LED Lambalarının Mikroalg Üretimi Ġçin

2 6. T a r ı m s a l M e k a n i z a s y o n U l u s a l K o n g r e s i, 2 2 – 2 3 E y l ü l 2 0 1 0, H a t a y
LED Lambalarının Mikroalg Üretimi Ġçin Fotobiyoreaktörlerde IĢık
Kaynağı Olarak Kullanımı
1
Caner KOÇ1, Ali Bülent KOÇ2, Önder UYSAL3, Mustafa VATANDAġ4
South Dakota State University Agricultural and Biosystems Engineering Department, USA
2
University of Missouri Agricultural Systems Management Department, USA
3
Süleyman Demirel Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, Isparta
4
Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, Ankara
[email protected]
Özet: Fosil yakıt kullanımına alternatif olarak yüksek yağ içerikli mikroalglerden biyomas ve yakıt
elde edilmesine yönelik çalıĢmalar, son yıllarda oldukça önem kazanmıĢtır. Yüksek yoğunluklu
mikroalg üretimi için açık ve kapalı fotobiyoreaktör sistemleri kullanılmaktadır. Mikroalg üretiminde
sıcaklık, fotosentez için aydınlatma Ģiddeti, pH, CO2, besin ve kültür ortamı gibi bir çok parametre
etkili olmaktadir. Bu parametrelerden kontrol altında tutulması en masraflı olanı aydınlatmadır. Bu
çalıĢmada fotobiyoreaktörlerde mikroalg üretimi için aydınlatma aracı olarak LED tipi ıĢık
kaynaklarının kullanılması üzerinde durulmuĢtur.
Anahtar kelimeler: Mikroalg, LED lamba, Fotobiyoreaktör, Biyomas.
Using of LED Lamps as Light Source for Production of Microalgae in Photobioreactors
Abstract: Biyomas production from high oil content microalgaes have been considered as an
alternative to fossil fuels and research on microalgaes gained siginificant importance recently.
High oil density microalgaes are producted in open and close photobioreactors (PBR). In order to
grow high oil content microalgae, a few parameters such as illumination for photosynthesis, pH,
CO2, medium and nutrition content must be controlled. The control of illumination is the most
expensive of all parameters. In this research, the use of LED lights as an illumination source for
microalgae production in Photobioreactors were reviewed.
Keywords: Microalgae, LED lamp, Photobioreactor, Biomass.
GĠRĠġ
Mikroalgler güneĢ enerjisini yağ, protein ve
karbonhidrat gibi çeĢitli formlarda kimyasal enerjiye
çeviren tek hücreli canlılardır. Algler ilaç, boya
maddesi, karbonhidrat, yağ ve diğer kimyasal madde
elde edilme gibi potansiyelleri nedeniyle çok geniĢ bir
kullanım alanına sahiptirler (Hoppe ve ark., 1979).
Ġlaveten algler atıksu arıtması ve CO2‟ den oksijen
üretme yetenekleriyle, ekolojik dengenin korunmasına
da katkıda bulunmaktadırlar. Yüksek yağ içerikli
mikroalgler mısır, soya gibi besin maddelerinin yerine,
biyokütle ve biyodizel üretim potansiyelleri nedeniyle
geleceğin yakıtı olarak görülmektedirler (Borowitzka,
1992; Chisti, 2007). Tablo 1‟de yüksek yağ içerikli bazı
mikroalg türleri ve yağ oranları görülmektedir.
363
Tablo 1. Bazı mikroalg türleri ve yağ içerikleri
(Palalı 2010).
Tür
Botryococcus braunii
Chlorella sp.
Crypthecodinium cohnii
Cylindrotheca sp.
Dunaliella primolecta
Isochrysis sp.
Monallanthus salina
Nannochloris sp.
Nannochloropsis sp.
Neochloris oleoabundans
Nitzschia sp.
Phaeodactylum tricornutum
Schizochytrium sp.
