĢlardır. Kang ve Wen (2015) çalıĢmalarında, karbondioksit ve amonyak gazının bulunduğu bir hava ile beslenen düz panel fotobiyoreaktörde bir yeĢil alg (Scenedesmus dimorphus) -1 yetiĢtirmiĢlerdir. Amonyak gazı günlük 42,4 mgL ‘ye sabitlenmiĢ ve karbondioksit gazı -1 ise günlük 0,64 ile 5,49 gL aralıklarında verilmiĢtir. En yüksek karbondioksit absorbe -1 -1 etme etkinliğini (%78), 0,64 gL gün ‘lük karbondioksit yüklemesinde elde etmiĢlerdir. Elde ettikleri biyokütlenin besin içeriğini ise %7-8 yağ, %55-60 protein ve %21-28 karbonhidrat olarak bulmuĢlardır. Bu besin değerlerine göre biyokütle içeriğindeki aminoasit profilinin hayvan yemindeki ideal protein profiline benzer özellikleri taĢıdığından hayvan yemi olarak kullanılabileceği sonucuna varmıĢlardır. 40 3. MATERYAL ve YÖNTEM 3.1. Materyal 3.1.1. Alg ve besiyeri Bu çalıĢmada Scenedesmus Dimorphus türü kullanılmıĢtır. Bu türün seçilmesinin temel nedeni, çok hızlı ve kolay yetiĢtirilebilmeleri, yüksek oranda karbondioksit absorbe edebilmeleri ve yağ oranının yüksek olmasıdır. Bu çalıĢmada kullanılmak üzere Texas Kültür Koleksiyonu kurumundan Scenedesmus Dimorphus temin edilmiĢtir. Scenedesmus Dimorphus kültürü, Texas da bulunan, UTEX Alg Kültürü Koleksiyon merkezinden temin edilen alg kültürü ile hazırlanmıĢtır (ġekil 3.1). Kültürde biyolojik kirlilik olmadığından emin olmak için tür mikroskop altında kontrol edilmiĢtir. Bu, toplanan kültürden 1μl örnek alınarak ve mikroskopta bir cam lam üzerine yerleĢtirilerek gerçekleĢtirilmiĢtir. Görüntüyü yakalamak için 40X objektif lensli kameralı mikroskop kullanılmıĢtır. Alg kültürünün görüntüsünü doğrudan mikroskoptan bilgisayara aktarmak için Infinity Analyzer yazılımı kullanılmıĢtır. Alg kültürünün mikroskop altındaki görüntüsü ġekil 3.2‘de verilmiĢtir. ġekil 3.1. Scenedesmus Dimorphus alg kültürü 41 ġekil 3.2. Scenedesmus Dimorphus‘un mikroskop altında görüntüsü Alg besiyeri için Bold Basal Medium (BBM), Çizelge 3.1'de gösterilen kompozisyon kullanılarak hazırlanmıĢtır. Çizelge 3.1. Bold Basal Medium Ġçeriği Bold Basal Medium -1 K2HPO4 175 mg L -1 CaCl2*2H2O 25 mg L -1 MgSO4*7H2O 75 mg L -1 NaNO3 250 mg L -1 K2HPO4 75 mg L -1 MoO3 1.42 mg L -1 NaCL 25 mg L -1 EDTA C10H16N2O8 50 mg L -1 KOH 31 mg L -1 FeSO4*7H2O 4.98 mg L H2SO4 1uL -1 H3BO3 11.42 mg L -1 Ġz Elementler (1 mL L ) -1 ZnSO4*7H2O 8.82 g L -1 MnCl2*4H2O 1.44 g L -1 CuSO4*5H2O 1.57 g L -1 Co(NO3)2*6H2O 0.49 g L Bold Basal Medium hazırlamak için UV ıĢığı ile muamele edilmiĢ saf su kullanılmıĢtır. Saf su eldesi için Thermo Scientific Barnstead EASYpure RoDi ultra saf su arıtma sistemi kullanılmıĢtır. Hazırlanan besiyeri, 20 dakika boyunca 121°C'de otoklava yerleĢtirilerek sterilize edilmiĢtir. Sterilize edilmiĢ besiyeri kültür ekimi yapılmadan önce oda sıcaklığında soğutulmuĢtur. Algler, daha önce otoklavda steril edilmiĢ 100 mL 42 ve 200 mL‘lik iki farklı erlenmeyere ekilmiĢtir. Alg ekimi yapılan erlenmeyerler ġekil 3.3‘de gösterilen 2 adet beyaz florasan lamba önüne yerleĢtirilmiĢlerdir. Florasan lambalar 200 mL erlenmeyer 100 mL ġekil 3.3. Alg ekiminin ilk günü erlenmeyer 3.1.2. Fotobiyoreaktör tasarımı Fotobiyoreaktör tasarımında reaktör içinde etkin ıĢık yoğunluğunu sağlamak amacıyla genellikle transparan malzemeler kullanılmaktadır. Bu malzemeler; cam, akrilik, plastik cam, polikarbonat (PC), polietilen (PE) ve polivnil klorürdür. Reaktör tasarımında kullanılacak malzeme seçilirken yüksek dayanımlı, kimyasal özellikleri sabit ve temizlenmesi kolay olmasına dikkat edilmelidir. Fotobiyoreaktör sistemlerde çoğunlukla kullanılan malzemelere ait optik özellikler Çizelge 3.2‘de verilmiĢtir. Çizelge 3.2. Fotobiyoreaktörlerde kullanılan malzemelerin optik özellikleri (Katuwal, 2017) MALZEME IġIK ĠLETĠMĠ (%) KRĠTĠK AÇI KIRILMA ĠNDĠSĠ Akrilik, Plastik Cam 95 42-16°-45° 1.49 Cam 43° 1.52 (1.473) Polivinil Klorür (Pvc) 75 1.5 Polietilen (Pe), 92 (1/8 inch) 46° 1.51 Polikarbonat (Pc) 1.60 Fiberglas 90 Akrilik camlar, yüksek ıĢık geçirgenliği ve daha az ısı kaybı gibi özelliklerinden dolayı diğer malzemelere oranla daha çok tercih edilmektedir. Akrilik cam uzun ömürlü ve 43 ergime noktası yüksek bir malzemedir. Bu sebeplerden dolayı bu çalıĢmada tasarımı yapılacak olan reaktör için akrilik cam malzeme kullanılmıĢtır. Panel tip reaktör için kullanılacak olan akrilik camlar gerekli boyutlarda kesilerek paslanmaz çelik vidalarla birbirine tutturulmuĢtur. BirleĢim noktaları sızıntıyı engellemek için silikonlanmıĢtır. Reaktör boyutları 35 cm yüksekliğinde, 50 cm eninde ve 10 cm geniĢliğinde 15 L hacim kapasiteli olacak Ģekilde yapılmıĢtır. ġekil 3.4‘te reaktöre ait fotoğraf verilmiĢtir. ġekil 3.4. Panel tip fotobiyoreaktör Fotobiyoreaktör tasarımında en önemli çevresel koĢullardan birisi ıĢıktır. Alglerin ıĢık spektrumuna uyacak özelliklere sahip 2 adet cool-white floresan lambalar kullanılmıĢtır. Seçilen florasan lamba ve özellikleri ġekil 3.5‘de verilmiĢtir. ġekil 3.5. Alg geliĢimi için kullanınlan ıĢık sistemi 44 Bu çalıĢmada kullanılacak fotobiyoreaktörlerde havalandırma ve karıĢtırma iĢlemi için kabarcık sistemli difüzer seçilmiĢtir. Bu difüzer reaaktörün uzun kenarına paralel ve reaktör ortasında olacak Ģekilde yerleĢtirilmiĢtir. Difüzer reaktöre gelen havanın besiyerine aktarılmasını ve aynı zamanda karıĢtırma görevini yerine getirmektedir. 3.1.3. Barınak denemesi ÇalıĢmada laboratuvar koĢullarında yetiĢtirilen ve 10 L‘lik hacime getirilen alg kültürleri iki adet 10 L kapasiteli fotobiyoreaktörde South Dakota Devlet Üniversitesi Domuz Çifliğine götürülerek 3 hafta süre ile test edilmiĢtir. 3 haftalık sürede domuz barınak havası doğrudan fotobiyoreaktöre verilerek alg geliĢimi incelenmiĢtir. ġekil 3.6. South Dakota Devlet Üniversitesi Domuz Barınağı South Dakota Devlet Üniversitesi Domuz Çiftliği, Domuz Eğitim ve AraĢtırma Tesisi, Domuz YetiĢtirme tesisi ve Üretim tesisi olmak üzere üç binadan oluĢmaktadır. Tesise ait görüntü ġekil 3.6‘da verilmiĢtir. Barınak biyogüvenliği sebebiyle tesise giriĢ ve çıkıĢlarda duĢ alma sistemi uygulanmaktadır. Domuz yetiĢtiriciliği hepsi içeride ve hepsi dıĢarıda sistemi ile yapılmaktadır. Barınak mekanik olarak havalandırılan 300 baĢlı dört odadan oluĢmaktadır. Binanın güney tarafındaki iki oda, her biri ızgara tabanlı ve 3 m derinliğinde gübre çukuruna sahiptir. Her bir odada 50 bölme vardır ve her bir bölmede 6-7 domuz yetiĢtirilmektedir. ÇalıĢmanın yürütüldüğü barınak iç ortamına ait görüntü ġekil 3.7‘de verilmiĢtir. 45 ġekil 3.7. ÇalıĢmanın yürütüldüğü barınak iç ortamı Deneyin baĢlatıldığı dönemde barınak iç ortam havasında bulunan NH3 konsantrasyonu yaklaĢık 5 ppm olarak ölçülmüĢtür. Fotobiyoreaktör sisteme daha yüksek miktarlarda amonyak konsantrasyonu sağlamak için, PBR sistemin hava giriĢ borusu ızgara zeminin yaklaĢık 30 cm altına yerleĢtirilmiĢtir. Bu sayede hayvanların bulunduğu iç ortam havasına ilave olarak daha kirli olan ızgara tabanın alt kısmındaki hava da PBR sisteme aktarılmıĢtır. Barınak iç ortam havasının PBR sisteme aktarılmasında 1/8 Hp vakum pompası kullanılmıĢtır. Vakum pompasının havayı emdiği kısımda, toz ve partiküler maddelerin PBR sisteme taĢınarak difüzörlerde tıkanıklık ya da kültür ortamında kontaminasyona sebep olmaması için 0.2 µm‘lik hava filtresi yerleĢtirilmiĢtir. Vakum pompası ile PBR sistemlere aktarılan havanın miktarının kontrol edilebilmesi ve istedilen debiye ayarlanabilmesi için ise her bir reaktör için ayrı hava debimetreleri (Cole Parmer, Amerika BirleĢik Devletleri) kullanılmıĢtır. Her bir reaktör için havalandırma oranı 5 L -1 dakika olarak ayarlanmıĢtır. Fotobiyoreaktör tanklarına sadece tek yan yüzeylerinden 46 -1 -2 deney süresince 60-70 μmol s m ıĢık Ģiddetinde iki adet cool-white florasan lamba ile ıĢık verilmiĢtir. Kültür ortamının sıcaklık ve pH değerleri 24 saatlik periyotlarla ölçülmüĢtür. Ortam pH değeri her bir 24 saatlik ölçümlerde 0.1 M HCl ve 0.5 M NaOH ile pH değeri 7‘ye ayarlanmıĢtır. Deney süresi boyunca 24 saatlik periyotlarla her bir tanktan alınan numuneler ile günlük hücre sayımı ve kuru ağırlık tayini yapılarak alg geliĢimi izlenmiĢtir. Barınak içerisine yerleĢtirilen fotobiyoreaktör sistem ġekil 3.8‘de verilmiĢtir. ġekil 3.8. Barınak içerisine yerleĢtirilen fotobiyoreaktör sistem 47 3.2. Yöntem 3.2.1. Hücre sayımı Hücre sayımında; 24 saatlik periyotlarla yaklaĢık 100 µL‘lik pipet yardımıyla fotobiyoreaktör içerisinden alınan örnekler hemositometre slaydı üzerine aktarılarak mikroskopta sayılmıĢtır. Hücreler mikroskop yardımıyla sayılarak ve mL‘deki hücre sayıları hesaplanmıĢtır. Veriler her bir numune için alınarak dijital olarak saklanmıĢtır. Spesifik büyüme hızı ve ikilenme süresi aĢağıdaki verilen eĢitliklerle hesaplanmıĢtır (Becker, 1994); (3) (4) -1 µ: spesifik büyüme hızı (gün ) Nt1: t1 inci gündeki hücre konsantrasyonu (hücre sayısı/mL) Nt0: t0 ncı gündeki hücre konsantrasyonu (hücre sayısı/mL) td: ikilenme süresi (gün) 3.2.2. Biyokütle ölçümü Alg biyokütlesinin kuru ağırlık ölçümü 24 saatlik periyotlarla yapılmıĢtır. Kuru ağırlık tayini için tanktan volümetrik pipetle 25 mL‘lik örnekler alınmıĢtır. Alınan örnekler, alg kütlesinin sudan ayrılması için filtre kâğıdı üzerinde vakum filtre sistemiyle süzülmüĢtür. Filtre kâğıdı olarak 90 mm çapında ve 2,5 μm delik çapı olan 5 numara Whatman marka filter kâğıdı kullanılmıĢtır. Filtre kâğıdına süzülen biyokütleler daha sonra 80-90 dereceye ısıtılmıĢ fırında 3 saat kurutularak kuru ağırlığı ölçülmüĢtür (Goswami ve Kalita 2011; Shen vd., 2009). ġekil 3.9‘da filtre kâğıdında kurutulan biyokütlere ait görüntü verilmiĢtir. Kuru ağırlık hesabında kullanılan eĢitlik aĢağıda verilmiĢtir. 48 (5) ġekil 3.9. KurutulmuĢ biyokütleler 3.2.3. Amonyak ve karbondioksit gaz konsantrasyonlarının ölçümü Amonyak ve karbondioksit gaz konsantrasyonlarının ölçümünde INNOVA 1312 fotoakustik multi gazölçer cihazı kullanılmıĢtır. Gaz ölçüm cihazının ölçüm probu fotobiyoreaktör sistemlere verilen havanın giriĢ açıklığından ölçülmüĢtür. Deney aĢamasında kullanılan gaz ölçüm cihazının görüntüsü ġekil 3.10‘da verilmiĢtir. ġekil 3.10. Gaz ölçüm cihazı 3.2.4. NH3 ve CO2 gaz konsantrasyonlarının azaltım miktarlarının hesaplanması Barınak iç ortam havası, çeĢitli gaz ve toz bileĢenlerinden oluĢmaktadır. Ġç ortamda bulunan gaz ve toz bileĢenleri barınak tipine, hayvan sayısına, havalandırma oranına ve hayvan yaĢına bağlı olarak değiĢiklik göstermektedir. 