Development of helical tubular reactor for hydrogen producing photosythetic bacteria

Abstract

ÖZH DROJEN ÜRETEN FOTOSENTET K BAKTER LER Ç N HELEZON KBORU T P REAKTÖR GEL ŞT R LMESSarı, SüleymanMaster. Biyoteknoloji BölümüTez Danışmanı : Prof. Dr. nci EroğluOrtak Tez Danışmanı : Prof. Dr. Ufuk GündüzŞubat 2007, 89 sayfaFotobiyolojik hidrojen üretimi, anaerobik koşullar altında aydınlatmaya tabitutularak organik maddelerin parçalanması yoluyla gerçekleştirilebilir. Ancak, ışığınhidrojene daha etkin olarak dönüşebilmesi ve biyolojik hidrojen üretimininartırılabilmesi için yeni tasarımlara ihtiyaç vardır. Bu çalışmada hidrojen üretenmikroorganizma olarak sülfürsüz bir pembe bakteri olan Rhodobacter sphaeroidesO.U. 001 suşu kullanılmıştır. Birisi salınımlı helezonik fotobiyoreaktör ve diğerigeri-dönüşlü helezonik fotobiyoreaktör olmak üzere iki çeşit reaktor geliştirilmiş, vesırasıyla bakteri büyütülmesi ve hidrojen üretiminde başarıyla çalıştırılmıştır.Hava yardımı ile çalışan salınımlı helezonik fotobiyoreaktörün toplam sıvı kapasitesi11.5 L idi ve bunun 4.5 L'si bakteri kültürü tarafından işgal edilmekteydi. Bakterilerazot atmosferi altında hem malat-içerikli, hem de asetat içerikli besiyerinde oldukçaiyi büyüdüler, ve sistem kapatılana dek canlılıklarını 24 gün süreyle muhfaza ettiler.Hidrojen üretimi için tasarlanan geri-dönüşlü helezonik boru tipi reaktör tümükullanılan 6.5L'lik bir sıvı hacmine sahipti. Bakteriler malat içerikli besiyerinde dörtgün boyunca yaklaşık 1.9L hidrojen ürettiler. Hidrojen üretim hızı 0.009LH2/Lkültür.saolarak gerçekleşti.Moleküler azot gazının ve sodyum glutamat derişiminin Rhodobacter sphaeroidesO.U. 001 suşundan hidrojen üreten fotosentetik bakterilerin büyümeleri üzerindekietkileri 500ml-hacimli şişeler kullanılarak araştırıldı. 15mM asetat ve 10mM sodyumglutamat içeren kontrol besiyerlerinden elde edilen büyüme eğrileri arasında birfarklılık gözlenmedi. Ancak daha az miktarda azot kaynağı içeren diğer şişelerdebakterilerin azot atmosferi altında daha erken büyümeye başladıkları görüldü. Ayrıca15/2'lik bir asetat/sodyum glutamat oranının ekim yapılacak bakterileri yetiştirmedeyeterli olduğu ve fazladan sodyum glutamat harcamayta gerek olmadığı bulundu.Bu çalışmada geliştirilen yeni tasarımlar fotobiyolojik hidrojen üretiminigeliştirmeyi, ve fotobiyolojik sistemlerin büyük ölçekli uygulamalar için dış dünyakoşullarına uyumunu kolaylaştıracak yeni yolların sağlanmasını amaçlamaktadır.Anahtar kelimeler: fotobiyoreaktör, fotosentetik bakteriler, fotofermentatif hidrojenüretimi.

ABSTRACTDEVELOPMENT OF HELICAL TUBULAR REACTOR FOR HYDROGENPRODUCING PHOTOSYNTHETIC BACTERIASarı, SüleymanMS. Department of BiotechnologySupervisor : Prof. Dr. nci EroğluCo-Supervisor: Prof. Dr. Ufuk GündüzFebruary 2007, 89 pagesPhotobiological hydrogen production from organic materials occurs with the help ofillumination and under aerobic conditions within photobioreactors. Novel designs areneeded in order to increase the light conversion efficiency and to improve thebiological hydrogen production. In this thesis, purple non sulfur bacteriaRhodobacter sphaeroides O.U. 001 was employed as the hydrogen producingmicroorganism. Two different types of photobioreactors, namely oscillatory helicalphotobioreactor and recycling helical bioreactor, were devised and successfullyoperated for bacterial growth and hydrogen production.Total liquid capacity of the pneumatically driven oscillatory flow helical tubularphotobioreactor was 11.5 L, and 4.5 L of which was occupied by the bacterialculture. The bacteria grew very well both in malate-based and acetate-based mediaunder nitrogen atmosphere. The bacteria sustained their vitality 24 days before thesystem was shut down.The recycling helical tubular photobioreactor, which was developed for hydrogenproduction, had a fully occupied total volume of 6.5L. The bacteria producedapproximately 1.9L of hydrogen in four days on malate-based media. The hydrogenproduction rate was 0.009LH2/Lculture.h.The effects of molecular nitrogen gas and the sodium glutamate concentration on thegrowth of hydrogen producing photosynthetic bacteria Rhodobacter sphaeroidesO.U.001 in the reactor were also examined in 500ml-bottles. The bacterial growthcurves did not show any difference at the control medium containing 15mM ofacetate and 10 mM of sodium glutamate. However, other bottles containing a lesseramount of N-source was found to grow earlier under the nitrogen atmosphere.Besides, even a 15/2 acetate/sodium glutamate ratio was observed to be sufficient togrow the bacteria for inoculation, and to spend extra sodium glutamate was notnecessary.The novel designs developed in this study aim to improve the biological hydrogenproduction by photosynthetic bacteria, and to provide new ways in adaptation ofphotobiological systems to outdoor conditions for large-scale applications.Keywords: Photobioreactor, photosynthetic bacteria, photofermentative hydrogenproduction