Tetraselmis sueica
Yağ içeriği (%)
25-75
28-32
20
16-37
23
25-33
>20
20-35
31-68
35-54
45-47
20-30
15-23
50-77
2 6. T a r ı m s a l M e k a n i z a s y o n U l u s a l K o n g r e s i, 2 2 – 2 3 E y l ü l 2 0 1 0, H a t a y
Mikroalg üretmek için verimli tarım arazilerini
aydınlatılması kadar, ıĢığın ortam içerisinde kaybı da
kullanmaya gerek yoktur. Mikroalgler açık ve kapalı tip
yüksek
fotobiyoreaktörlerde (PBR) üretilebilmektedir. Açık
fotobiyoreaktörlerde ticari mikroalg üretimi genelde
dıĢ ortamda uzunluğu ve geniĢliği büyük, derinliği ise
güneĢ ıĢığından etkin Ģekilde yararlanmak için düĢük
etkilemektedir. Mikroalglerin yapısı, ıĢığın alınarak
kullanımı konusunda oldukça karmaĢık olmakla
birlikte, algler gelen ıĢığın fotonlarının tamamını
fotosentez için absorbe edememektedirler. Bu durum
tutulan
Açık
ortak gölgelemeye neden olmakta ve yalnızca ıĢığa
fobiyoreaktörlerde, mikroalg yetiĢtirmek için gerekli
olan en önemli etken ıĢıktır. Açık fotobiyoreaktörler,
ıĢık kullanımının güneĢe bağlı olması, buharlaĢma
kayıpları, CO2‟in atmosfere karıĢması, kirlilik gibi
nedenlerden dolayı yüksek yoğunluklu mikroalg
üretimi için yetersiz kalmaktadırlar (Lee, 2001).
bakan veya ıĢığa yakın olan hücrelerin fotosentez
yapabilmelerine imkan tanımaktadır.
Sonuçta aĢırı
aydınlatma veya yetersiz aydınlatma, kültür ortamının
derinliklerinde
birçok
sorunlar
ortaya
çıkarabilmektedir.
Çok
fazla
ıĢık
göndererek
fotosentetik foton akıĢını artırmak: i) Gölgelemeyi
Yüksek yoğunluklu mikroalg üretimi için en ideal
ortadan kaldırmaya yetmemektedir ve ayrıca bu
ortam kapalı fotobiyoreaktörlerdir (Pulz, 2001; Tredici
ve Zitelli, 1997). Kapalı fotobiyoreaktörlerin avantajları
arasında, yüksek yoğunluktaki kültürlerle çalıĢma
imkanı, dengeli, kaliteli ve sabit oranda yüksek
hacimsel üretim, tek tür migroalg kültürünün
durum ısınma ve uzaklık gibi yeni sorunlar ortaya
çıkarabilmektedir, ii) Ekonomik değildir, iii) AĢırı
foton yoğunluğundan hücre duvarı ve metabolizmada
zararlar görülebilmektedir (Park ve Lee, 2000).
Fotobiyoreaktör içerisinde ıĢık kaynağından
yetiĢtirilebilmesi, yüksek oranda CO2 transferine izin
verebilmeleri, CO2 kaybının az olması, dıĢ alanlarda
uzaklaĢtıkça hücrelerin fotosentez yapma etkinliği
düĢmektedir. Fotosentez ıĢığının fotobiyoreaktör
kurulduğunda güneĢ enerjisinden en üst seviyede
yararlanma ve biriken oksijenin hızla uzaklaĢtırılmasını
sağlamaları sayılabilmektedir (Olaizola 2003; Pirt ve
ark., 1983). Bunlara ek olarak sirkülasyon sayesinde
kültürün daha iyi havalandırılabilmesi, iĢgücü
kullanımının az olması, sıcaklığın ve aydınlatma
düzeyinin
kolay
kontrol
edilebilmesi
kapalı
fotobiyoreaktörlerin önemli avantajları arasındadır
(Grima ve ark., 1996). Kapalı fotobiyoreaktörlerin
mikroalg yetiĢtirmedeki bahsedilen etkinliklerine
rağmen, iĢletme giderlerinin fazla olması, ticari
içerisindeki etkinliği, hücre yoğunluğunun bir
fonksiyonu olarak, penetrasyon derinliği ve dalga
boyuna bağlı olarak ġekil 1‟de verilen grafikle
gösterilebilmektedir (Richmond, 2004). ġekilden de
anlaĢılacağı üzere, fotobiyoreaktörün derinliklerine
yeteri kadar ıĢık ve dolayısıyla fotonun ulaĢamadığı
durumlarda
fotosentez
etkinliği
düĢmektedir.
Fotosentez etkinliğinin düĢmesi de, hücre sayısındaki
artıĢının düĢmesine neden olmaktadır.
tesislerde
yapılmaktadır.
yoğunluklu
alg
kültürü
üretimini
bakımdan yaygınlaĢmalarının önündeki en büyük
engeli oluĢturmaktadır (Lee ve Palsson, 1994).
Yüksek yoğunluklu ve baĢarılı fotobiyoreaktör
(PBR) tasarımı için en önemli faktör, aydınlatma olarak
görülmektedir (Barta ve ark., 1990; Richmond, 2004).
Çünkü
fotobiyoreaktörlerde
en
fazla
enerji
aydınlatmaya
harcanmaktadır.