49 Barınak iç ortam gazının direkt alg kültür ortamına verilecek olması ve alg kültür ortamının da sıvı olması sebebiyle, çıkıĢ gazı bileĢenlerinin (NH3, CO2, H2S, PM) sudaki çözünürlüğü oldukça önemlidir. Amonyak gazı, moleküler yapısında hidrojen bağı oluĢturma yeteneği sayesinde sudaki çözünürlüğü oldukça yüksektir. Amonyak gazı, sulu çözeltide amonyum ve hidroksit iyonları oluĢturmak için sudaki hidrojen iyonlarını alarak çözeltide bazik yapı gösterir. AĢağıda verilen eĢitlikte de görüldüğü gibi amonyak gazı suda çözündüğünde suya amonyum iyonu ve hidroksit verir. (6) Suda çözünen amonyağın bir kısmı, amonyum iyonları oluĢturmak için suyla reaksiyona girmez. NH3‘ün önemli bir kısmı, su çözeltisinde moleküler formda kalabilir. Amonyak gazının sudaki çözeltisine ait iki farklı kimyasal eĢitlik bulunmaktadır. Bunlar amonyum-amonyak dengesi ve amonyak sıvı-gaz faz dengesidir (Kang vd., 2014). (7) (8) Azot bileĢenleri, pH ve sıcaklığa bağlı olarak değiĢiklik göstermektedir. DüĢük pH‘da + azot NH4 olarak bulunurken, yüksek pH‘da NH3 olarak bulunmaktadır (Kang, 2012). Karbondioksit gazı ise, su ortamına girdiğinde dört farklı bileĢime sahiptir. Bunlar - karbondioksit (CO2), karbonik asit (H2CO3), bikarbonat iyonu (HCO3 ) ve karbonat 2- (CO3 ) iyonudur (Ji vd., 2017). Alg kültür ortamındaki CO2 çözünürlüğü, foto-reaktöre, sistemin çalıĢma hacmine, alkaliniteye ve gaz çıkıĢına bağlıdır. Becker (1994) çalıĢmasında, alg kültür ortamına karbon kaynağı olarak CO2 verildiğinde, %13-20 oranında karbondioksitin alg kültürü tarafında absorbe edilebildiğini belirtmiĢtir. Karbondioksit su ile reaksiyona girdiğinde karbonik asit ve onun iyonlarını oluĢturmaktadır. Bu kimyasal denge depolanan CO2 miktarı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Alg tarafından kullanılan CO2 miktarı arttığında, kültür ortamının pH‘ı artmaktadır. Tam tersi durumuda ise, alg tarafından absorbe edilen CO2 miktarı azaldığında ve kültür ortamında çözünmüĢ karbondioksit miktarı arttığında ortamın pH‘ı düĢmektedir (Mcpherson ve Henderson, 1915). Karbondoksit gazının sudaki 50 çözeltisine ait kimyasal reaksiyon denklemi aĢağıdakli eĢitlikte verilmiĢtir (Chng vd. 2016); (9) Amonyak ve karbondioksit gaz konsantrasyonlarının azaltım miktarları alg hücreleri tarafından alınan NH3 ve CO2 fiksasyon oranlarına göre hesaplanmıĢtır. Her bir fotobiyoreaktördeki NH3 ve CO2 fiksasyon oranları, alg hücrelerinin karbon (C) ve azot (N) içeriği ve hacimsel büyüme hızları kullanılarak hesaplanmıĢtır. Goswami ve Kalita (2011) çalıĢmalarında verilen alg biyokütlesinin stokiyometrik formülü (CO0.48H1.83N0.11P0.01) kullanılmıĢtır. Bu formüle göre, S. Dimorphus türünde kütle bazında karbon ve azot içerikleri sırasıyla [C]= %44,83 ve [N]=%7,94 olarak tahminlenmiĢtir. NH3 ve CO2 fiksasyon oranları aĢağıdaki eĢitliğe göre hesaplanmıĢtır (Vidyashankar vd. 2015); (10) -1 -1 Rgaz: CO2 ve NH3 fiksasyon oranı (mg L gün ) CC/N: S. Dimorphus türünün karbon (C) ve azot (N) içeriği (%) -1 -1 Y: biyokütle verimi (mg L gün ) Mgaz: CO2 ve NH3 gazlarının moleküler ağırlığı MC/N: Karbon (C) ve azotun (N) moleküler ağırlığı NH3 ve CO2 gaz azaltım etkinliği ise aĢağıda verilen eĢitliğe göre hesaplanmıĢtır (Kang ve Wen, 2015); (11) EĢitlikte; -1 -1 Cgaz: PBR sisteme verilen CO2 ve NH3 gaz konsantrasyonları (mg L gün ) 3.2.5. Enerji Tüketimi Fotobiyoreaktör sistemin iĢletim maliyetinin hesaplanmasında, aydınlatma ve havalandırma için kullanılan enerji florasan lambaların ve vakum pompasının elektrik gücü tüketiminden yararlanılmıĢtır. Elektrik enerji tüketimi ise aĢağıda verilen eĢitliğe göre hesaplanmıĢtır (Ali, Hasanuzzaman, Rahim, Mamun, Obaidellah, 2021); 51 (12) EĢitlike; E: günlük enerji tüketimi (kWh) P(W): cihaz gücü (W) -1 t: zaman (saat gün ) Enerji tüketim maliyetinin hesaplanmasında, çalıĢmanın yürütüldüğü Güney Dakota eyaleti için geçerli olan 1 kWh enerji tüketimi bedeli olarak 12 sent (c) esas alınmıĢtır. Enerji verimliliği (EE) ise elektrik enerjisi tüketiminin gaz emisyonlarındaki azalma miktarına bölünmesiyle hesaplanmıĢtır (Lee vd., 2020). (13) 3.3. Ġstatistiksel analizler Elde edilen veriler JMP v13.0 istatistik programı ile analiz edilmiĢtir. Domuz barınağı iç ortam havası verilerek test edilen iki fotobiyoreaktör tank arasında hücre konsantrasyonu ve biyokütle verimi açısından istatistiksel farklılık olup olmadığı Student t-test ile incelenmiĢtir. Ġstatistiksel analizler için JMP ve MINITAP programları α=0,05 önemlilik düzeyi dikkate alınmıĢtır. Her bir fotobiyoreaktörden 24 saatlik periyotlarla üç numune alınmıĢtır. Daha sonra hücre konsantrasyonları, biyokütle verimi, pH ve sıcaklık açısından PBR 1 ve PBR 2 t-testi ile karĢılaĢtırımalı analize tabi tutulmuĢtur. Hücre konsantrasyonları ve biyokütle veriminde önemli düzeyde farklılık tespit edildiğinden, CO2 ve NH3 gaz konsantrasyonlarının hücre büyümesi üzerindeki etkilerini daha detaylı incelemek için LSD post hoc testi yapılmıĢtır. 52 4. BULGULAR ve TARTIġMA ÇalıĢmada, 2 adet fotobiyoreaktör tankı bir domuz barınağına yerleĢtirilerek barınak iç ortam havası ile alg geliĢimi incelenmiĢtir. Deney süresince, mikroalg için gerekli çevre koĢullarından ıĢık ve pH optimum değerlerde sabit tutulmuĢtur. Kültür ortamının sıcaklığı ise serbest bırakılmıĢtır. Ayrıca, 21 gün boyunca yapılan denemede, çevresel parametreler (sıcaklık, pH ve kirletici gaz konsantrasyonları) ve alg geliĢimi (hücre sayısı, biyokütle verimi, hücre ağırlığı) incelenmiĢtir. 4.1. Mikroalg geliĢimine etki eden parametreler 4.1.1. pH PH alg hücrelerinin geliĢimini doğrudan etkileyen en önemli faktörlerden birisidir. Alg kültür ortamının pH değeri, biyokütle verimini ve algin spesifik geliĢme oranını doğrudan etkilemektedir. PH ayrıca kültür ortamındaki besinlerin taĢınmasında da etkili olarak rol almaktadır. Mikro alglerin geliĢimi için gerekli olan pH aralığı genellikle 7-9 aralığındadır (Encarnacion vd., 2010, Hodaifa vd., 2010). Alg geliĢiminde azot kaynağı olarak amonyak ya da nitrat kullanılacaksa, ortamın pH değerinin günlük olarak ayarlanması gerekmektedir. Bu çalıĢmada ortamın pH değerinin stabil tutulması için sodyum hidroksit (NaOH) ve hidroklorik asit (HCl) kullanılarak kültür ortamının pH değeri günlük olarak 7‘ye ayarlanmıĢtır. ġekil 4.1‘de, alg kültür ortamının pH‘ının 24 saatlik periyotlarla ölçülen değerleri verilmiĢtir. ġekil 4.1‘de verilen pH değerleri pH ayarlaması yapılmadan önceki pH değerlerini göstermektedir. Algler, fotobiyoreaktöre verilen CO2'yi tam olarak kullanmadığında kültür ortamı asidik hale gelir. Amonyak ise mikroalgler tarafından yeteri kadar alınmadığında ise kültür ortamını bazik hale getirmektedir. Barınak iç ortam havasında nispeten yüksek bir NH3 konsantrasyonu bulunmasına rağmen, deneyin 2. gününden sonra pH değeri neredeyse sabit kalmıĢtır. Bunun nedeni muhtemelen NH4'ün barınak havasındaki organik asitler ve büyüme ortamındaki CO2'den gelen karbonatlar ve bikarbonatlar tarafından nötralize edilmiĢ olmasıdır. 53 Barınak iç ortam havasında yağ asidi, diasetil, p-krezol, skatol ve indol gibi birçok organik kükürtlü bileĢenler bulunmaktadır (Melse ve Ogink 2005). Bunlardan asetik asit ve bütrik asit daha yoğun olarak bulunmaktadır (Ni vd., 2012) ve yağ asidi konsantrasyonları 100 ppm değerlerine kadar ulaĢabilmektedir (Gralapp, Powers, Bundy, 2000; Ni vd., 2012; Spinhirne ve Koziel, 2003). Asetik asitin asitlik değeri (pKa = 4.756), amonyak gazının bazik değerine (pKb = 4.75) oldukça yakındır. Bu da, bu iki kimyasalın kültür ortamında eĢit konsantrasyon değerlerinde bulunması durumunda, alg kültür ortamının pH değerinin nötr olabileceğini göstermektedir. Bu durumda barınak iç ortam havasının fotobiyoreaktöre verilmesi durumunda, alg kültür ortamının pH değerinin çalıĢmada kullanılan olan Scenedesmus Dimorphus türü için optimum pH değerleri arasında kalmasını sağlamıĢtır. Kültür ortamının pH'ı, deneyin 20 günü için 6.80 ile 7.10 arasında ölçülmüĢtür. NH3 -1 -1 gazı konsantrasyonu ise 20 gün boyunca 2.5 ile 12,8 mgL gün arasında değiĢiklik -1 -1 göstermiĢtir (ġekil 4.1). Kang vd. (2014), S. Dimorphus türüne 9.4 ve 39.9 mgL gün arasında bir NH3 gazı vererek alg geliĢimini incelemiĢlerdir. Kang vd. (2014) deneme süresi boyunca minimum miktarda asit ekleyerek ortam pH'ını 7-7.1 aralığında tutmuĢlardır. Bu çalıĢmada elde edilen verilerde Kang vd. (2014)‘ün sonuçlarına benzerlik göstermektedir. Alg kültürünün pH‘ı 21 günlük süre boyunca minimum 6.8, maksimum 7.1 değerine ulaĢmıĢtır (ġekil 4.1). Barınak gazındaki amonyak gazı kültür ortamını bazik hale getirirken, hava da bulunan organik asit gibi diğer bileĢenler de asit hale getirmiĢtir. Bu durum kültür ortamının pH dengesinin 6.8-7.1 aralığında sabit kalmasını açıklamaktadır. 54 ġekil 4.1. Deney boyunca alg kültür ortamını pH değerinin değiĢimi (pH dengelemesi yapılmadan önceki değerler) 4.1.2. Sıcaklık Bir çok mikroalg türünün geliĢimi için optimum sıcaklık aralığı 16-27°C‘dir. Bu sıcaklık aralığı dıĢındaki kültür ortamları mikroalglerin inhibasyonuna sebep olmaktadır (Encarnacion vd., 2010). Knutson vd. (2018) çalıĢmalarında Scenedesmus dimorphus alg türünün geliĢimi için optimum sıcaklığın 26°C olduğunu belirtmiĢlerdir. Chlamydomonas ve Chlorella türleri de 15-35°C sıcaklık aralıklarında geliĢim göstermektedirler. Vítová, Bišová, Hlavová, Kawano, Zachleder, Čížková (2011) çalıĢmalarında Chlamydomonas reinhardtii türünün en iyi geliĢim gösterdiği sıcaklığı 28°C olarak belirtmiĢlerdir. Bir hayvan ahırındaki iç ortam sıcaklıkları hayvan türüne, yaĢına, havalandırma sistemine ve iklim koĢullarına bağlı olarak değiĢiklik göstermektedir. Dong vd. (2009), hem ilkbahar hem de yaz aylarında bir domuz barınağında iç ortam sıcaklıklarını ölçmüĢtür. Ġlkbaharda iç ortam sıcaklığının ortalama 20.7°C±3.4°C, yazın ise 23.6°C ±4.9°C olduğunu bildirmiĢlerdir. Bu deneyde, domuz barınağındaki iç ortam hava sıcaklığı, 21 günlük deney süresince alg büyümesi için en uygun aralıkta kalan 20-25°C arasında değiĢiklik göstermiĢtir (ġekil 4.2). 55 ġekil 4.2. Deney süresince kültür ortamının sıcaklık değiĢimi 4.1.3. Amonyak ve karbondioksit gaz konsantrasyonları ÇalıĢmada, barınak iç ortam havası vakum pomposı ile alg kültür ortamına verilmiĢtir. Ancak barınak iç ortam havasında bulunan toz ve partiküler maddelerin fotobiyoreaktör içerisindeki hava difüzörlerinin çalıĢma etkinliğini negatif yönde etkileyebileceği düĢünüldüğünden gaz transfer hattı üzerine hava filtresi yerleĢtirilmiĢtir. Barınak havasında bulunan toz ve partiküler maddeler hava filtresi sayesinde sisteme dahil edilmediğinden, karbondioksit gazı mikroalgler için tek karbon kaynağı olarak yer almaktadır. Deneme süresi boyunca barınak iç ortam havasındaki amonyak ve karbondioksit konsantrasyonları ölçülmüĢtür (Çizelge 4.1). Barınak iç ortam -1 -1 havasındaki amonyak gazı konsantrasyonları 5-25.6 ppm (2.5-12.8 mg L gün ), -1 -1 karbondioksit gazı konsantrasyonları ise 2000-3890 ppm (2600-5057 mg L gün ) aralığında değiĢiklik göstermiĢtir. 56 Çizelge 4.1. Domuz barınağı iç ortamındaki karbondioksit ve amonyak gaz konsantrasyonları NH3 CO2 Kons. Kons Kons. Kons. (mg CO2 Gün -1 -1 -1 -1 (ppm) (mg L d ) (ppm) L d ) (%) 0 5 2.50 2000 2600 0.2 1 5 2.50 2000 2600 0.2 2 5 2.50 2000 2600 0.2 3 5 2.50 2000 2600 0.2 4 5 2.50 2000 2600 0.2 5 5 2.50 2000 2600 0.2 6 7.7 3.85 2620 3406 0.262 7 12.4 6.20 2850 3705 0.285 8 14.8 7.40 2820 3666 0.282 9 14.3 7.15 2680 3484 0.268 10 12.0 6.00 2190 2847 0.219 11 14.6 7.30 2250 2925 0.225 12 19.0 9.50 2600 3380 0.26 13 18.6 9.30 2580 3354 0.258 14 17.2 8.60 2720 3536 0.272 15 19.4 9.70 2770 3601 0.277 16 22.7 11.35 3220 4186 0.322 17 25.6 12.80 3150 4095 0.315 18 22.4 11.20 3700 4810 0.37 19 23.9 11.95 3840 4992 0.384 20 18.5 9.25 3890 5057 0.389 21 17.5 8.75 3660 4758 0.366 ÇalıĢmada mikroalg biyokütle verimi incelendiğinde, maksimum kuru ağırlık -1 -1 konsantrasyonu (PBR 1 için 0.892 gL ve PBR 2 için 0.884 gL ) her iki PBR için de barınak iç ortamındaki amonyak ve karbondioksit konsantrasyonlarının sırasıyla 14.6 ve 2250 ppm olduğu 11.günde gerçekleĢmiĢtir. Deneme süresi boyunca amonyak ve karbondioksit gaz emisyonları doğrudan ölçülmemiĢtir. Literatürde yapılan çalıĢmalara bakıldığında, amonyak ve karbondioksit emisyon oranları barınak tipi, alttlık, sıcaklık ve havalandırma oranına bağlı olarak değiĢiklik göstermektedir. Aarnink, Keen, Metz, Speelman, Verstegen (1995) bir domuz barınağında (nursery) yürüttükleri çalıĢmalarında amonyak emisyon oranını 0,7 -1 -1 ila 1,2 mg NH3 baĢ gün (canlı hayvan ağırlığı 500 kg) olarak bulmuĢlardır. BaĢka bir 57 çalıĢmada Park vd. (2010) sütten kesilmiĢ domuz ve damızlık domuz barınağında -1 -1 -1 -1 amonyak emisyon değerlerini sırasıyla 0.225 kg baĢ yıl (0.61 g baĢ gün ) ve 0.869 -1 -1 -1 -1 kg baĢ yıl (2.38 g baĢ gün ) olarak bulmuĢlardır. Literatürdeki çalıĢmalara göre domuz barınaklarındaki ortalama emisyon oranı bu çalıĢmada kullanılmak üzere 0,7 g −1 −1 NH3 baĢ gün olarak belirlenmiĢtir. ġekil 4.3. NH3 ve CO2 gaz konsantrasyonlarının değiĢimi 4.2. Alg GeliĢimi 4.2.1. Hücre Konsantrasyonu Literatürde yapılan çalıĢmalar, mikroalglerin hücresel geliĢimlerinin lag fazı, logaritmik faz, lineer çoğalma fazı, durgun çoğalma fazı ve ölüm fazı olmak üzere 5 farklı fazda gerçekleĢtiğini göstermektedir (Encarnacion