Includes CD

Includes references (63-73 p.)

'ABSTRACT The world has been faced with an energy and water crisis associated with the depletion of fossil fuels and freshwater, coupled with an atmospheric accumulation of greenhouse gases that cause global warming. Renewable sources of energy and water are required to address these depletions. Hence this research work on nutrient removal, biodiesel production from cultivated microalgae in municipal wastewater effluent and production of bioethanol from microalgae residue will help to provide more sustainable advancement in biodiesel production from microalgae biomass and also aid in removal of nutrients from the wastewater. The research was done with different wastewater effluent chambers of (fine screen effluents (FSE), membrane bioreactor effluents (MBE) and final treatment effluent (FTE)). Microalgae the natural lagoon grown on BG 11 medium was inoculated on the various wastewater to treat the wastewater off nutrient pollutants (N and P), in outdoor and indoor culture system and the microalgae used was further harvested and was used for biodiesel production, the residue from biodiesel production was used for bioethanol production and finally the protein content of the residue from production was analysed for further co-products production and for proper waste utilization and sustainable practice. From the result gotten, the growth rate was highest in FSE outdoor with value of 1.681g/L followed by FSE indoor with value of 1.284g/L and the least value was MBE indoor with 0.284g/L. FSE outdoor had the highest nitrogen removal efficiency of 99.03%, followed by FSE indoor with 98.26% and the least was FTE outdoor of 87.26% over 5 days, FSE outdoor had the highest phosphorus removal efficiency of 97.60%, followed by MBE outdoor with 97.18% and the least was MBE indoor of 83.18% over 5 days. It was observed that FSE outdoor resulted in higher biodiesel yield (97.02%) and FSE indoor had the lowest biodiesel yield of 52.89%. The value of ethanol got to 4.88% at 24 hours fermentation period while the TRS got to 1.47g/L at 24 hours. From the analysis we got 0.529 g(protein)/ g(sample). That is approximately about 53% protein content of the total biomass content. From the result gotten from the study so far, we could say that microalgae is not just one of the best sustainable alternative source for fossil fuel replacement but also a good biological nutrient treatment system. Keywords: biodiesel, bioethanol, wastewater, microalgae, protein analysis ÖZET Fosil yakıtların ve tatlı suyun tükenmesine küresel ısınmaya yol açan sera gazlarının atmosferik akümülasyonu da eklenince, dünya bir enerji ve su krizi il karşı karşıya kaldı. Yenilenebilir enerji ve su kaynakları buna çözüm olarak görülmektedir. Yüksek yağ verimi (5000-1000000 L/ha-y) ve CO2 kullanabilmeleri ve tatlı, acı, tuzlu ya da atık sularda kültivasyonu yapılabildiğinden mikroalgler biyo yakıt kaynağı olarak dikkat çekmektedir. Bu çalışma, nütrient giderimi, evsel atıksu çıkış suyunda üremiş olan mikroalglerden biyodizel üretimive mikroalg kalıntılarındanbiyoetanol üretimine yönelik olduğundan, hem mikroalg biyokütlesinden sürdürülebilir biyodizel üretimihem de atıksudan nütrient giderimi sağlanacaktır. Çalışma, farklı birimlerden alınan çıkış suyu örnekleri (ince ızgara çıkış suyu (FSE), membran biyoreaktör çıkış suyu (MBE) ve son arıtım çıkış suyundan (FTE)) ile sürdürülmüştür. Mikroalglerdoğal lagünden alınan mikroalgler BG11 ortamında üretilip farklı atıksulara aşılanarak kirletici nütrientlerin (N ve P) giderimi için aşılanmış daha sonra bu ortamlardan alınarak biyodizel üretiminde kullanılmış ve biyodizel üretiminden geriye kalan kısım biyo etanol üretiminde kullanılmış ve geriye kalan kısımda oluşabilecek ürünlerin saptanabilmesi ve muhtemel atık değerlendirilmesi ve sürdürülebilir uygulamalar için protein analizi yapılmıştır. Elde edilen bulgular, en yüksek alg büyüme hızları, bina dışında ve bina içerisinde tutulup üremesi sağlanan FSE atıksuları ile elde edilmiş olup bu değerler sırası ile 1.681 g/L ve 1.248 g/L olarak saptanmıştır. En düşük büyüme hızı ise 0.284 g/L olarak bina dışında bekletilen MBE atık suyunda saptanmıştır. En yüksek azot giderim verimleri, bina dışında ve bina içerisinde bekletilen FSE de sırası ile %99.03 ve %98.26 olarak saptanmıştır.En düşük azot giderim verimi ise 5. gün sonundabina dışında bekletilen FTE'de %87.26 olarak saptanmıştır. En yüksek fosfor giderim verimi, bina dışında tutulan FSE ve MBE'de sırası ile %97.60 ve %97.18 olarak saptanmıştır. En düşük fosfor giderim verimi ise 5. gün sonunda %83.18 olarak bina içerisinde tutulan MBE'de saptanmıştır. Bina dışında tutulan FSE'de en yüksel biyodizel üretim verimi (%97.02) elde edilirken en düşük biyodizel üretim verimi %52.89 olarak bina içerisinde tutulan FSE'de kaydedilmiştir. 24 saatlik fermentasyon periyodu sonunda %4.88 verimle etanol üretimi sağlanmıştır. Çalışma sonucunda, 0.529 g(protein)/g(örnek) elde edilmiştir. Bu da biyokütlenin toplam protein içeriğinin % 53'üdür. Çalışmalar sonucunda, mikrğalglerin en iyi sürdürülebilir alternatif enerji kaynaklarından biri olduğu hem de iyi bir biyolojik nütrient giderim sistemi olduğu ortaya konulmuştur. Anahtar kelimeler: Biyodizel, biyoetanol, atıksu, mikro alg, protein analizi.'