Ticari
anlamda
fotobiyoreaktörlerin yaygınlaĢabilmesi için ucuz,
dayanıklı, güvenilir ve etkinliği yüksek bir ıĢık
kaynağına gereksinim duyulmaktadır. IĢık kaynağının
seçimi yapılırken, ıĢık akısı ve uzaklığın yanında tayfın
dalga boyu karakteristiğinin de önemi bulunmaktadır.
YetiĢtirilecek olan farklı alg çeĢitleri için farklı besin,
foton yoğunluğu ve farklı dalga boyuna ihtiyaç
duyulmaktadır. IĢığın gönderilmesi ve kültür ortamının
364
ġekil 1. Nannochloropsis sp. türü mikroalge ait
penetrasyon derinliği ve hücre yoğunluğu arasındaki
bağıntı (Richmond, 2004).
2 6. T a r ı m s a l M e k a n i z a s y o n U l u s a l K o n g r e s i, 2 2 – 2 3 E y l ü l 2 0 1 0, H a t a y
aydınlatma
Yukarıdaki formüle göre gönderilen ıĢığın enerjisi
yapabilmek için, fotosentezin çok iyi kavranması
Mikroalg
üretiminde
dalga boyuna bağlı olmaktadır. Planck sabiti ve ıĢık
gerekmektedir.
enerjisi;
hızı değiĢmediği için, gönderilen enerji dalga boyuna
bağlı olmakta ve bu da enerji kontrolü olanağı
verebilmektedir. IĢığın dalga boyu ne kadar küçükse
gönderilen enerji de o kadar yüksek olmaktadır. Ancak
Fotosentez
etkili
için
bir
gönderilen
foton
1
formülüyle hesaplanabilmektedir(Ryer, 1997). Burada;
fotosentez hızı gönderilen enerjiden ziyade, belli bir
E: Foton enerjisi,
h: Planck sabiti (6.626x1034 J.s),
v: IĢığın frekansıdır.
dalga boyu aralığındaki foton akıĢına bağlı olarak
değiĢmektedir (Kiang ve ark., 2007).
Farklı türdeki alglerin, farklı besin ve farklı dalga
boyunda ıĢık gereksinimleri bulunmaktadır. IĢık
gereksinimindeki farklılıklar alglerin yapılarında
bulunan, klorofil-a, klorofil-b, karotenoyid, fikoeritrin
Bu formül;
2
Ģeklinde de ifade edilebilmektedir(Kommaredy and
Anderson, 2003). Burada;
c: IĢık hızı (2.998x108 m/s),
λ: IĢığın dalga boyu (m)‟dur.
gibi
fotosentez
yapan
pigment
farklılıklarından
kaynaklanmaktadır (Hoek ve ark., 1995). ġekil 2‟de
yeryüzünün fotosentetik spektrumuna bağlı olarak
bitki ve alglerin yapılarında yer alan bazı pigmentlerin
fotosentez yapabildikleri optimum dalga boyları
görülmektedir.
ġekil 2. Yeryüzünün fotosentetik spektrumu (Kiang ve ark., 2007).
IĢığa bağlı olarak fotobiyoreaktördeki mikroalg
hücre konsantrasyonu veya ıĢığın gönderildiği mesafe
konsantrasyonu için penetrasyon mesafesi 1 mm
olarak
tahmin
edilebilmektedir.
Penetrasyon
belliyse, Beer kanunu ile oransal olarak hücre
konsantrasyonu veya penetrasyon mesafesi tahmin
mesafesinin yine aynı araĢtırıcıların geliĢtirdiği
aĢağıdaki ampirik formülle de tahmin edilebileceği
edilebilmektedir (Javanmardian ve Palsson, 1991). Bu
kanuna göre 1 cm mesafeden 680 nm dalga boyunda
ölçülen hücre konsantrasyonu 1x108 hücre/mL ise,
aynı dalga boyunda 1x109 hücre/mL‟lik hücre
bildirilmektedir. Buna göre;
365
3
olmaktadır(Javanmardian ve Palsson, 1991). Burada;
2 6. T a r ı m s a l M e k a n i z a s y o n U l u s a l K o n g r e s i, 2 2 – 2 3 E y l ü l 2 0 1 0, H a t a y
Cc: Hücre konsantrasyonu (mg/L),
Molina ve ark. (2001) ise, alglerin uzun süreli
d : Etkili aydınlatma mesafesi (cm)‟dir.
karanlık periyodlarda bırakılmaları halinde oksijen ve
Fotobiyoreaktörlerde karıĢtırıcı kullanımı, ıĢığın tüm
hücrelere ulaĢtırılması ve fotosentez etkinliğinin
artmasına yardımcı olabilmektedir. Bu da hücre
karbonhidrat tüketimi yapacakları için biyomas
veriminde düĢüĢe neden olacağını vurgulamıĢlardır.