vd., 2010). Mikroalglerin hücre yoğunluğu, kültür ortamında bulunan besin bileĢenlerinin tükenmesine bağlı olarak artıĢ ya da azalıĢ göstermektedir. Kültür ortamında bulunan besin maddelerinin tükenmesi ile birlikte besin takviyesi yapılmadığında alg hücrelerinde ölüm gerçekleĢmektedir. Scenedesmus Dimorphus türü için ise laboratuvar koĢullarında yürütülen çalıĢmalarda 14. günün sonunda ölüm fazına geçtiği gözlenmiĢtir. Tam ve Wong (1996) yaptıkları çalıĢmada, Chlorella türünün durağan çoğalma fazına 17.günün sonunda geldiğini belirtmiĢtir. Domuz barınağı iç ortam havası ile yapılan denemede, PBR 2 tankında yapılan günlük 58 hücre sayımı değerlerine göre hücre popülasyonu 10.günde durağan faza geçerken PBR 1‘deki hücre popülasyonu ise yoğun büyüme fazında artıĢa devam etmiĢtir. Scenedesmus Dimorphus türü ile yapılan 21 günlük deneme süresi boyunca mikroalg hücre geliĢimi ölüm fazına geçmemiĢtir (ġekil 4.4). Bu ise barınak havasında bulunan gazların ve inorganik bileĢiklerin alglerin besin ihtiyacını karĢıladığı Ģeklinde yorumlanmıĢtır. Ayrıca deneme süresi boyunca mikro alg geliĢiminin ölüm fazına geçmemesi barınak iç ortam havasında bulunan N2O, H2S ve diğer inorganik bileĢiklerin mikroalg geliĢimini inhibe etmediğini göstermektedir. Benzer sonuçlar Li vd. (2014), Li vd. (2017), Kang & Wen (2015) ve Kang vd. (2014) çalıĢmalarında da elde edilmiĢtir. Ayrıca Li vd. (2016) çalıĢmalarında, NH3, PM, uçucu organik bileĢikler (VOC'ler) ve H2S gibi hava kirleticilerinin alg büyümesini engellemediğini bildirmiĢlerdir. Domuz barınağı iç ortam havası ile yapılan 21 günlük denemede hücre sayısı 6 -1 -1 değerlerine göre, PBR 1‘de maksimum hücre sayısı (14,9 x 10 cells mL ) 4758 mg L -1 -1 -1 gün CO2 ve 8,75 mg L gün NH3 konsantrasyonlarının olduğu 21.günde -1 gerçekleĢmiĢtir. PBR 2‘deki maksimum hücre konsantrasyonu (12,2 x 106 hücre mL ) -1 denemenin 17.gününde gerçekleĢmiĢ ve 21.günde 9,2 x 106 hücre mL ‘ye düĢtüğü görülmüĢtür. Denemenin ilk 14 gününde PBR 1 ve PBR 2‘deki hücre sayılarının istatistiksel olarak farklı olmadığı görülürken 14.günden sonraki hücre sayıları istatistiksel olarak farklı çıkmıĢtır. ÇalıĢmada, fotobiyoreaktörlere verilen havanın debisi prinç iğne valfli debimetreler ile ayarlanmıĢtır. Denemenin 14.gününden sonra PBR 2‘deki debimetrede muhtemelen NH3 ve H2S gazlarından dolay korozyon olduğu gözlenmiĢtir. Ġki fotobiyoreaktördeki hücre sayılarındaki farklılık korozyona bağlı olarak PBR 2‘deki hava debisinin bozulmasından kaynaklandığı düĢünülmektedir. Yirmibir günlük deneme süresi boyunca, barınak iç ortam havasındaki karbondioksit gaz konsantrasyonu 2000 ppm (%0,20) ile 3890 ppm (%0,39) aralığında olduğu görülmüĢtür ki bu konsantrasyon değerleri atmosferde bulunan karbondioksit konsantrasyonundan (400 ppm) yüksektir. Vidyashankar vd. (2014), %0,5 CO2 konsantrasyonunda Scenedesmus dimorphus'un spesifik büyüme hızının ve biyokütle -1 -1 veriminin sırasıyla 0,099 gün ve 1,5 g L olduğunu belirtmiĢlerdir. Bu çalıĢmada, 59 logaritmik fazdaki maksimum spesifik büyüme oranı, %0,3 CO2 gaz konsantrasyonunda -1 -1 PBR 1 için 0,28 gün ve PBR 2 için 0,32 gün Ģeklinde gerçekleĢmiĢtir. Her iki PBR‘da elde edilen spesifik büyüme oranları Vidyashankar vd. (2014) tarafından bildirilenlerden daha büyük olduğu görülmektedir. Li vd. (2014) çalıĢmalarında, tavuk gübresinden çıkan kirletici gazlar ile Scenedesmus dimorphus'un geliĢimini incelemiĢlerdir. Spesifik büyüme hızı ve ikilenme süresini, havada bulunan 2,43 ppm -1 NH3 ve 1740 ppm CO2 konsantrasyonlarının görüldüğü günde sırasıyla 0,59 gün ve 1,17 gün olarak bulmuĢlardır. Kang ve Wen (2015) ve Kang vd. (2014) laboratuvar koĢullarında yürüttükleri çalıĢmalarında farklı amonyak ve karbondioksit gazlarının alg geliĢimi üzerindeki etkisini incelemiĢlerdir. Amonyak gazının mikroalg geliĢiminde olumlu etki gösterdiği sonucuna varmıĢlardır. Bir baĢka çalıĢmada Li vd. (2017), hayvansal üretimden kaynaklanan kirletici gazların, mikroalglerin yetiĢtirilmesinde besin kaynağı olarak kullanılmasının mikroalg üretimindeki ekonomik etkisini ve gaz emisyonlarının mitigasyonunu incelemiĢlerdir. Üç aĢamalı yaptıkları çalıĢmalarının ilk aĢamasında depolanmıĢ hayvan gübresinden salınan gazları besin olarak alg kültürüne (Scenedesmus) vererek alg geliĢimini ve amonyak gazının mitigasyonunu incelemiĢlerdir. Bu aĢamada Scenedesmus ve Desmodesmus türlerinde sırasıyla %92,7 ve %71 oranında amonyak mitigasyon etkinliği elde etmiĢlerdir. Ġkinci aĢamasında yine depolanmıĢ hayvan gübresinden çıkan partiküler maddeler alg üretiminde besin kaynağı olarak kullanılmıĢtır. Üçüncü aĢamada ise, alg kültür ortamından besin elementleri ve tüm mineraller elemine edilerek sadece filtrelenmiĢ kümes çıkıĢ gazı alg kültür ortamına besin kaynağı olarak verilmiĢ ve 3 farklı alg kültürünün (Scenedesmus, Chlorella, Chlamydomonas) geliĢimi incelenmiĢtir. 60 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 PBR 1 0,4 0,2 PBR 2 0 0 5 10 15 20 Gün ġekil 4.4. Ġki PBR'de S. dimorphus hücre konsantrasyonları (Veriler ilk gün ki hücre konsantrasyonlarına göre normalize edilmiĢtir) 4.2.2. Biyokütle verimi ÇalıĢmada 21 günlük deneme süresi boyunca her iki PBR tankından da 25 mL‘lik numuneler alınarak kuru ağırlık tayini yapılmıĢtır. Kuru ağırlık değerleri her iki tank -1 için denemenin 11. günün de maksimum değerlere (PBR 1'de 0,892 g L 'e ve PBR 2'de -1 -1 0,884 g L ) ulaĢmıĢ ve 21.güne kadar 0.,6-0,9 g L aralığında değiĢiklik göstermiĢtir. Deneme sonunda 21.günde PBR 1 ve PBR 2 tanklarındaki biyokütle konsantrasyonları -1 -1 sırasıyla PBR 1 tankı için 0,868 g L ve PBR 2 tankı için 0,572 g L olarak ölçülmüĢtür. 21 günlük deney boyunca biyokütle konsantrasyonu değiĢimi ġekil 4.5‘de verilmiĢtir. Li vd. (2014) tavuk gübresinden salınan kirletici gazlar ile Scenedesmus Dimorphus türünün geliĢimini incelemiĢler ve deneyin 6.gününde biyokütle konsantrasyonunun -1 0,2-0,3 g L aralığında olduğunu belirtmiĢlerdir. Li ve ark. (2014)‘nın 6. günün sonunda elde ettikleri biyokütle konsanstrasyonları ile bu çalıĢmada, 6.günün sonunda -1 -1 elde edilen biyokütle konsantrasyonları (PBR 1 için 0,62 g L ve PBR 2 için 0,64 g L ) karĢılaĢtırıldığında domuz barınak havasında oldukça fazla biyokütle elde edildiği görülmektedir. Yine baĢka bir çalıĢmada Li vd. (2017) çalıĢmalarında tavuk 61 ln(Ct/C0) gübresinden salınan havadaki patriküler maddelerin mikroalglerde besin kaynağı olarak kullanılması durumunda mikroalg geliĢimini incelemiĢlerdir. Otuzbir günlük deneyin -1 sonunda maksimum 0,6 g L biyokütle konsantrasyonu elde etmiĢlerdir. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 PBR 1 0,2 0,1 PBR 2 0 0 5 10 15 20 Gün ġekil 4.5. 21 günlük deney boyunca biyokütle konsantrasyonu değiĢimi ÇalıĢmada, maksimum biyokütle konsantrasyonu amonyak ve karbondioksit -1 -1 -1 -1 konsantrasyonlarının 14.6 ppm (7.3 mg L d ) ve 2250 ppm (2925 mg L d ) olduğu 11. günde gerçekleĢmiĢtir. Toplam biyokütle verimi 21. günün sonunda PBR 1‘de 0,808 -1 -1 g L elde edilirken PBR 2 ‗de 0,492 g L olarak elde edilmiĢtir. Karbondioksit konsantrasyonun alg geliĢimi üzerindeki etkisi kültür ortamında kimyasal reaksiyonlardan dolayı karmaĢıktır. Ancak karbondioksit konsantrasyonun arttırılması hücre geliĢimini olumlu yönde etkilediği literatürde yapılan çalıĢmalarda görülmektedir. Bhola, Desikan, Santosh, Subburamu, Sanniyasi, Bux (2011) çalıĢmalarında, Chlorella vulgaris türünün farklı karbondioksit konsantrasyonlarında biyokütle verimini incelemiĢlerdir. Biyokütle konsantrasyonu açısından Chlorella vulgaris türünün %6-15 CO2 konsantrasyonuna göre % 0.1-1 CO2 konsantrasyonunda istatistiksel olarak daha yüksek biyokütle verimi elde ettiğini gözlemlemiĢlerdir. Kang & Wen (2015) -1 çalıĢmalarında ise Scenedesmus türünün en yüksek biyokütle verimini 0,318 gL gün-1 -1 -1 olarak 1.18 gL gün CO2 konsantrasyonunda elde etmiĢlerdir ve artan CO2 62 Kuru ağırlık (g/L) konsantrasyonunda biyokütle veriminin düĢtüğünü belirtmiĢlerdir. Bu çalıĢmada ise, her iki fotobiyoreaktör ortamına da verilen karbondioksit miktarı (%0,22-0,39) Bhola vd. (2011)‘nin belirttiği optimum CO2 konsantrasonu aralığında kaldığı ve Kang & Wen (2015)‘in elde ettiği en yüksek biyokütle verimini elde ettiği CO2 konsantrasyonundan -1 -1 (2.6-5.1 g L gün ) ise daha yüksek oranda olduğu görülmektedir. 4.3. Amonyak ve karbondioksit gazı azaltım etkinliği ÇalıĢmada, barınak iç ortam havasındaki amonyak ve karbondioksit gazlarının azaltım etkinliği mikroalg biyokütlesindeki karbon ve azot oranına göre hesaplanmıĢtır. ÇalıĢmada, 21 günlük deney sonucunda PBR 1 tankındaki toplam CO2 ve NH3 tutulma -1 -1 -1 miktarı sırasıyla 1.33 g CO2 L ve 77.8 mg NH3 L ve PBR 2‘de ise 0.8 g CO2 L ve -1 47.4 mg NH3 L olarak gerçekleĢmiĢtir. Deney süresince barınak iç ortam havasından -1 her bir fotobiyoreaktöre transfer edilen CO2 ve NH3 miktarları sırasıyla 77.4 gL ve -1 155.3 mg L olarak hesaplanmıĢtır. Fotobiyoreaktör ortamına verilen ve mikroalg hücreleri tarafından tutulan CO2 ve NH3 miktarları karĢılaĢtırıldığında, toplam NH3 ve CO2 azaltım oranları sırasıyla PBR 1 için %50 ve %1.7 iken PBR 2 için %31 ve %1 Ģeklinde gerçekleĢmiĢtir. Ġki fotobiyoreaktördeki NH3 ve CO2 azaltım miktarlarının farklılık göstermesi, 21 günlük deney sırasında PBR 1‘deki alg biyokütlesi artmaya devam ederken, PBR 2‘deki alg kütlesinin 10.günde sabit duruma ulaĢtığı ve 17.günde ölüm fazına geçmiĢ olabileceğinden kaynaklanmaktadır. Fotobiyoreaktörlerdeki karbondioksit kullanım miktarları incelendiğinde PBR 1 barınak iç ortam havasındaki karbondioksitin %1,7‘sini kullanırkan PBR 2 sadece %1‘ini kullanmıĢtır. Karbondioksit azaltım oranlarının düĢük olması karbondioksit gazının sudaki çözünürlüğünün amonyak gazına oranla daha düĢük olmasından kaynaklandığı düĢünülmektedir. Karbondioksit gazının sudaki çözünürlüğü kültür ortamının pH‘sı ve katyon iyonlarına bağlıdır. Ayrıca, kültür ortamının pH‘sının düĢük yada nötr olması durumunda karbondioksit gazının sudaki çözünürlüğü oldukça düĢmektedir. Hayvan barınağı iç ortam havasında, amonyak gazı karbondioksit gazının bağlanması için (suda amonyum oluĢumu ile) en önemli katyon kaynağıdır (Kang ve Wen, 2015). Kültür ortamında diğer katyon kaynaklarının düĢük olması karbondioksit gazının alg hücreleri tarafından kullanılmasını engellemektedir. Zhu, Chen, Ji, Schwaneberg, Chi 63 (2022) çalıĢmalarında, kültür ortamının pH değerinin arttırılmasıyla birlikte daha yüksek karbondioksit emilimi elde etmiĢlerdir. Zhu vd. (2022), alg kültür ortamının pH değerinin artmasının baca gazında bulunan karbondioksitin kültür ortamına transferini kolaylaĢtırdığı ve ortamda bikarbonat-karbonat olarak depolandığını belirtmiĢlerdir. Mikroalgler, azot kaynağı olarak amonyağı nitrit ya da nitrata göre daha fazla tercih etmektedirler (Hii, Soo, Chuah, Mohd-Azmi, Abol-Munafi, 2011; Maguer, L'Helguen, Madec, Labry, Le Corre, 2007). Amonyağın mikroalg geliĢimi üzerine literatürde yapılmıĢ birçok çalıĢma bulunmaktadır (Kang vd., 2014; Kang & Wen 2015; Li vd., 2017). Amonyak, toksik etkisinden dolayı alg hücrelerinde doğrudan birikmez ve fazla amonyak, bir NH3 bağlanma reaksiyonu yoluyla hücrelerde depolanır (Chen vd., 2011). Karbondioksit ise mikroalglerin fotosentetik aktivitelerinden dolayı en önemli karbon kaynağıdır. Xu vd. (2015) çalıĢmalarında Scenedesmus türünün karbondioksit tutma -1 -1 oranını maksimum 1435.9 mg L gün olarak bulmuĢlardır. BaĢka bir çalıĢmada Toledo-Cervantes, Morales, Novelo, Revah, (2013) çalıĢmalarında S. Obtusiusculus -1 -1 türünün karbondioksit tutma oranınının 131-1420 mg L gün aralığında gerçekletiğini belirtmiĢlerdir. Mikroalglerin karbondioksit tutma miktarı pH, hava hızı, ıĢık yoğunluğu, ıĢık spektrumu, alg türü, fotobiyoreaktör tank hacmi ve alg türüne bağlı olarak değiĢiklik göstermektedir. Bu çalıĢmada maksimum karbondioksit tutma oranı -1 -1 PBR 1‘de 21. günde 691.8 mg L gün olarak elde edilirken PBR 2‘de 15. günde 591 -1 -1 mg L gün olarak elde edilmiĢtir. Her iki fotobiyoreaktörde de elde edilen ortalama karbondioksit tutma oranları Toledo-Cervantes vd. (2013) çalıĢmalarında elde ettikleri değerler ile benzerlik göstermektedir. Mikroalg geliĢiminde, hücreler tarafından amonyak arzı ve talebi arasında uyumsuzluk meydana gelebilmektedir. Fotobiyoreaktör ortamında verilen amonyak gazının, hücreler tarafından alınan amonyak miktarından yüksek olması durumunda fazla amonyak gazı sudaki yüksek çözünürlüğünden dolayı kültür ortamında depolanmaktadır. Amonyak gazının fotobiyoreaktörde alg hücreleri tarafından baypas edilmesi yalnızca kültür ortamının doygun hale geldiği durumda gerçekleĢmektedir. Barınak iç ortam havasındaki amonyak gazı miktarının, mikroalg geliĢimi için yeterli olmadığı durumda, kültür ortamında depolanan amonyak sayesinde mikroalg geliĢimi devam etmektedir. 