1 CHAPTER 1

4 INTRODUCTION

4 JUSTIFICATION OF STUDY

5 AIMS AND OBJECTIVES OF STUDY

6 CHAPTER 2

6 LITERATURE REVIEW

6 MICROALGAE BIOMASS

7 Crops vs. Microalgae as biodesel feedstock

10 Advantages of Microalgae

12 Challenges of Using mıcroalgae

14 WASTEWATER TREATMENT USING MICROALGAE

19 BIODIESEL PRODUCTION

20 BIOETHANOL PRODUCTION

21 PROTEIN CONTETNT ANALYSIS

23 CHAPTER 3

23 MATERIALS AND METHODS

23 STUDY SITE

23 WASTEWATER AND MICROALGAE SAMPLING AND CHARATERIZATION

24 EXPERIMENTAL SETUP

24 Phase 1(T4-Synthetic BG 11 medium)

25 Phase II (WWTP effluent treatment and culture )

26 ALGAE GROWTH AND NUTRIENT REMOVAL ANALYSIS

26 Growth evaluation

28 Nutrient monitoring and Removal analysis

29 BIOMASS HARVESTING AND TREATMENT

29 LIPID EXTRACTION

30 TRANSESTERIFICATION AND BIODIESEL PRODUCTION

31 BIOETHANOL PRODUCTION FROM MICROALGAE RESIDUE FROM BIODIESEL PRODUCTION

31 Biomass pretreatment

31 Total carbohydrate analysis

31 Total reducing sugar analysis

32 Enzyme hydrolysis

32 Fermentation to ethanol

33 PROTEIN CONTENT ANALYSIS OF MICROALGAE RESIDUEFROM BIOETHANOL PRODUCTION

34 Experimental setup

35 CHAPTER 4

35 RESULT AND DISCUSSION

35 SYNTHENTIC CULTURE

40 ALGAE GROWTH AND NUTRIENT REMOVAL ANALYSIS

41 Growth rate and Biomass yield of microalgae

46 ChlorophyII a content

47 Cell number

47 Specific growth rate

47 Nutrient removal

55 BIODIESEL PRODUCTION AND ANALYSIS

55 Biodiesel production

55 BIOETHANOL ANALYSIS

57 Total carbohydrate and total reducing sugar

58 Bioethanol production

60 PROTEIN CONTENT ANALYSIS OF MICROALGAE RESIDUE FROM BIOETHANOL PRODUCTION

62 CHAPTER 5

62 CONCLUSIONN AND RECOMMENDATION

62 CONCLUSION

62 RECOMMENDATION

63 REFERENCE