Kommareddy ve Anderson (2004) ise her alg türü için
kendilerine özgü bir aydınlık/karanlık çevriminin
konsantrasyonundaki artıĢ için son derece gereklidir.
belirlenmesi gerektiğini bildirmiĢler.
Fotobiyoreaktörlerin fotosentetik etkinliği aĢağıdaki
formülle açıklanmaktadır(Lee ve Palsson, 1994):
LED‟ler fotobiyoreaktörlerde kullanılması oldukça
uygun ıĢık kaynaklarıdır. Mikroalg üretiminde
kullanılacak LED tipi aydınlatma sistemlerinin
tasarımında, fotosentetik aktif radyasyon (PAR)
gereksinimi önemli bir parametredir. LED‟lerin yüksek
ıĢıksal etkinlik, diğer ıĢık kaynaklarına kıyasla daha
4
düĢük enerji tüketimi göstermeleri ve uzun ömürlü
f: Fotobiyoreaktörün fotosentetik etkinliği (%),
PıĢık:IĢık kaynağı tarafından sağlanan güç (W),
V: Fotobiyoreaktör içerisindeki konsantrasyon hacmi
(L),
Cc: Hücre konsantrasyonu (g/L),
k:Büyüme oranı,
t:Zaman (h),
h:Alglerin yanma ısısı =25.000 J/g (Lee ve Palsson,
1994).
Fotosentez için sürekli aydınlatma yapılması bazı
araĢtırıcılara göre hücreler üzerinde olumsuz sonuçlara
neden olmaktadır (Wu ve Merchuk, 2001). Bu
olumsuzluğu engellemek ve fotosentez yapan alg
hücresi
içerisindeki
antenlerin
kendilerini
yenileyebilmeleri için, karanlık periyoda ihtiyaç olduğu
vurgulanmaktadır. Nitekim doğal olarak yetiĢen alg
hücrelerinin de, geceleri bu karanlık periyodda
hücrelerini yeniledikleri belirtilmiĢtir. Bu sebepten
dolayı kimi araĢtırıcılar alg yetiĢtiriciliğinde 6-18 h
arasında değiĢen karanlık periyodlar yada kısa
aralıklarla yanıp sönen (flash) ıĢık kullanmıĢlardır (Kok,
1953). Bu Ģekilde yapılan çalıĢmalarda yanıp sönen
ıĢık; karanlık/aydınlık olarak bölümlenmiĢ, kare dalga
ile sürülen, dönen bir diskle elde edilmiĢtir. Yanıp
sönen ıĢık elde etmek için kulanılan kare dalganın
gerçek bir kare dalga olduğu kabul edilirse; ortalama
ıĢık
yoğunluğu
(I)
aĢağıdaki
hesaplanabilmektedir (Park and Lee, 2000):
I=I0.tf/(tf+td)
formülle
5
I0 : Gönderilen ıĢığın yoğunluğu (µmol.m-2.s-1 ),
tf : IĢığın yanma süresi (s),
td: IĢığın sönme süresi (s)‟dir.
olmaları; fotosentez yapan canlıların gereksinimlerine
uygun dalga boylarında (renklerde) yapay aydınlatma
olanağı vermeleri önemli avantajları arasında
sayılabilmektedir. Bu lambalar ayrıca
canlıda
meydana gelmesi olası ıĢık stresinin azaltılması, diğer
lambalara kıyasla hem üretim hem de kullanım
aĢamalarında daha çevreci olmaları, kolayca her yerde
bulunabilmeleri, küçük olmaları nedeniyle her yere
kolay takılabilmeleri, bulundukları ortamı diğer
lambalar gibi aĢırı derecede ısıtmamaları gibi
özellikleriyle de öne çıkmaktadırlar (Koç ve ark.,
2009).
Ġçinde LED lambalarının da bulunduğu çeĢitli ıĢık
kaynaklarının etkinliğini karĢılaĢtırmak için bir çalıĢma
Kommareddy ve Anderson (2004) tarafından
gerçekleĢtirilmiĢtir. AraĢtırıcılar yaptıkları çalıĢmada
karĢılaĢtırma için akkor telli lamba, Gro-lux, fluoresan
ve dalga boyu 643 nm ve 663 nm‟lik LED
lambalarından
oluĢan
panel
kullanmıĢlardır.