64 Deney süresince, kültür ortamında depolanan amonyak tükendiğinde biyokütle veriminde düĢüĢ görülmüĢtür. Barınak iç ortam havasından kirletici gazların en etkili Ģekilde fotobiyoreaktör sistemler ile azaltılmasında en önemli yöntem, mikroalglerin azot ihtiyacının barınak iç ortamında bulunan azot miktarı ile eĢitlenmesidir. ÇalıĢmada karbondioksit gazının tüketiminin sadece %1-1,5 aralığında kalmasından dolayı barınak havasındaki karbondioksit gazı konsantrasyonunun alg geliĢimi üzerinde sınırlayıcı etkisi olmadığını göstermektedir. Eğer barınak iç ortam havasındaki karbondioksit gazının daha fazla azaltımı amaçlanırsa, ortam havasındaki amonyak gazının arttırılmasına da ihtiyaç duyulmaktadır. 4.4. Ekonomik Analiz ÇalıĢmada, laboratuvar ölçeğinde yapılan 10 L hacimli fotobiyoreaktör sistem ile barınak iç ortam havasında bulunan amonyak ve karbondioksit gazlarının mitigasyonu incelenmiĢtir. Bu çalıĢmada kullanılan fotobiyoreaktör sistemin maliyeti; vakum pompası, difüzörler ve fotobiyoreaktör tank giderleri de hesaba katılarak 726,8 $ olarak hesaplanmıĢtır (Çizelge 4.2). Barınak iç ortam havasının fotobiyoreaktör sisteme transfer edilmesinde 1/8-hp kapasitesinde bir vakum pompası kullanılmıĢtır. Fotobiyoreaktör sistemin iĢletilmesinde sadece ıĢık sistemi ve vakum pompası tarafından bir enerji tüketimi gerçekleĢmiĢtir. Deneme süresi boyunca vakum pompası tarafından tüketilen enerjinin maliyeti çalıĢmanın yürütüldüğü Amerika‘nın Güney -1 Dakota eyaletinin elektrik ücretine bağlık olarak günlük ~$0,027 L iken ıĢık sisteminin -1 günlük maliyeti ~$0.024 L olarak hesaplanmıĢtır. Mikroalgler için gerekli besinlerin -1 -1 maliyeti ise $0,27 L gün olarak hesaplanmıĢtır. Yukarıda belirtilen, vakum pompası, ıĢık sistemi, fotobiyoreaktör sistemin inĢası ve alglerin besin maliyetleri göz önünde -1 -1 bulundurulduğunda, fotobiyoreaktör sistemde 0,388 g L gün biyokütle eldesi için -1 -1 gerekli maliyet $0,14 L gün olarak hesaplanmıĢtır. Bu durumda, Fotobiyoreaktör sistem ile 1 g NH3 ve 1 g CO2 azaltımı için gerekli olan maliyet sırasıyla $3,77 and $0.20 olarak hesaplanmıĢtır. Bu maliyetler, hayvan barınaklarından salınan gazların azaltılmasına yönelik günümüzde kullanılan sistemlerden daha yüksek olduğu görülmektedir. Ancak fotobiyorektör sistemin kapasitesinin arttırılması dolayısıyla biyokütle üretiminin arttırılması durumunda sistemin maliyeti daha düĢük seviyelere 65 gelmektedir. Acién, Fernández, Magán, Molina, (2012) çalıĢmalarında fotobiyoreaktör üretim kapasitesinin 2,2 kat arttırıldığı durumda alg üretim maliyetinde %82 azalma olduğunu belirtmiĢlerdir. Bu nedenle, fotobiyoreaktör sisteminin ölçeğinin büyütülmesi, iĢletme maliyetini önemli ölçüde azalmaktadır. Elde edilen biyokütlenin ise hayvan yemi, biyoyakıt, gıda maddesi ya da kozmetik gibi farklı sektörlerde değerli bir ürün olarak satılması durumunda sistemden elde edilen ekonomik getirimaliyetin yarattığı olumsuz etkinin giderilmesine katkıda bulunabilir. Bölüm 4.1.3. ‗de literatürdeki çalıĢmalara göre domuz barınaklarındaki ortalama −1 −1 emisyon oranı bu çalıĢmada kullanılmak üzere 0.7 g NH3 baĢ gün olarak belirlenmiĢti. ÇalıĢmanın yürütüldüğü domuz barınağında, barınak iç ortam havasının bulunduğu ortamda 240 baĢ genç domuz bulunmaktaydı. Ġkiyüz kırk baĢ kapasiteli bir -1 barınaktan salınan amonyak emisyon oranı 168 g NH3 gün olarak hesaplanmıĢtır. Barınak ortamından salınan amonyak gazının tamamının fotobiyoreaktör sistem -1 -1 tarafından kullanılması durumunda 1742 g L gün kuru alg biyokütlesi üretilecektir. Bunu gerçekleĢtirmek için, bu çalıĢmada elde edilen alg üretim verilerine göre fotobiyoreaktör sistemin çalıĢma hacminin 4491 L olması gerekmektedir. 240 baĢ kapasiteli bir domuz barınağı iç ortam havasının fotobiyoreaktör sisteme transfer -1 edilmesi için 2500 L dak (LPM) kapasiteli bir hava pompasına ihtiyaç duyulacaktır. Hava pompasının günde 3,36 kWh elektrik tüketeceği tahmin edildiğinden bunun günlük 0,40 dolara mal olması beklenmektedir. Fotobiyoreaktör sistemin ekonomik analizi, havalandırma ve aydınlatma sistemlerinin optimize edilmesi gerektiğini göstermektedir. Barınak iç ortam havasındaki kirletici gazların fotobiyoreaktör sistem içerisine en etkili Ģekilde transfer edilmesi ve etkili bir aydınlatma sistemi ile biyokütle üretim veriminde artıĢ görülecektir. Fotobiyoreaktör sistemlerin aydınlatılmasında doğal aydınlatmanın kullanılması aydınlatma -1 maliyetlerini de azaltacaktır. Sistem için gerekli olan 2500 L dak ‘lık hava debisinin barınak havalandırma sistemi ile sağlanması durumu da hava transfer maliyetinin düĢmesini sağlayacaktır. Bunun dıĢında göz önünde bulundurulması gereken diğer maliyet ise barınak havasının fotobiyoreaktör sisteme transferini sağlayacak olan boru hat sistemidir. 66 Çizelge 4.2. Fotobiyoreaktör Sistemin Ekonomik Analizi Fotobiyoreaktör Sistemin Ekonomik Analizi Yatırım Maliyeti $726,86 1- Debimetre_$118 2- Vakum pompası (115 VAC- 4.2 Amps - 0.483 kW)_ $481 3- Hava filtresi_$12.98/7 günlük 4- IĢıklandırma_$19.98 5- 2 adet cool-white Florasan Lamba (40 W)_$2.8/adet 2 2 6- Akrilik cam malzeme (0.47 m /each PBR)_$105/m 7- Difüzör_$13.99 -1 -1 ĠĢletme Maliyeti $0,141 L gün -1 -1 1- Besiyeri kimyasalları_$0.09 L gün -1 -12- Havalandırma enerji tüketimi_$0.027 L gün 3- -1 -1IĢıklandırma enerji tüketimi_$0.024 L gün 67 5. SONUÇ Bu çalıĢmanın amacı, hayvan barınaklarından salınan kirletici gazların azaltılmasında mikroalglerin bir azaltım yöntemi olarak kullanılabilirliğinin belirlenmesidir. ÇalıĢmanın uygulanabilirliğini kısıtlayacak en önemli faktörler; barınak iç ortam havasında bulunan gazların alglerde toksik etki yaratıp yaratmayacağı ve alg kültürünün sıcaklık, pH gibi çevresel faktörlerden olumsuz etkilenip etkilenmeyecekleridir. ÇalıĢma Amerika‘da Güney Dakota Devlet Üniversitesi‘nin domuz çiftliğinde yürütülmüĢtür. ÇalıĢmada, laboratuvar Ģartlarında ekimi yapılan ve 10 L‘lik kapasiteye getirilen 2 adet Fotobiyoreaktör sistem bir domuz barınağında entegre edilerek 3 hafta süreyle barınak iç ortam gazı ile alg geliĢimi izlenmiĢtir. Domuz barınağının iç ortam havası, vakum pompası ile çekilerek filtreden geçirildikten sonra alg kültür (S. Dimorphus UTEX 1237) ortamına verilmiĢtir. Ayrıca PBR‘a verilen amonyak ve karbondioksit miktarlarının belirlenmesi için de barınak iç ortam havasında bulunan gazların konsantrasyonları da ölçülmüĢtür. Fotobiyoreaktörlerden 24 saatlik periyotlarla örnekler alınarak hücre sayımı ve kuru ağırlık tayini yapılmıĢtır. Ayrıca alg kültürünün sıcaklık ve pH‘ı da günlük ölçülerek izlenmiĢtir. Elde edilen sonuçlar Ģu Ģekildedir; -1 -1 •Barınak iç ortam havasında; NH3 konsantrasyonları 7,7 ppm (3,85 mgL gün ) ile 25,6 -1 -1 -1 -1 ppm (12,8 mgL gün ), karbondioksit konsantrasyonları 2190 (2.79 gL gün ) ile -1 -1 3890 ppm (4,96 g L gün ) arasında değiĢiklik göstermiĢtir. •Alg kültürünün pH‘ı 21 günlük süre boyunca minimum 6,8, maksimum 7.1 değerine ulaĢmıĢtır. Barınak gazındaki amonyak gazı kültür ortamını bazik hale getirirken, hava da bulunan organik asit gibi diğer bileĢenler de asit hale getirmiĢtir. Bu durum kültür ortamının pH dengesinin 6,8-7,1 aralığında sabit kalmasını açıklamaktadır. •21 günlük deneme süresince alg kültür ortamının sıcaklığı 20-25°C aralığında ölçülmüĢtür. •Yapılan çalıĢmalar, mikroalglerin hücresel geliĢimlerinin lag fazı, logaritmik faz, lineer çoğalma fazı, durgun çoğalma fazı ve ölüm fazı olmak üzere 5 farklı fazda gerçekleĢtiğini göstermektedir (Encarnacion vd., 2010). Scenedesmus Dimorphus türü 68 ise laboratuvar koĢullarında 14. günün sonunda ölüm fazına geçmektedir. Domuz barınağı iç ortam havası ile yapılan denemede, Scenedesmus Dimorphus 21 günlük deneme süresi boyunca ölüm fazın geçmemiĢtir. Bunun sebebi ise barınak havasında bulunan gazların ve inorganik bileĢenlerin alglerin besin ihtiyacını karĢıladığı Ģeklinde yorumlanmıĢtır. 6 -1 •Maksimum hücre konsantrasyonu (P<0,05) 17.günün sonunda 12,8 x 10 hücre mL (iki PBR‘ın ortalaması) Ģeklinde gerçekleĢmiĢtir. -1 -5 -1 •Maksimum biyokütle (0,889±0.04 gL ) ve hücre ağırlığı (7,85±0,3 × 10 µg hücre ) 11.günün sonunda elde edilmiĢtir. -1 •Maksimum spesifik hücre büyümesi ve ikilenme süresi ise; 0,47 gün ve 1,47 gün olarak gerçekleĢmiĢtir. Li vd. (2014) tavuk gübresinden salınan kirletici gazlar ile -1 yaptığını çalıĢmasında, spesifik hücre büyümesini 0,59 gün ve ikilenme süresini 1,17 gün olarak belirtmiĢlerdir. ÇalıĢmada elde edilen sonuçlar Scenedesmus Dimorphus alg türünün barınak iç ortam havasında bulunan kirletici gazlar ile büyüyebileceğini göstermiĢtir. Ayrıca, barınak iç ortam havasında bulunan amonyak ve karbondioksit gazları S. Dimorphus türünün geliĢimi için gerekli olan azot ve karbon kaynağını sağlamıĢtır. Barınak iç ortamının sıcaklık ve nem gibi çevresel parametlerinin ise fotobiyoreaktör sistemde alg geliĢimi için uygun çevresel koĢulları sağladığı görülmüĢtür. Barınak iç ortam havasında bulunan amonyak konsantrasyonlarının yüksek olması durumunda kültür ortamının pH dengesinin etkilenmesi sistemde dikkat edilmesi gereken hususlardan birisidir. Deney süresi boyunca kültür ortamının pH değerleri ise barınak iç ortam havasında bulunan kirleticilerin kültür ortamının pH‘ını dengede tuttuğunu göstermektedir. Fotobiyoreaktör sistemlerin, hayvansal üretimden kaynaklanan sera gazlarının mikroalgler ile azaltılması, hem küresel iklim değiĢikliğine katkıda bulunacak hem de barınak iç ortamındaki hayvanlar için uygun bir ortam sağlayacaktır. Ayrıca Dünya‘da birçok geliĢmiĢ ve geliĢmekte olan ülkelerin Kyoto Protokolü gereğince sera gazlarını azaltmaya yönelik yasal zorunlulukları bulunmaktadır. ABD ve Avrupa ülkelerinde bu yasal zorunluluklar üreticilere uygulanırken yakın gelecekte ülkemizde de uygulamaya geçeceği düĢünülmektedir. Bu yasal zorunluluk için, hayvansal üretim kaynaklı 69 emisyon azaltım yöntemlerine alternatif bir yöntem olarak mikroalgler kullanılabilir olacaktır. ÇalıĢmadan elde edilen veriler, hayvan barınaklarından salınan kirletici gazların azaltılması için tasarlanan yeni bir yöntemin (PBR) kullanılabilirliğini ortaya koymuĢtur. Ülkemiz 1,9 milyon ton tavuk eti üretimi ile dünyada 12. sırada, 1 milyon ton tavuk yumurtası üretimi ile ise 10. sırada yer aldı. Kanatlı üretiminin yoğun olduğu Bursa ili Türkiye'de önemli bir yere sahiptir. Ülkemizde kanatlı üretiminden kaynaklı kirletici gaz emisyonları sebebiyle koku ve çevre kirliliği problemleri oldukça fazladır. Kümeslerden kaynaklanan kirletici gazlar da, bu çalıĢmada önerilen PBR sistemi ile azaltılabilir ve aynı zamanda üretilecek biyokütle tavuk yemi olarak kullanılabilir. GeliĢtirilen bu sistemin, Türkiye‘de ki tavukçuluk iĢletmeleri için sürdürülebilir bir sistem olarak kullanılabilme olanağı bulunmaktadır. Tavuk kümeslerinde altlıkta biriken atık, belirli periyotlarla kümesten temizlenerek depolanmakta ve depolanan gübrenin uzaklaĢtırılması için iĢletmeler için ekstra maliyet ve sorun haline gelmektedir. Bu altlık materyalinin içeriğine bakıldığında bitkiler içinde gerekli olan N, P, K gibi besin elementleri ve Cu, Zn ve As gibi iz elementleri içermektedir. Bu materyalin iĢletmede depolanması durumunda ise, zaman içerisinde ayrıĢarak metan ve karbondioksit gazlarının salınımına sebep olmaktadır. Bu çalıĢmada önerilen fotobiyoreaktör sistemde üretilecek mikroalglerin geliĢimi için gerekli olan N, P, K gibi temel besin maddelerini içeren bu materyaller, kümeslere entegre edilecek fotobiyoreaktör sisteme verilerek alg geliĢiminde değerlendirilebilir. Bu sayede iĢletmeler için sorun haline gelmiĢ olan atık materyal yenilenebilir enerji kaynağı olarak kullanılabilir olacaktır. Ancak, bu sistemin bu barınaklarda da baĢarılı bir biçimde uygulanıp uygulanamayacağı, hangi koĢullar altında baĢarılı olabileceğine iliĢkin bilimsel verilerin elde edilebilmesi için buna yönelik saha çalıĢmalarının yapılmasına gereksinim vardır. 70 KAYNAKLAR Aarnink, A. J. A., Keen, A., Metz, J. H. M., Speelman, L., & Verstegen, M. W. A. (1995). Ammonia emission patterns during the growing periods of pigs housed on partially slatted floors. Journal of Agricultural Engineering Research, 62(2), 105- 116. https://doi.org/10.1006/jaer.1995.1069 Acién, F. G., Fernández, J. M., Magán, J. J., & Molina, E. (2012). Production cost of a real microalgae production plant and strategies to reduce it. Biotechnology advances, 30(6), 1344-1353. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2012.02.005 Aguirre-Villegas, H. A., & Larson, R. A. (2017). Evaluating greenhouse gas emissions from dairy manure management practices using survey data and lifecycle tools. Journal of cleaner production, 143, 169-179. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.12.133 Ağaçayak, T., & Öztürk, L. (2017). Türkiye‘de Tarım Sektöründen Kaynaklanan Sera Gazı Emisyonlarının Azaltılmasına Yönelik Stratejiler. Sabancı Üniversitesi, İstanbul Politikalar Merkezi Stiftung Mercator Girişim Eylül Ahmad Latiffi, N. A., Radin Mohamed, R. M. S., Apandi, N. M., & Tajuddin, R. M. (2017). Experimental assessment on effects of growth rates microalgae Scenedesmus sp. in different conditions of pH, temperature, light intensity and photoperiod. In key engineering materials (Vol. 744, pp. 546-551). Trans Tech Publications Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.744.546 Ahmad, I., Abdullah, N., Koji, I., Yuzir, A., & Muhammad, S. E. (2021, April). Evolution of photobioreactors: a review based on microalgal perspective. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 1142, No. 1, p. 012004). IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1142/1/012004 Ali, S. B. M., Hasanuzzaman, M., Rahim, N. A., Mamun, M. A. A., & Obaidellah, U. H. (2021). Analysis of energy consumption and potential energy savings of an institutional building in Malaysia. Alexandria Engineering Journal, 60(1), 805- 820. https://doi.org/10.1016/j.aej.2020.10.010 Al-Shatri, A. H. A., Ali, E., Al-Shorgani, N. K. N., & Kalil, M. S. (2014). Growth of Scenedesmus dimorphus in different algal media and pH profile due to secreted metabolites. African Journal of Biotechnology, 13(16). https://doi.org/10.5897/AJB2013.13455 Amon, B., Amon, T., Boxberger, J., & Alt, C. (2001). Emissions of NH3, N2O and CH4 from dairy cows housed in a farmyard manure tying stall (housing, manure storage, manure spreading). Nutrient cycling in Agroecosystems, 60, 103-113. https://doi.org/10.1023/A:1012649028772 Arogo, J., Westerman, P. W., & Heber, A. J. (2003). A review of ammonia emissions from confined swine feeding operations. Transactions of the ASAE, 46(3), 805. 71 Arogo, J., Westerman, P. W., Heber, A. J., Robarge, W. P., & Classen, J. J. (2006). Ammonia emissions from animal feeding operations. Arun, S., Manikandan, N. A., Pakshirajan, K., Pugazhenthi, G., & Syiem, M. B. (2017). Cu (II) removal by Nostoc muscorum and its effect on biomass growth and nitrate uptake: a photobioreactor study. International Biodeterioration & Biodegradation, 119, 111-117. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2016.09.022 Assunção, J., & Malcata, F. X. (2020). Enclosed ―non-conventional‖ photobioreactors for microalga production: A review. Algal Research, 52, 102107. https://doi.org/10.1016/j.algal.2020.102107 Bahadar, A., & Khan, M. B. (2013). Progress in energy from microalgae: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 27, 128-148. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.06.029 Balafoutis, A., Beck, B., Fountas, S., Vangeyte, J., Van der Wal, T., Soto, I., ... & Eory, V. (2017). Precision agriculture technologies positively contributing to GHG emissions mitigation, farm productivity and economics. Sustainability, 9(8), 1339. https://doi.org/10.3390/su9081339 Becker, E. W. (1994). Microalgae: biotechnology and microbiology (Vol. 10). Cambridge University Press. Benner, P., Meier, L., Pfeffer, A., Krüger, K., Oropeza Vargas, J. E., & Weuster-Botz, D. (2022). Lab-scale photobioreactor systems: Principles, applications, and scalability. Bioprocess and Biosystems Engineering, 45(5), 791-813. https://doi.org/10.1007/s00449-022-02711-1 Berg, W., Brunsch, R., & Pazsiczki, I. (2006). Greenhouse gas emissions from covered slurry compared with uncovered during storage. Agriculture, Ecosystems & Environment, 112(2-3), 129-134. https://doi.org/10.1016/j.agee.2005.08.031 Bhola, V., Desikan, R., Santosh, S. K., Subburamu, K., Sanniyasi, E., & Bux, F. (2011). Effects of parameters affecting biomass yield and thermal behaviour of Chlorella vulgaris. Journal of bioscience and bioengineering, 111(3), 377-382. https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2010.11.006 Bildsoe, P., Adamsen, A. P., & Feilberg, A. (2012). Effect of low-dose liquid ozonation on gaseous emissions from pig slurry. Biosystems engineering, 113(1), 86-93. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2012.06.009 Bitog, J. P., Lee, I. B., Lee, C. G., Kim, K. S., Hwang, H. S., Hong, S. W., ... & Mostafa, E. (2011). Application of computational fluid dynamics for modeling and designing photobioreactors for microalgae production: A review. Computers and electronics in agriculture, 76(2), 131-147. https://doi.org/10.1016/j.compag.2011.01.015 72 Bordoloi, N., Narzari, R., Sut, D., Saikia, R., Chutia, R. S., & Kataki, R. (2016). Characterization of bio-oil and its sub-fractions from pyrolysis of Scenedesmus dimorphus. Renewable Energy, 98, 245-253. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.03.081 Brose, G., Hartung, E., & Jungbluth, T. (1998). Influences on and measurements of ammonia and greenhouse gas emissions from dairy houses. In International Conference on Agricultural Engineering, Oslo (Norway), 24-27 Aug 1998. Norges Landbrukshoegskole, NLH. Casey, K. D., Gates, R. S., Wheeler, E. F., Zajaczkowski, J. S., Topper, P. A., Xin, H., & Liang, Y. (2003, June). Ammonia emissions from broiler houses in Kentucky during winter. In International Symposium on GASEOUS AND ODOUR EMISSIONS FROM ANIMAL PRODUCTION FACILITIES. Scandic Hotel Bygholm Park Horsens June (pp. 1-4). Chen, B. (2021). Evaluation of biochar as a manure additive for mitigation of gaseous emissions from deep pit swine storage structures (Doctoral dissertation, Iowa State University). Chen, C. Y., Yeh, K. L., Aisyah, R., Lee, D. J., & Chang, J. S. (2011). Cultivation, photobioreactor design and harvesting of microalgae for biodiesel production: a critical review. Bioresource technology, 102(1), 71-81. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.06.159 Cheng, W. H., Chou, M. S., & Tung, S. C. (2011). Gaseous ammonia emission from poultry facilities in Taiwan. Environmental Engineering Science, 28(4), 283-289. https://doi.org/10.1089/ees.2010.0205 Chisti, Y. (2007). Biodiesel from microalgae. Biotechnology advances, 25(3), 294-306. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2007.02.001 Chiu, S. Y., Kao, C. Y., Chen, C. H., Kuan, T. C., Ong, S. C., & Lin, C. S. (2008). Reduction of CO2 by a high-density culture of Chlorella sp. in a semicontinuous photobioreactor. Bioresource technology, 99(9), 3389-3396. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.08.013 Chiumenti, A., da Borso, F., Pezzuolo, A., Sartori, L., & Chiumenti, R. (2018). Ammonia and greenhouse gas emissions from slatted dairy barn floors cleaned by robotic scrapers. Research in Agricultural Engineering, 64(1), 26-33. https://doi.org/10.17221/33/2017-RAE Chng, L. M., Chan, D. J., & Lee, K. T. (2016). Sustainable production of bioethanol using lipid-extracted biomass from Scenedesmus dimorphus. Journal of Cleaner Production, 130, 68-73. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.02.016 Chojnacka, K., & Marquez-Rocha, F. J. (2004). Kinetic and stoichiometric relationships of the energy and carbon metabolism in the culture of microalgae. Biotechnology, 3(1), 21-34. 73 Crutzen, P. J., Aselmann, I., & Seiler, W. (1986). Methane production by domestic animals, wild ruminants, other herbivorous fauna, and humans. Tellus B: Chemical and Physical Meteorology, 38(3-4), 271-284. https://doi.org/10.3402/tellusb.v38i3-4.15135 Deng, X., Gao, K., Addy, M., Chen, P., Li, D., Zhang, R., ... & Ruan, R. (2018). Growing Chlorella vulgaris on mixed wastewaters for biodiesel feedstock production and nutrient removal. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 93(9), 2748-2757. https://doi.org/10.1002/jctb.5634 Dong, H., Kang, G., Zhu, Z., Tao, X., Chen, Y., Xin, H., & Harmon, J. D. (2009). Ammonia, methane, and carbon dioxide concentrations and emissions of a hoop grower-finisher swine barn. Transactions of the ASABE, 52(5), 1741-1747. Elcik, H., & Çakmakcı, M. (2017). Mikroalg üretimi ve mikroalglerden biyoyakıt eldesi. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 32(3), 795-820. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.337627 Encarnacion, R. C., Benitez, S. G., Santos, M. G., & Medina, C. S. (2010). Maximization of Scenedesmus dimorphus lipid yield for the production of biodiesel. Polytechnic University of Puerto Rico, San Juan, Puerto Rico. Faulkner, W. B., & Shaw, B. W. (2008). Review of ammonia emission factors for United States animal agriculture. Atmospheric Environment, 42(27), 6567-6574. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.04.021 Feilberg, A., & Sommer, S. G. (2013). Ammonia and malodorous gases: sources and abatement technologies. Animal manure recycling: Treatment and management, 153-175. https://doi.org/10.1002/9781118676677.ch9 Feng, H., Sun, C., Zhang, C., Chang, H., Zhong, N., Wu, W., ... & Ho, S. H. (2022). Bioconversion of mature landfill leachate into biohydrogen and volatile fatty acids via microalgal photosynthesis together with dark fermentation. Energy Conversion and Management, 252, 115035. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.115035 Fiedler, A. M., & Müller, H. J. (2011). Emissions of ammonia and methane from a livestock building natural cross ventilation. Meteorologische Zeitschrift, 20(1), 59-65. https://doi.org/10.1127/0941-2948/2011/0490 Garnett, T. (2009). Livestock-related greenhouse gas emissions: impacts and options for policy makers. Environmental science & policy, 12(4), 491-503. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2009.01.006 Gastel, J. P. B. F., Verdoes, N., & Voermans, J. A. M. (1995). Processing pig slurry on farm scale to lower the ammonia emission and to reduce the volume of the slurry. In Proc. 7th International Symposium on Agricultural and Food Processing Wastes (pp. 599-608). 74 Gerber, P. J., Henderson, B., & Makkar, H. P. (2013). Mitigation of greenhouse gas emissions in livestock production: a review of technical options for non-CO2 emissions (No. 177). Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). Goswami, R. D., & Kalita, M. C. (2011). Scenedesmus dimorphus and Scenedesmus quadricauda: two potent indigenous microalgae strains for biomass production and CO2 mitigation—A study on their growth behavior and lipid productivity under different concentration of urea as nitrogen source. Journal of Algal Biomass Utilization, 2(4), 2-4. Gralapp, A. K., Powers, W. J., & Bundy, D. S. (2001). Comparison of olfactometry, gas chromatography, and electronic nose technology for measurement of indoor air from swine facilities. Transactions of the ASAE, 44(5), 1283. https://doi.org/10.13031/2013.6433 Grima, E. M., Belarbi, E. H., Fernández, F. A., Medina, A. R., & Chisti, Y. (2003). Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options and economics. Biotechnology advances, 20(7-8), 491-515. https://doi.org/10.1016/S0734-9750(02)00050-2 Gris, B., Morosinotto, T., Giacometti, G. M., Bertucco, A., & Sforza, E. (2014). Cultivation of Scenedesmus obliquus in photobioreactors: effects of light intensities and light–dark cycles on growth, productivity, and biochemical composition. Applied biochemistry and biotechnology, 172, 2377-2389. https://doi.org/10.1007/s12010-013-0679-z Grossi, G., Goglio, P., Vitali, A., & Williams, A. G. (2019). Livestock and climate change: impact of livestock on climate and mitigation strategies. Animal Frontiers, 9(1), 69-76. https://doi.org/10.1093/af/vfy034 Guo, L., Zhao, B., Jia, Y., He, F., & Chen, W. (2022). Mitigation strategies of air pollutants for mechanical ventilated livestock and poultry housing—A review. Atmosphere, 13(3), 452. https://doi.org/10.3390/atmos13030452 Hagendijk, A. J. (2015). Design of an optimal photobioreactor (Doctoral dissertation, Stellenbosch: Stellenbosch University). Heber, A. J., Ni, J. Q., Lim, T. T., Diehl, C. A., Sutton, A. L., Duggirala, R. K., ... & Adamchuk, V. I. (2000). Effect of a manure additive on ammonia emission from swine finishing buildings. Transactions of the ASAE, 43(6), 1895-1902. https://doi.org/10.13031/2013.3094 Hendriks, J., Berckmans, D., & Vinckier, C. (1998). Field tests of bio-additives to reduce ammonia emission from and ammonia concentration in pig houses. ASHRAE transactions, 104, 1699. Hii, Y. S., Soo, C. L., Chuah, T. S., Mohd-Azmi, A., & Abol-Munafi, A. B. (2011). Uptake by Nannochloropsis sp. J. Sustain. Sci. Manag, 6, 60-68. 75 Hinz, T., & Linke, S. (1998). A comprehensive experimental study of aerial pollutants in and emissions from livestock buildings. Part 1: Methods. Journal of Agricultural Engineering Research, 70(1), 111-118. https://doi.org/10.1006/jaer.1998.0282 Hodaifa, G., Martínez, M. E., & Sánchez, S. (2009). Influence of pH on the culture of Scenedesmus obliquus in olive-mill wastewater. Biotechnology and Bioprocess Engineering, 14, 854-860. https://doi.org/10.1007/s12257-009-0119-7 Hristov, A. N., Hanigan, M., Cole, A., Todd, R., McAllister, T. A., Ndegwa, P. M., & Rotz, A. (2011). Ammonia emissions from dairy farms and beef feedlots. Canadian journal of animal science, 91(1), 1-35. https://doi.org/10.4141/CJAS10034 Huang, G., Chen, F., Wei, D., Zhang, X., & Chen, G. (2010). Biodiesel production by microalgal biotechnology. Applied energy, 87(1), 38-46. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.06.016 Huang, Q., Jiang, F., Wang, L., & Yang, C. (2017). Design of photobioreactors for mass cultivation of photosynthetic organisms. Engineering 3 (3): 318–329. https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.03.020 Iluz, D., & Abu-Ghosh, S. (2016). A novel photobioreactor creating fluctuating light from solar energy for a higher light-to-biomass conversion efficiency. Energy Conversion and Management, 126, 767-773. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.08.045 Ji, C., Wang, J., Li, R., & Liu, T. (2017). Modeling of carbon dioxide mass transfer behavior in attached cultivation photobioreactor using the analysis of the pH profiles. Bioprocess and biosystems engineering, 40, 1079-1090. https://doi.org/10.1007/s00449-017-1770-6 Jiang, Y., Zhang, W., Wang, J., Chen, Y., Shen, S., & Liu, T. (2013). Utilization of simulated flue gas for cultivation of Scenedesmus dimorphus. Bioresource technology, 128, 359-364. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.10.119 Jungbluth, T., Hartung, E., & Brose, G. (2001). Greenhouse gas emissions from animal houses and manure stores. Nutrient cycling in Agroecosystems, 60, 133-145. https://doi.org/10.1023/A:1012621627268 Junying, Z. H. U., Junfeng, R. O. N. G., & Baoning, Z. O. N. G. (2013). Factors in mass cultivation of microalgae for biodiesel. Chinese Journal of Catalysis, 34(1), 80- 100. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(11)60497-X Kaewpintong, K., Shotipruk, A., Powtongsook, S., & Pavasant, P. (2007). Photoautotrophic high-density cultivation of vegetative cells of Haematococcus pluvialis in airlift bioreactor. Bioresource Technology, 98(2), 288-295. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.01.011 76 Kang, J. (2012). Mitigation of ammonia gas from animal house using microalgae (Doctoral dissertation, Iowa State University). Kang, J., & Wen, Z. (2015). Use of microalgae for mitigating ammonia and CO2 emissions from animal production operations—Evaluation of gas removal efficiency and algal biomass composition. Algal Research, 11, 204-210. https://doi.org/10.1016/j.algal.2015.06.020 Kang, J., Wang, T., Xin, H., & Wen, Z. (2014). A laboratory study of microalgae-based ammonia gas mitigation with potential application for improving air quality in animal production operations. Journal of the Air & Waste Management Association, 64(3), 330-339. https://doi.org/10.1080/10962247.2013.859185 Katuwal, S. (2017). Designing and development of a photobioreactor for optimizing the growth of micro algae and studying its growth parameters. South Dakota State University. Keffer, J. E., & Kleinheinz, G. T. (2002). Use of Chlorella vulgaris for CO 2 mitigation in a photobioreactor. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 29, 275-280. https://doi.org/10.1038/sj.jim.7000313 Kılıç, G. C. (2017). Integrated carbon dioxide mitigation and nutrient removal from municipal and industrial wastewater using microalgal systems (Master's thesis, Middle East Technical University). Kim, J., Lingaraju, B. P., Rheaume, R., Lee, J. Y., & Siddiqui, K. F. (2010). Removal of ammonia from wastewater effluent by Chlorella vulgaris. Tsinghua science and technology, 15(4), 391-396. https://doi.org/10.1016/S1007-0214(10)70078-X Kim, Z. H., Park, H., Hong, S. J., Lim, S. M., & Lee, C. G. (2016). Development of a floating photobioreactor with internal partitions for efficient utilization of ocean wave into improved mass transfer and algal culture mixing. Bioprocess and biosystems engineering, 39, 713-723. https://doi.org/10.1007/s00449-016-1552-6 Kinsman, R., Sauer, F. D., Jackson, H. A., & Wolynetz, M. S. (1995). Methane and carbon dioxide emissions from dairy cows in full lactation monitored over a six- month period. Journal of Dairy Science, 78(12), 2760-2766. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(95)76907-7 Knutson, C. M., McLaughlin, E. M., & Barney, B. M. (2018). Effect of temperature control on green algae grown under continuous culture. Algal research, 35, 301- 308. https://doi.org/10.1016/j.algal.2018.08.020 Koerkamp, P. G., Metz, J. H. M., Uenk, G. H., Phillips, V. R., Holden, M. R., Sneath, R. W., ... & Wathes, C. M. (1998). Concentrations and emissions of ammonia in livestock buildings in Northern Europe. Journal of Agricultural Engineering Research, 70(1), 79-95. https://doi.org/10.1006/jaer.1998.0275 77 Kommareddy, A. R., Anderson, G. A., Gent, S. P., & Bari, G. S. (2013). The impact of air flow rate on photobioreactor sparger/diffuser bubble size (s) and distribution. In 2013 Kansas City, Missouri, July 21-July 24, 2013 (p. 1). American Society of Agricultural and Biological Engineers. https://doi.org/10.13031/aim.20131620764 Kumar, A., Singh, E., Mishra, R., Lo, S. L., & Kumar, S. (2022). A green approach towards sorption of CO2 on waste derived biochar. Environmental Research, 214, 113954. https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.113954 Külling, D. R., Menzi, H., Kröber, T. F., Neftel, A., Sutter, F., Lischer, P., & Kreuzer, M. (2001). Emissions of ammonia, nitrous oxide and methane from different types of dairy manure during storage as affected by dietary protein content. The Journal of Agricultural Science, 137(2), 235-250. https://doi.org/10.1017/S0021859601001186 Lee, C., Hristov, A. N., Dell, C. J., Feyereisen, G. W., Kaye, J., & Beegle, D. (2012). Effect of dietary protein concentration on ammonia and greenhouse gas emitting potential of dairy manure. Journal of dairy science, 95(4), 1930-1941. https://doi.org/10.3168/jds.2010-4141 Lee, M., Li, P., Koziel, J. A., Ahn, H., Wi, J., Chen, B., ... & Jenks, W. S. (2020). Pilot- scale testing of UV-A light treatment for mitigation of NH3, H2S, GHGs, VOCs, odor, and O3 inside the poultry barn. Frontiers in Chemistry, 8, 613. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00613 Leytem, A. B. (2017). PRODUCTION, MANAGEMENT AND THE ENVIRONMENT SYMPOSIUM: Impacts of livestock production on environmental reactive nitrogen. Journal of Animal Science, 95(5), 2233-2235. https://doi.org/10.2527/jas.2017.1498 Li, Q. F., Liu, Y., Liao, W., & Powers, W. (2014). Microalgae Cultivation from Animal Production Exhaust Air: Mitigate Air Emissions and Recovery Nutrients. In 2014 Montreal, Quebec Canada July 13–July 16, 2014 (p. 1). American Society of Agricultural and Biological Engineers. https://doi.org/10.13031/aim.20141904843 Li, Q. F., Liu, Y., Liao, W., & Powers, W. (2017). Microalgal Cultivation Using Animal Production Exhaust Air: Technical and Economic Feasibility. CLEAN–Soil, Air, Water, 45(4), 1500309. https://doi.org/10.1002/clen.201500309 Li, Q., Powers, W., Rozeboom, D., Liu, Y., & Liao, W. (2016). An integrated Water Curtain-Microalgal Culture system (WCMC) to mitigate air emissions and recover nutrients from animal feeding operations. Algal research, 18, 166-174. https://doi.org/10.1016/j.algal.2016.06.014 Li, W., Li, Q. F., Powers, W., Karcher, D., Angel, R., & Applegate, T. J. (2014). Effects of distillers dried grains with solubles and mineral sources on gaseous emissions. Journal of Applied Poultry Research, 23(1), 41-50. https://doi.org/10.3382/japr.2013-00802 78 Liu, D., Feilberg, A., Adamsen, A. P., & Jonassen, K. E. (2011). The effect of slurry treatment including ozonation on odorant reduction measured by in-situ PTR- MS. Atmospheric Environment, 45(23), 3786-3793. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2011.04.028 Luo, J. C. A. M., De Klein, C. A. M., Ledgard, S. F., & Saggar, S. (2010). Management options to reduce nitrous oxide emissions from intensively grazed pastures: a review. Agriculture, ecosystems & environment, 136(3-4), 282-291. https://doi.org/10.1016/j.agee.2009.12.003 Maguer, J. F., L'Helguen, S., Madec, C., Labry, C., & Le Corre, P. (2007). Nıtrogen Uptake And Assımılatıon Kınetıcs In Alexandrıum Mınutum (Dynophyceae): Effect Of N‐Lımıted Growth Rate On Nıtrate And Ammonıum Interactıons 1. Journal of Phycology, 43(2), 295-303. https://doi.org/10.1111/j.1529- 8817.2007.00334.x Mahfouz, G. N. (2014). Mineral Uptake Rates and Yield Coefficients of the Green Microalgae Scenedesmus Dimorphus. Mata, T. M., Martins, A. A., & Caetano, N. S. (2010). Microalgae for biodiesel production and other applications: a review. Renewable and sustainable energy reviews, 14(1), 217-232. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.07.020 Maurer, D. L., Koziel, J. A., Bruning, K., & Parker, D. B. (2017). Farm-scale testing of soybean peroxidase and calcium peroxide for surficial swine manure treatment and mitigation of odorous VOCs, ammonia and hydrogen sulfide emissions. Atmospheric Environment, 166, 467-478. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2017.07.048 McPherson, W. (1915). First course in chemistry. Ginn. Meiirkhanuly, Z., Koziel, J. A., Chen, B., Białowiec, A., Lee, M., Wi, J., ... & Bakshi, S. (2020). Mitigation of gaseous emissions from swine manure with the surficial application of biochars. Atmosphere, 11(11), 1179. https://doi.org/10.3390/atmos11111179 Mekhilef, S., Saidur, R., & Kamalisarvestani, M. (2012). Effect of dust, humidity and air velocity on efficiency of photovoltaic cells. Renewable and sustainable energy reviews, 16(5), 2920-2925. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.012 Melse, R. W., & Ogink, N. W. M. (2005). Air scrubbing techniques for ammonia and odor reduction at livestock operations: Review of on-farm research in the Netherlands. Transactions of the ASAE, 48(6), 2303- 2313. https://doi.org/10.13031/2013.20094 Mihina, Š., Sauter, M., Palkovičová, Z., Karandušovská, I., & Brouček, J. (2012). Concentration of harmful gases in poultry and pig houses. Animal Science Papers and Reports, 30(4), 395-406. 79 Mostafa, E., Selders, A., Gates, R. S., & Buescher, W. (2020). Pig barns ammonia and greenhouse gas emission mitigation by slurry aeration and acid scrubber. Environmental Science and Pollution Research, 27, 9444-9453. https://doi.org/10.1007/s11356-020-07613-x Nagarajan, D., Lee, D. J., Chen, C. Y., & Chang, J. S. (2020). Resource recovery from wastewaters using microalgae-based approaches: A circular bioeconomy perspective. Bioresource technology, 302, 122817. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122817 National Research Council. (2002). The scientific basis for estimating air emissions from animal feeding operations: Interim report. National Academies Press. Negoro, M., Shioji, N., Miyamoto, K., & Micira, Y. (1991). Growth of microalgae in high CO 2 gas and effects of SO x and NO x. Applied biochemistry and biotechnology, 28, 877-886. https://doi.org/10.1007/BF02922657 Ngwabie, N. M., Jeppsson, K. H., Nimmermark, S., Swensson, C., & Gustafsson, G. (2009). Multi-location measurements of greenhouse gases and emission rates of methane and ammonia from a naturally-ventilated barn for dairy cows. Biosystems engineering, 103(1), 68-77. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2009.02.004 Ni, J. Q., Chai, L., Chen, L., Bogan, B. W., Wang, K., Cortus, E. L., ... & Diehl, C. A. (2012). Characteristics of ammonia, hydrogen sulfide, carbon dioxide, and particulate matter concentrations in high-rise and manure-belt layer hen houses. Atmospheric Environment, 57, 165-174. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.04.023 Ni, J. Q., Robarge, W. P., Xiao, C., & Heber, A. J. (2012). Volatile organic compounds at swine facilities: A critical review. Chemosphere, 89(7), 769-788. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.04.061 Ogbonna, J. C., Soejima, T., & Tanaka, H. (1999). An integrated solar and artificial light system for internal illumination of photobioreactors. In Progress in Industrial Microbiology (Vol. 35, pp. 289-297). Elsevier. https://doi.org/10.1016/S0079-6352(99)80121-0 Park, J., Jin, H. F., Lim, B. R., Park, K. Y., & Lee, K. (2010). Ammonia removal from anaerobic digestion effluent of livestock waste using green alga Scenedesmus sp. Bioresource technology, 101(22), 8649-8657. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.06.142 Perera, M. S. A., & Sampath, K. H. S. M. (2020). Modelling of free and adsorbed CO2- induced mechanical property alterations in coal. International Journal of Coal Geology, 217, 103348. https://doi.org/10.1016/j.coal.2019.103348 Peter, A. P., Khoo, K. S., Chew, K. W., Ling, T. C., Ho, S. H., Chang, J. S., & Show, P. L. (2021). Microalgae for biofuels, wastewater treatment and environmental 80 monitoring. Environmental Chemistry Letters, 19, 2891-2904. https://doi.org/10.1007/s10311-021-01219-6 Posten, C. (2009). Design principles of photo‐bioreactors for cultivation of microalgae. Engineering in Life Sciences, 9(3), 165- 177. https://doi.org/10.1002/elsc.200900003 Powell, J. M., & Broderick, G. A. (2011). Transdisciplinary soil science research: Impacts of dairy nutrition on manure chemistry and the environment. Soil Science Society of America Journal, 75(6), 2071- 2078. https://doi.org/10.2136/sssaj2011.0226 Ranjbar, R., Inoue, R., Katsuda, T., Yamaji, H., & Katoh, S. (2008). High efficiency production of astaxanthin in an airlift photobioreactor. Journal of Bioscience and Bioengineering, 106(2), 204-207. https://doi.org/10.1263/jbb.106.204 Rashid, N., Rehman, M. S. U., Sadiq, M., Mahmood, T., & Han, J. I. (2014). Current status, issues and developments in microalgae derived biodiesel production. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 40, 760-778. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.104 Recharla, N., Kim, K., Park, J., Jeong, J., Jeong, Y., Lee, H., ... & Park, S. (2017). Effects of amino acid composition in pig diet on odorous compounds and microbial characteristics of swine excreta. Journal of Animal Science and Technology, 59(1), 1-8. https://doi.org/10.1186/s40781-017-0153-5 Redwine, J. S., Lacey, R. E., Mukhtar, S., & Carey, J. B. (2002). Concentration and emissions of ammonia and particulate matter in tunnel–ventilated broiler houses under summer conditions in Texas. Transactions of the ASAE, 45(4), 1101. https://doi.org/10.13031/2013.9943 Renuka, N., Sood, A., Ratha, S. K., Prasanna, R., & Ahluwalia, A. S. (2013). Nutrient sequestration, biomass production by microalgae and phytoremediation of sewage water. International journal of phytoremediation, 15(8), 789-800. https://doi.org/10.1080/15226514.2012.736436 Richmond, A., Boussiba, S., Vonshak, A., & Kopel, R. (1993). A new tubular reactor for mass production of microalgae outdoors. Journal of Applied Phycology, 5, 327-332. https://doi.org/10.1007/BF02186235 Rojas-Downing, M. M., Nejadhashemi, A. P., Harrigan, T., & Woznicki, S. A. (2017). Climate change and livestock: Impacts, adaptation, and mitigation. Climate risk management, 16, 145-163. https://doi.org/10.1016/j.crm.2017.02.001 Rotz, C. A. (2018). Modeling greenhouse gas emissions from dairy farms. Journal of dairy science, 101(7), 6675-6690. https://doi.org/10.3168/jds.2017-13272 Rubio, F. C., Fernández, F. A., Pérez, J. S., Camacho, F. G., & Grima, E. M. (1999). Prediction of dissolved oxygen and carbon dioxide concentration profiles in 81 tubular photobioreactors for microalgal culture. Biotechnology and bioengineering, 62(1), 71-86. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097- 0290(19990105)62:1<71::AID-BIT9>3.0.CO;2-T Saeed, M., Arain, M. A., Naveed, M., Alagawany, M., Abd El-Hack, M. E., Bhutto, Z. A., ... & Chao, S. (2018). Yucca schidigera can mitigate ammonia emissions from manure and promote poultry health and production. Environmental Science and Pollution Research, 25, 35027-35033. https://doi.org/10.1007/s11356-018-3546-1 Schiefler, I. (2013). Greenhouse gas and ammonia emissions from dairy barns (Doctoral dissertation, Universitäts-und Landesbibliothek Bonn). Shen, Y., Yuan, W., Pei, Z. J., Wu, Q., & Mao, E. (2009). Microalgae mass production methods. Transactions of the ASABE, 52(4), 1275-1287. https://doi.org/10.13031/2013.27771 Sirohi, R., Pandey, A. K., Ranganathan, P., Singh, S., Udayan, A., Awasthi, M. K., ... & Sim, S. J. (2022). Design and applications of photobioreactors-A review. Bioresource technology, 126858. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.126858 Slegers, P. M., Wijffels, R. H., Van Straten, G., & Van Boxtel, A. J. B. (2011). Design scenarios for flat panel photobioreactors. Applied energy, 88(10), 3342-3353. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.12.037 Slegers, P. M., Van Beveren, P. J. M., Wijffels, R. H., Van Straten, G., & Van Boxtel, A. J. B. (2013). Scenario analysis of large scale algae production in tubular photobioreactors. Applied energy, 105, 395-406. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.12.068 Snell, H. G. J., Seipelt, F., & Van den Weghe, H. F. A. (2003). Ventilation rates and gaseous emissions from naturally ventilated dairy houses. Biosystems Engineering, 86(1), 67-73. https://doi.org/10.1016/S1537-5110(03)00113-2 Soydemir, G. (2016). Atiksu Ortamında YetiĢtirilen Mikroalglerin Yağının Karakterizasyonu ve Değerlendirilmesi. Gebze Teknik Üniversitesi Fen Bilim. Ens. D. Tezi, 142. Spinhirne, J. P., & Koziel, J. A. (2003). Generation And Calibration Of Standard Gas Mixtures Or Volatile Fatty Acids Using Permeation Tubes And Solid-Phase Microextraction. Transactions of the ASAE, 46(6), 1639. https://doi.org/10.13031/2013.15634 ġahin, Y., & Akyurt, Ġ. (2010). Planktonlar ve Fotobiyoreaktörler. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 1 (1), 83-92. Tam, N. F. Y., & Wong, Y. (1996). Effect of ammonia concentrations on growth of Chlorella vulgaris and nitrogen removal from media. Bioresource technology, 57(1), 45-50. https://doi.org/10.1016/0960-8524(96)00045-4 82 Todd, R. W., Cole, N. A., Clark, R. N., Flesch, T. K., Harper, L. A., & Baek, B. H. (2008). Ammonia emissions from a beef cattle feedyard on the southern High Plains. Atmospheric Environment, 42(28), 6797-6805. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.05.013 Toledo-Cervantes, A., Morales, M., Novelo, E., & Revah, S. (2013). Carbon dioxide fixation and lipid storage by Scenedesmus obtusiusculus. Bioresource Technology, 130, 652-658. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.12.081 Tymczyna, L., Chmielowiec-Korzeniowska, A., Drabik, A., & Raczynska, J. (2010). Removal of volatile organic compounds by biofiltration of air exhausted from fattening facility. Przemysl Chemiczny, 89(4), 567-572. Uduman, N., Qi, Y., Danquah, M. K., Forde, G. M., & Hoadley, A. (2010). Dewatering of microalgal cultures: a major bottleneck to algae-based fuels. Journal of renewable and sustainable energy, 2(1), 012701. https://doi.org/10.1063/1.3294480 Ugwu, C., Ogbonna, J., & Tanaka, H. (2002). Improvement of mass transfer characteristics and productivities of inclined tubular photobioreactors by installation of internal static mixers. Applied microbiology and biotechnology, 58, 600-607. https://doi.org/10.1007/s00253-002-0940-9 Van der Heyden, C., Demeyer, P., & Volcke, E. I. (2015). Mitigating emissions from pig and poultry housing facilities through air scrubbers and biofilters: State-of- the-art and perspectives. Biosystems Engineering, 134, 74-93. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2015.04.002 Vasumathi, K. K., Premalatha, M., & Subramanian, P. (2012). Parameters influencing the design of photobioreactor for the growth of microalgae. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7), 5443-5450. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.06.013 Vidyashankar, S., VenuGopal, K. S., Chauhan, V. S., Muthukumar, S. P., & Sarada, R. (2015). Characterisation of defatted Scenedesmus dimorphus algal biomass as animal feed. Journal of Applied Phycology, 27, 1871-1879. https://doi.org/10.1007/s10811-014-0498-9 Vítová, M., Bišová, K., Hlavová, M., Kawano, S., Zachleder, V., & Čížková, M. (2011). Chlamydomonas reinhardtii: duration of its cell cycle and phases at growth rates affected by temperature. Planta, 234, 599-608. https://doi.org/10.1007/s00425- 011-1427-7 Wang, B., Lan, C. Q., & Horsman, M. (2012). Closed photobioreactors for production of microalgal biomasses. Biotechnology advances, 30(4), 904-912. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2012.01.019 Wang, L., Wang, Y., Chen, P., & Ruan, R. (2010). Semi-continuous cultivation of Chlorella vulgaris for treating undigested and digested dairy manures. Applied 83 biochemistry and biotechnology, 162, 2324-2332. https://doi.org/10.1007/s12010- 009-8866-7 Wathes, C. M., Holden, M. R., Sneath, R. W., White, R. P., & Phillips, V. R. (1997). Concentrations and emission rates of aerial ammonia, nitrous oxide, methane, carbon dioxide, dust and endotoxin in UK broiler and layer houses. British poultry science, 38(1), 14-28. https://doi.org/10.1080/00071669708417936 Welter, C., Schwenk, J., Kanani, B., Van Blargan, J., & Belovich, J. M. (2013). Minimal medium for optimal growth and lipid production of the microalgae Scenedesmus dimorphus. Environmental Progress & Sustainable Energy, 32(4), 937-945. https://doi.org/10.1002/ep.11835 Woertz, I., Feffer, A., Lundquist, T., & Nelson, Y. (2009). Algae grown on dairy and municipal wastewater for simultaneous nutrient removal and lipid production for biofuel feedstock. Journal of Environmental Engineering, 135(11), 1115-1122. Xin, L., Hong-Ying, H., & Yu-Ping, Z. (2011). Growth and lipid accumulation properties of a freshwater microalga Scenedesmus sp. under different cultivation temperature. Bioresource technology, 102(3), 3098-3102. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.10.055 Xu, H., Miao, X., & Wu, Q. (2006). High quality biodiesel production from a microalga Chlorella protothecoides by heterotrophic growth in fermenters. Journal of biotechnology, 126(4), 499-507. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2006.05.002 Xu, X., Shen, Y., & Chen, J. (2015). Cultivation of Scenedesmus dimorphus for C/N/P removal and lipid production. Electronic Journal of Biotechnology, 18(1), 46-50. https://doi.org/10.1016/j.ejbt.2014.12.003 Yen, H. W., Ho, S. H., Chen, C. Y., & Chang, J. S. (2015). CO2, NOx and SOx removal from flue gas via microalgae cultivation: A critical review. Biotechnology journal, 10(6), 829-839. https://doi.org/10.1002/biot.201400707 Zhang, B., & Chen, G. Q. (2014). Methane emissions in China 2007. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, 886-902. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.11.033 Zhang, L., Hou, S., Wang, T., Liu, S., Gao, X., Wang, C., & Wang, G. (2022). Recent Advances in Application of Graphitic Carbon Nitride‐Based Catalysts for Photocatalytic Nitrogen Fixation. Small, 18(28), 2202252. https://doi.org/10.1002/smll.202202252 Zhang, S., Cai, L., Koziel, J. A., Hoff, S. J., Schmidt, D. R., Clanton, C. J., ... & Heber, A. J. (2010). Field air sampling and simultaneous chemical and sensory analysis of livestock odorants with sorbent tubes and GC–MS/olfactometry. Sensors and Actuators B: Chemical, 146(2), 427-432. https://doi.org/10.1016/j.snb.2009.11.028 84 Zhang, T. (2013). Dynamics of fluid and light intensity in mechanically stirred photobioreactor. Journal of biotechnology, 168(1), 107-116. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2013.07.007 Zhang, Y., Sun, Q., Zhou, J., Masunaga, S., & Ma, F. (2015). Reduction in toxicity of wastewater from three wastewater treatment plants to alga (Scenedesmus obliquus) in northeast China. Ecotoxicology and Environmental Safety, 119, 132- 139. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.04.034 Zhao, L. Y., Brugger, M. F., Manuzon, R. B., Arnold, G., & Imerman, E. (2007). Variations in air quality of new Ohio dairy facilities with natural ventilation systems. Applied engineering in agriculture, 23(3), 339-346. https://doi.org/10.13031/2013.22684 Zhou, W., Lu, Q., Han, P., & Li, J. (2020). Microalgae cultivation and photobioreactor design. In Microalgae cultivation for biofuels production (pp. 31-50). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817536-1.00003-5 Zhu, C., Chen, S., Ji, Y., Schwaneberg, U., & Chi, Z. (2022). Progress toward a bicarbonate-based microalgae production system. Trends in Biotechnology, 40(2), 180-193. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2021.06.005 85 EK 1 ÖZGEÇMĠġ SEYĠT UĞUZ ARAġTIRMA GÖREVLĠSĠ ULUDAĞ ÜNĠVERSĠTESĠ ZĠRAAT FAKÜLTESĠ BĠYOSĠSTEM MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ ĠĢ Telefonu : +90 224 294 1617 Dahili: 41617 E-posta : seyit@uludag.edu.tr Web : https://avesis.uludag.edu.tr/seyit Öğrenim Bilgisi BURSA ULUDAĞ ÜNĠVERSĠTESĠ BĠYOSĠSTEM MÜHENDĠSĠĞĠ Doktora Tez adı: Hayvan Barınaklarının Hava Kalitesi ve Yalıtımında Mikroalg 2017-2023 Uygulaması Tez DanıĢmanı:Prof. Dr. ERCAN ġĠMġEK BURSA ULUDAĞ ÜNĠVERSĠTESĠ BĠYOSĠSTEM MÜHENDĠSLĠĞĠ Yüksek Lisans Tez adı: Küçük Ölçekli Süt Sığırı ĠĢletmelerinin Toplu Büyük ĠĢletmeler 2014-2017 Biçiminde Modellenmesine Yönelik Bir AraĢtırma Tez DanıĢmanı: Prof. Dr. ERCAN ġĠMġEK Yüksek Lisans SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ 2011-2016 ĠNġAAT MÜHENDĠSLĠĞĠ (YL) (TEZLĠ) Tez adı: Tarihi Yığma Bir Binanın Deprem Güvenlik Analizi : Tarihi Konya-Gazi Lisesi (Darü’l Muallim) Örneği Tez DanıĢmanı:Prof. Dr. MAHMUD SAMĠ DÖNDÜREN Lisans SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ 2006-2011 ĠNġAAT MÜHENDĠSLĠĞĠ Yabancı Dil ĠNGĠLĠZCE 86,25 (YÖKDĠL) 86 Yurtdışı Deneyimi SOUTH DAKOTA STATE UNIVERSITY, UNITED STATES AGRICULTURAL AND BIOSYSTEMS ENGINEERING VISITING SCHOLAR Tez adı: Hayvan Barınaklarının Hava Kalitesi ve Yalıtımında Mikroalg 2019-2020 Uygulaması Tez DanıĢmanı:Prof. Dr. Gary Anderson UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND LIFE SCIENCES, POLAND MOBILITY TRAINING FACULTY OF AGRICULTURE AND BIOTECHNOLOGY 2015 (1 hafta) Tez adı: Küçük Ölçekli Süt Sığırı ĠĢletmelerinin Toplu Büyük ĠĢletmeler Biçiminde Modellenmesine Yönelik Bir AraĢtırma Tez DanıĢmanı: Prof. Dr. ERCAN ġĠMġEK INTERNSHIP WEISENBURGER BAU GmbH 2009 (3 Ay) Rastatt/Germany Projelerde Yaptığı Görevler TUBĠTAK 1001 PROJESĠ Tavukçuluk ĠĢletmelerinden Salınan Kirletici Gazların ARAġTIRMACI Fotobiyoreaktör Sistemi ile Azaltılması 15.02.2021-Devam Ediyor TUBĠTAK 1001 PROJESĠ (AVRUPA BĠRLĠĞĠ) (ULUSLARARASI) Koyun Ağılları Atmosferinde Amonyak (NH3), Metan (CH4), BURSĠYER Hidrojen Sülfür (H2S) ve Karbondioksit (CO2) Konsantrasyonlarının Belirlenmesi Çevresel Emisyon ve Yayılım Modellerinin GeliĢtirilmesi ve Olası Hayvan Refahı Üzerine Etkileri 13/02/2013 - 24/02/2016 (ULUSLARARASI) SCI, SCI- Expanded Ġndekslerine Giren Dergilerde Yayınlanan Makaleler 1 Growth of Scenedesmus dimorphus in swine wastewater with versus without solid–liquid separation pretreatment Augustina Osabutey, Noor Haleem, Seyit Uguz, Kyungnan Min, Ryan Samuel, Karlee Albert, Gary Anderson, Xufei Yang Bioresource Technology 3 Cultivation of Scenedesmus dimorphus with air contaminants from a pig confinement 87 building UGUZ S., Anderson G., Yang X., Simsek E., Osabutey A. Journal of Environmental Management, 2022 Air Quality Measurements In Four Sheep Barns Part II: Pollutant Gas Emissions Kılıc Ġ., ġimsek E., Yaslioglu E., Heber A., UĞUZ S. Environmental Science And Pollution Research, 2021 4 Spatial And Temporal Variations Of Temperature Humidity Index (Thı) For Laying Hens In The Marmara Region, Turkey Yaslioglu E., Ilhan H., Simsek E., UGUZ S. Fresenius Environmental Bulletin, 2018 5 Soil Pollution By Trace Metals Derived From Animal Feed And Manure In The Bursa Region Of Turkey Kilic I., UGUZ S., Asik B. B. Toxicological And Environmental Chemistry, 2014 Uluslarlarası Hakemli Dergilerde Yayınlanan Makaleler 1 UGUZ S., Onuk A., Simsek E. (2018). Assessment of Water Usage and Consumption of Livestock Enterprises in Bursa Region. Süleyman Demirel Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 290-294. 2 UGUZ S., Simsek E. (2017). Re-Modelling Of Small-Scale Dairy Cattle Farm As Large-Scale Collective Farm. Akademia Journal of Engineering and Applied Sciences, 215-226. 3 UGUZ S., Simsek E. (2017). Küçük Ölçekli Süt Sığırı ĠĢletmelerinin Toplu Büyük ĠĢletmelere DönüĢtürülmesine Yönelik Yapılan ÇalıĢmalar. GaziosmanpaĢa Bilimsel AraĢtırma Dergisi, 6, 146-155. Editör Kurulu 1 International Journal of Food Science and Agriculture (Alan endeksleri), Dergi, Editör, Hill Publishing Group, 14.11.2017 Uluslarlarası bilimsel toplantılarda sunulan ve bildiri kitaplarında basılan bildiriler 1 Simsek E., UGUZ S. 2018. Süt Sığırı YetiĢtiriciliği ĠĢletmelerinde Yıllık Su Ġhtiyacının Belirlenmesi ve Örnek Bir ĠĢletme Ġçin Su Tesisatının Düzenlenmesi. International Eurasian Conference on Science, Engineering and Technology, 2647-2652. (Tam Metin Bildiri) 2 Simsek E., UGUZ S., Yaslioglu E. 2018. Türkiye’deki Hayvansal Üretimin Küresel Ġklim DeğiĢimine Olan Etkisinin Değerlendirilmesi. International Eurasian Conference on Science, Engineering and Technology, 2653-2658. (Tam Metin Bildiri) 3 Onuk A., UGUZ S., Simsek E. 2018. Canlı Hayvanların TaĢınmasında KarĢılaĢılan Sorunların 88 Değerlendirilmesi. 1st International, 14th National Congress on Agricultural Structures and Irrigation, 339-347. (Tam Metin Bildiri) 4 UGUZ S., ONUK A., Simsek E. 2018. Assessment of Water Usage and Consumption of Livestock Enterprises in Bursa Region. 1st International, 14th National Congress on Agricultural Structures and Irrigation, 663 (Özet Bildiri) 5 ONUK A., UGUZ S., Simsek E. 2018. KüçükbaĢ Hayvan YetiĢtiriciliğinde ĠĢletme Su Gereksiniminin Belirlenmesi. Uluslararası su ve Çevre Kongresi, 1, 903-910. (Tam Metin Bildiri) 6 UGUZ S., Simsek E. 2017. Re-Modelling of Small-Scale Dairy Cattle Farm As Large-Scale Collective Farm. 3th International Congress of Agriculture and Environment (Özet Bildiri) 7 Simsek E., Yaslioglu E., Kilic Ġ, UGUZ S. 2017. A study to determine the annual effect of greenhouse gases originating from animal production in Turkey. 3rd International Agriculture Congress (14-18 August) (Özet Bildiri) 8 Simsek E., UGUZ S., Ölmez B. 2017. Design of a Rural Tourism Enterprise for the Rural Development in Bursa Region and Assessment of the Implemented Applications. 1th Internatıonal Rural Tourısm And Development Congress (Özet Bildiri) 9 UGUZ S., Keskin B., ġimĢek E. 2016. Determination of Current Location of Animal Barns and Establishment of A Database By GIS Study Case for Akçalar Village in Bursa. 7th International Conference on Biosystems Engineering (Özet Bildiri/Poster) 10 UGUZ S., ġimĢeK E., Yaslıoğlu E. 2015. Bursa Ġli Nilüfer Bölgesindeki Geleneksel Koyun Ağıllarının Yapısal Sorunları ve Çözüm Önerileri. Odryses'ten Nilüfer'e Uluslararası Nilüfer Sempozyumu (Tam Metin Bildiri) 11 Kılıç Ġ., UGUZ S., Yaslıoğlu E., ġimĢek E. 2015. Ammonia concentrations in four Turkish sheep barns inwinter season. 26th Internatıonal Scıentıfıc-Expert Conference Of Agrıculture And Food Industry (Özet Bildiri/Sözlü Sunum) Ulusal bilimsel toplantılarda sunulan ve bildiri kitaplarında basılan bildiriler 1 ġimĢek E., UĞUZ S. 2016. Bursa Bölgesi Süt Sığırı ĠĢletmelerinde Barınak KoĢullarının Hayvan Refahına Etkisinin Belirlenmesi. 13. Ulusal Kültürteknik Kongresi (Özet Bildiri/Sözlü Sunum) 2 UĞUZ S., ġimĢek E., Yaslıoğlu E. 2015. Bursa Bölgesi Ġklim KoĢullarının Koyunculuk ĠĢletme Yapıları Üzerindeki Etkilerinin Belirlenmesi. 1. Ulusal Biyosistem Mühendisliği Kongresi (Özet Bildiri/Sözlü Sunum) 3 UĞUZ S., ġimĢek E., Dağ B. 2015. Koyun Ağıllarında Çatı Elemanlarının DıĢ Yükler Altındaki DavranıĢının Modellenmesi ve Analizi. Ġç Anadolu Bölgesi 2. Tarım ve Gıda Kongresi (Özet Bildiri/Sözlü Sunum) 4 Onuk A., ġimĢek E., UĞUZ S. 2015. Ağıl Taban Düzenlemesinin Hayvan Refahı ve Verimliliği Üzerine Etkisi. Ġç Anadolu Bölgesi 2. Tarım ve Gıda Kongresi (Özet Bildiri/Poster) 5 ġimĢek E., UĞUZ S., Kılıç Ġ., Yaslıoğlu E. 2016. Süt Sığırı Ahırlarının Hayvan Refahı ve Verimliliği Üzerine Etkisinin Belirlenmesi. Ġç Anadolu Bölgesi 2. Tarım ve Gıda Kongresi (Özet Bildiri/Sözlü Sunum) 89