Denemede ıĢık kaynaklarının 2.4 m uzağına, ıĢık
yoğunluklarını
ölçmek
için
bir
algılayıcı
yerleĢtirmiĢlerdir. Denemeler sonucunda elde ettikleri
değerleri, alglerin fotosentez yapabilecekleri en uygun
dalga boyu aralığı olan 400-500 nm ve 600-700 nm
dalga boyları aralıkları ile karĢılaĢtırmıĢlardır. Buna
göre alg yetiĢtiriciliği için en uygun ıĢığın, 643 nm
dalga boyundaki LED‟lerden oluĢan ıĢık kaynağı
tarafından sağlandığını belirtmiĢlerdir. Ayrıca LED‟lerin
sadece gönderilen enerji bakımından değil, 10 000 h
çalıĢma sonucunda algler için optimum dalga boyu
olan 600-700 nm‟lik aralıkta tüketilecek enerji
bakımından da
bildirmiĢlerdir.
366
en
ucuz
kaynak
olduğunu
2 6. T a r ı m s a l M e k a n i z a s y o n U l u s a l K o n g r e s i, 2 2 – 2 3 E y l ü l 2 0 1 0, H a t a y
Kapalı fotobiyoreaktörde laboratuvar ortamında
elde edebilmek için bir frekans kontrol düzeni
yüksek yoğunluklu alg (chlorella vulgaris) yetiĢtirmek
tasarlanmıĢ ve imal edilmiĢtir. Frekans kontrol düzeni
için LED lambalarının ıĢık kaynağı olarak kullanıldığı
çalıĢma
Lee
ve
Palson,
1994)
tarafından
gerçekleĢtirilmiĢtir. Denemelerde, baĢlangıç mikroalg
yoğunluğunu 1x109 hücre/mL olan fotobiyoreaktör,
LM 555C zamanlayıcı tümleĢik devresiyle, % 5-50
arasında iĢ/çevrim (duty/cycle) oranı ve 5-100 kHz
arasında
değiĢen
frekanslı
olacak
Ģekilde
oluĢturulmuĢtur. Denemeler sonucunda; düĢük
üzerinde 24 adet dalga boyu 680 nm olan GaAlAs LED
frekanslı kesikli aydınlatma altındaki alg kültürü,
lambası bulunan düĢük yoğunluklu ve 90 adet dalga
boyu 680 nm olan GaAlAs LED lambası bulunan
yüksek yoğunluklu iki farklı panelle aydınlatılmıĢtır.
PBR içerisinde en yüksek ıĢık yoğunluğu 2.1 V‟luk
gerilimle beslenen yüksek yoğunluklu LED paneliyle 50
mW/cm2 olarak elde edilmiĢtir. Denemelerde, sıcaklık
sürekli aydınlatmaya göre düĢük bir büyüme hızı ve
düĢük oksijen üretim oranı performansı göstermiĢtir. 1
kHz‟lik yada daha düĢük frekanstaki flash
aydınlatmada hücre büyüme oranı ve fotosentez oranı
sürekli aydınlatmayla karĢılaĢtırıldığında aynı yada
daha az olmuĢtur. 37 kHz‟lik kesikli ıĢıkla yapılan
25 0C, pH 6.2, karıĢımdaki baĢlangıç O2 oranı % 15,
aydınlatmayla elde edilen hücre konsantrasyonunda
CO2 oranı ise % 5 olarak sabitlenerek sürekli olarak
karıĢtırma uygulanmıĢtır. Söz konusu gaz oranları
algılayıcılarla sürekli izlenmiĢ ve gerektiğinde ekleme
yapılarak bu değerlerin sabit tutulması sağlanmıĢtır.
Denemeler sonucunda düĢük yoğunluklu LED
ise sürekli aydınlatmaya oranla % 20‟lik bir artıĢ
sağlanmıĢtır. Bu sonucun fotobiyoreaktörlere yanıp
sönen bir ıĢık kaynağıyla aydınlatma uygulandığında;
hücre konsantrasyonunda, fotosentez oranında ve
klorofil konsantrasyonunda artıĢ sağlanabileceğinin
lambalarıyla 1.55 cm‟den çift taraflı olarak yapılan
aydınlatmada hücre yoğunluğundaki artıĢ % 2,
göstergesi olarak kabul edilebileceği bildirilmiĢtir.
Sonuçta, kesikli ıĢıkla, ani foton akıĢ yoğunluğundan
büyüme oranının en önemli göstergesi olan iki katına
çıkma süresi (doubling time) ise 20 h olarak
belirlenmiĢtir. Yüksek yoğunluklu LED lambalarıyla
1.55 cm uzaklıktan çift taraflı yapılan aydınlatma
sonucunda, hücre yoğunluğundaki artıĢ % 6.6 iki
katına çıkma süresi ise 12 h olarak bildirilmiĢtir. Aynı
Ģekilde oksijen yoğunluğunda da ikinci panelle yapılan
aydınlatma sonucunda, birinciye oranla 5 kat daha
fazla
artıĢ
sağlandığı
araĢtırıcılar
tarafından
bulgulanmıĢtır.
LED tabanlı yanıp sönen ıĢığın fotosentetik etkinliği
dolayı daha az gölgeleme yapılarak kültür oranında
artıĢ sağlanabilmektedir. Bu çalıĢmada ayrıcayapay
aydınlatma desteğiyle yüksek yoğunluklu alg kültürü
elde
edilebileceği,
uygun
fotobiyoreaktörlerin
olmamasından dolayı mikroalglerin ticari olarak
kullanımının yetersiz olmasına karĢın, elde edilen bu
sonuçların yüksek yoğunluklu mikroorganizmaların
yetiĢtirilmesinde veya doğal mikroalg yetiĢtirilmesine
katkı sağlayabileceği vurgulanmıĢtır.
ve mikroalg yetiĢtirilmesinde kullanılmasına iliĢkin
çalıĢma
Park
ve
Lee
(2000)
tarafından
gerçekleĢtirilmiĢtir. AraĢtırıcılar çalıĢmalarında farklı
frekanslarda (5 Hz ve 37 Hz) gönderilen ıĢığı,
fotobiyoreaktördeki alg büyüme ve oksijen üretimine
etkisi
bakımından
sürekli
aydınlatmayla
karĢılaĢtırmıĢlardır (ġekil 3). Denemelerde kapalı bir
fotobiyoreaktör içerisinde Chlorella kessleri türü
mikroalg üretilmiĢtir. Aydınlatma için kırmızı, dalga
boyu 680 nm olan yüksek yoğunluklu GaAIAs LED‟ler
kullanılmıĢtır. Bu LED‟ler 1.7-4.9 V arasında değiĢen
DC güç kaynağıyla beslenmiĢtir. LED lambalarının ıĢık
yoğunluğu fotosel ve kuantum algılayıcılarıyla
ölçülmüĢtür. Denemelerde 280 µE/m2/s‟lik ortalama
ıĢık yoğunluğu kullanılmıĢtır. Yanıp sönen ıĢık etkisi
367
ġekil 3. LED aydınlatmalı PBR Ģematik görünümü(Lee
ve Palsson, 1994).
2 6. T a r ı m s a l M e k a n i z a s y o n U l u s a l K o n g r e s i, 2 2 – 2 3 E y l ü l 2 0 1 0, H a t a y
Katsuda ve ark. (2006) tarafından yeĢil alg
daha fazla foton gönderebilmek için ıĢık Ģiddetini
(Haematococus pluvialis) üretmek için, kesikli olarak
artırmanın
mavi ıĢık yayan LED‟ler kullanılmıĢtır. Kullanılan
LED‟lerin ıĢık yoğunluğu 2-12 µmol.m-2.s-1, iĢ/çevrim
oranı % 17-67 ve frekansı 25-100 Hz olarak
belirlenmiĢtir. AraĢtırıcılar tarafından yukarıda verilen
aydınlatmayla birlikte ısının da artacağı ve bu
durumun PBR kullanımının yaygınlaĢması için
çözülmesi gereken yeni bir soruna neden olacağı
bildirilmiĢtir. Çözüm olarak ise fotobiyoreaktörün
özellikte görev yapan LED‟lerin kullanımıyla sürekli
karıĢtırılması
aydınlatma
yapılan
aynı
yoğunluktaki
alg
konsantrasyonuna göre önemli bir artıĢ elde edildiği
belirtilmiĢtir. Örneğin kesikli ıĢık yayan LED‟lerle 8
µmol.m-2.s-1 değerinde ıĢık verilerek üretilen alg
yoğunluğunun, sürekli aydınlatma ile 12 µmol.m-2.s-1
değerinde ıĢık verilerek üretilen alg yoğunluğuna eĢit
yöntemlerin üzerinde durulması gerektiği önerilmiĢtir.
sonuçlar alındığını; bu Ģekilde 1/3 oranında daha az
yapabilecek ve iĢletme masrafları düĢük olan kapalı
enerji
tüketilerek
enerji
tasarrufu sağlandığı
vurgulanmıĢtır. Yazarlar sonuç olarak kesikli ıĢık yayan
mavi LED‟lerin kapalı ortamda fotobiyoreaktörlerle alg
yetiĢtiriciliği için avantajlı olarak kullanılabileceğini
vurgulamıĢlardır.
fotobiyoreaktörlerin
tasarlanarak
kullanılması
gerekmektedir.
Mikroalg yetiĢtirmede gider oluĢturan en önemli
faktör,
yüksek
enerji
maliyetinden
dolayı
aydınlatmadır. Aydınlatma için; bir çok avantajının
LED lambalarıyla aydınlatma yaparak, ıĢık
penetrasyon derinliği ve hücre yoğunluk artıĢının
yanı sıra migroalg türlerinin ihtiyacı olan dar
spekrumlu dalga boylarını sağlamaları nedeniyle LED
araĢtırılması için bir çalıĢma da Lee (1999) tarafından
gerçekleĢtirilmiĢtir. AraĢtırmada üç farklı Chlorella
kessler türü alg, farklı hücre yoğunluğu değerleri
(1x105, 1x106, 1x107 hücre/mL) için hazırlanmıĢ ve
farklı aydınlatma Ģiddetleri kullanılmıĢtır. Denemeler
sonucunda ġekil 4‟deki grafiğin elde edildiği
belirtilmiĢtir.
lambaları
fotobiyoreaktörlerde
ideal
olarak
kullanılabilir.
Üretimi yapılacak olan mikroalglerin sahip oldukları
pigmentlere, istenilen hücre büyüklüğüne ve istenilen
hücre yoğunluğuna göre ideal dalga boyuna sahip
aydınlatma sağlayacak lambalar seçilmelidir.
Fotobiyoreaktörler aydınlatılırken, tüm hücrelerin
ıĢıkla gönderilen fotonları absorbe edip etkin bir
Ģekilde fotosentez yapabilmeleri için,
aydınlatma
lambalarının uzaklığı çok önemlidir. Aydınlatma
lambalarının çok yakın olması fotobiyoreaktörlerin
ise
çözüm
gibi
olmayacağı;
fotosentez
çünkü
etkinliğini
aĢırı
artıracak
SONUÇ
Yüksek yoğunlukta mikroalg yetiĢtirmek için en
ideal ortam kapalı fotobiyoreaktörlerdir. Bu nedenle
ucuz, verimliliği yüksek, büyük ölçeklerde üretim
ısısını artırabilmekte ve bu durum da hücrelerin ve
pigmentlerin zarar görmelerine neden olabilmektedir.
Aydınlatma lambalarının çok uzağa konması ise,
penetrasyon derinliğini azalttığından verim düĢmesine
neden olmaktadır.
Fotosentez yapan hücrelerinin yenilenebilmesi
yada fotosentez yaparken uğradıkları tahribatı telafi
edebilmeleri için karanlık bir zaman dilimine ihtiyaç
ġekil 4. IĢık yoğunluğu ve hücre konsantrasyonunun
fonksiyonu olarak Chlorella kessler mikroalgine ait
ıĢık penetrasyon derinliği (Lee , 1999).
AraĢtırmanın sonucunda ġekil 4‟ten de anlaĢılacağı
gibi alglerin ıĢık enerjisini absorbe etmekte çok etkin
oldukları, ancak bu etkinliğin penetrasyon derinliği ile
birlikte azaldığını vurgulamıĢlardır. PBR derinliklerine
368
vardır. Bu açıdan her alg türüne ait aydınlık/karanlık
çevrim zamanları belirlenerek üretim yapılmalıdır. Bu
durumda LED lambalarıyla kesikli aydınlatma
yapılabilir. LED lambaları çok kısa bir sürede yanıp
sönebilme özellikleri nedeniyle bu tür uygulamalarda
rahatlıkla kullanılabilir.
2 6. T a r ı m s a l M e k a n i z a s y o n U l u s a l K o n g r e s i, 2 2 – 2 3 E y l ü l 2 0 1 0, H a t a y
LĠTERATÜR LĠSTESĠ
Lee, C.-G. 1999. Calculation of Light Penetration Depth in
Barta, D. J., Tibbitts, T. W., Bula, R. J. ve Morrow, R. C.
Photobioreactors. Biotechnol.Bioprocess Eng.4, 78-81.
1990. Application of light emitting diodes for plant
Lee, Y.K., 2001. Microalgal mass culture systems and
irradiation in space bases.COSPAR Meeting in The
methods: Their limitation and Potential, Journal of
Applied Phycology, 13, 307-315.
Hague, The Netherlands, June 28, 1990.
Borowitzka M.A., 1992. Algal biotechnology products and
Molina, E., J. Fernandez, F.G. Acien ve Y. Chisti. 2001.
processes: matching science and economics. J Appl
Tubular
Phycol 4; 267–279.
92:113-131.
Chisti, Y. 2007. Biodiesel from Microalgae. Biotechnol. Adv.
photobioreactor
design
for
algal
cultures.
Olaizola, M., 2003. Commercial development of microalgal
biotechnology: from test tube to the marketplace,
25, 294-306.
Grima, E. M., Medina, A. R., Gimenez, A. G. et al., 1996.
Biomolecular Engineering. 20, 459-466.
Gram-scale purification of eicosapentaenoic acid (EPA,
Palalı,T., 2010.. Enerji Bitkileri Tarımı ve Teknolojisi. Ankara
20:5n- 3) from wet Phaeodactylum tricornutum UTEX640
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinaları
Anabilim Dalı Semineri, Ankara.
biomass. J. Appl. Phycol. 8:359 - 367.
Hoek, C. V. D., D. G. Mann ve H. M. Jahns. 1995. Algae: An
Park, K.-H, ve Lee, C.-G. 2000. Optimization of Algal
Introduction to Phycology. 12-13,24-25, 300-301. New
Photobioreactors Using Flashing light-emitting diodes.
Biotechnol.Bioprocess Eng. 5: 186-190.
York, N.Y.: Cambridge University Press.
Hoppe, H. A., Levring, T. ve Tanaka, Y. 1979. Marine algae
Pirt, S.J., Yuan, K.L., Walach, M.R., Pirt M.W., Balyuzi,
H.H.M. ve Bazin M.J., 1983. A tubular bioreactor for
in pharmaceutical science. Walter de Gruyter, Germany.
Javanmardian, M. ve B. O. Palsson. 1991. High-density
photosynthetic production of biomass from carbon
photoautotrophic algal cultures:design, construction, and
dioxide: design and performance, Journal Chem. Tech.
operation
of
a
novel
photobioreactor
system.
Biotechnology & Bioengineering: 38, p 1182-1189, John
phototrophic microorganisms. IGV Institute for Cereal
Wiley & Sons, Inc.
Katsuda, T., Shimahara, K., Shiraishi, H., Yamagami, K.,
Ranjbar, R. ve Katoh, S. 2006. Effect of Flashing Light
from
Blue
Emitting
Biotechnology, 33, 33-58.
Pulz, O., 2001. Photobioreactors: production systems for
Diodes
Astaxanthin Production of
on
Cell
40/41,
14558
Richmond, A. 2004. Handbook on Microalgal Culture:
Pluvialis.
Biotechnology and Applied Phycology. 23, 37, 125-172.
Journal of Bioscience and Bioengineering. Vol:102, No:5,
Iowa State Press, Iowa: Blackwell Publishing.
Ryer,
442-446.
Kiang, N.Y, Siefert, J., Govindjee
Arthur-Scheunert-Allee
Bergholz-Rehbrücke, Germany.
and
Growth
Haematococcus
Processing,
ve Blankenship, R. E.
A.D.,
1997.
Light
measurement
handbook.
International Light Inc., USA.
2007. Spectral Signatures of Photosynthesis. I.Review of
Tredici, M. R. ve Zitelli, G. C., 1997. Cultivation of Spirulina
Earth Organisms. Astrobiology Volume 7, Number 1.
(Arthrospira) platensis in flat plate reactors. In: Vonshak,
DOI: 10.1089/ast.2006.0105.
A. (ed.), Spirulina platensis (Arthrospira): Physiology,
Koç, C., M. VatandaĢ. ve A.B., Koç. 2009. LED Aydınlatma
Teknolojisi ve Tarımda Kullanımı. 25. Ulusal Tarımsal
Mekanizasyon Kongresi Bildiri Kitabı, s:153-158, Isparta.
flashing light, pp. 63-75. In: Burlew, J. S. (ed).Algal
from
Laboratory
to
Pilot
Plant.
Carnegie
Institution of Washington Publication, Washington, DC,
USA.
Kommareddy, A. and G. Anderson. 2003. Study of Light as a
parameter in the growth of algae in a Photo-Bio Reactor
(PBR). An ASAE Meeting Presentation. Paper Number:
034057 Las Vegas, Nevada, USA.
Kommareddy, A. and G. Anderson. 2004. Study of light
requirements of a Photobio Reactor. North Central
ASAE/CSAE Conference. Paper No.MB04-111. Winnipeg.
Lee,
C.
ve
B.
photobioreactors
Palsson.
1994.
using
High-density
London; 117–130.
Wu, X. ve J.C. Merchuk. 2001. A model integrating fluid
Kok, B. 1953. Experiments on photosynthesis byChlorella in
Culture
cell-biology and biotechnology. Taylor and Francis,
algal
light-emitting
diodes.Biotechnology and Bioengineering: 44, p 11611167.
369
dynamics
in
photosynthesis
and
photoinhibition
processes. Chemical Engineering Science. 56:3527-3538.