Sera atıklarından biyogaz üretim potansiyeline hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma ve enzimatik hidroliz proseslerinin etkilerinin belirlenmesi

Abstract

Bu tez kapsamında, ülkemizde tarımsal faaliyetler sonucu büyük miktarda açığa çıkan ve enerji üretim potansiyeline sahip lignoselülozik kökenli sera atıklarına hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma ve enzimatik hidroliz uygulanılarak biyogaz üretimine olan etkileri incelenmiş ve proses optimizasyonları yapılmıştır. Bu kapsamda öncelikle lignoselülozik kökenli sera atıkları karışım numunesinin karakterizasyonu toplam katı madde, uçucu katı madde, toplam kjeldahl azotu, protein, çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı, çözünmüş şeker, ekstrakte olabilen madde ve yağ (lipid), Van Soest Fraksiyonu (selüloz, hemiselüloz, lignin, çözünmüş madde) ve elementel analiz yoluyla belirlenmiştir. Sera atıkları karışım numunesinin C, H, N ve S'den oluşan elementel analiz sonuçları sırasıyla %35,20, %5,73, %2,25 ve %0 olarak bulunmuştur. Sera atıkları karışım numunesinin Van Soest bileşenleri çözünür madde fraksiyonu, selüloz, hemiselüloz ve lignin miktarları ise sırasıyla %37,83, %30,51, %10,54 ve %21,12 olarak tespit edilmiştir. Elementel analiz ve Van Soest analiz sonuçları sera atıklarının biyogaz üretimi açısından uygun atık organik materyal olduğunu göstermektedir. Hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma prosesi, seçilen bağımsız değişkenlerin, bağımlı değişkenler üzerindeki etkileri yoluyla incelenmiştir. Hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma prosesi üzerinde etkisi olabilecek bağımsız değişkenler, NaOH konsantrasyonu (%0-1), kavitasyon sayısı (0,6-0,7) ve reaksiyon süresi (60-300 dk.) olarak belirlenmiştir. İncelenen bağımlı değişkenler ise çKOİ konsantrasyonu, çŞeker konsantrasyonu ve biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) olarak tespit edilmiştir. Bağımsız değişkenlerin bağımlı değişkenler üzerindeki etkisinin incelenmesinde istatistiksel cevap yüzey yöntemi (CYY) içerisinde yer alan merkezi kompozit tasarım (MKT) metodu kullanılmış ve MKT ön arıtma denemeleri yapılmış, çKOİ, çŞeker değişimi ve BMP değişimi için modeller kurulmuş ve modellerin geçerlilikleri ANOVA testi ile incelenmiştir. çKOİ, çŞeker değişimi ve BMP değişimi modellerine ait regresyon katsayıları sırasıyla 0,7302, 0,8750 ve 0,2636 olarak hesaplanmıştır. ANOVA testi sonunda BMP değişimi modeli önemli bulunmasına rağmen düşük regresyon katsayısı ile sonuçlanmıştır. Hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma MKT denemeleri sonucunda, reaksiyon süresi ve kavitasyon sayısındaki artışın çKOİ ve çŞeker konsantrasyonunu olumsuz etkilediği tespit edilmiştir. NaOH konsantrasyonundaki artış çŞeker değişimini olumsuz etkilerken, düşük kavitasyon sayısı ve düşük reaksiyon süresinde NaOH konsantrasyonundaki artış çKOİ değişimine olumlu yönde etki etmiştir. Hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtmanın BMP üzerinde genel olarak olumsuz etkisi olduğu sonucuna varılmıştır. BMP değerlerinde en fazla artış ii NaOH konsantrasyonunun ve kavitasyon sayısının arttırılması ile elde edilirken, BMP değerlerinde en fazla azalma ise 180 dk. reaksiyon süresi ve 0,65 kavitasyon sayısının uygulandığı numunede gerçekleşmiştir. BMP üretiminin arttırılmasının amaçlandığı tez kapsamında çKOİ, çŞeker ve BMP'nin farklı davranışları nedeniyle hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma proses optimizasyonunda farklı çözüm önerileri değerlendirilmiştir. çKOİ, çŞeker değişimi ve BMP değişimi için oluşturulan modeller kullanılarak hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma proses optimizasyonu proses maliyeti ve maksimum metan üretimi kriterlerine göre yapılmıştır. Proses maliyeti dikkate alınarak yapılan optimizasyonunda optimum ön arıtmanın %0 NaOH konsantrasyonu, 0,7 kavitasyon sayısı ve 90 dk. reaksiyon süresi koşullarında, maksimum BMP üretimi için yapılan optimizasyonda ise optimum ön arıtmanın %0,44 NaOH konsantrasyonu, 0,7 kavitasyon sayısı ve 180 dk. reaksiyon süresi koşullarında sağlandığı tespit edilmiştir. Maliyet açısından ekonomik hidrodinamik kavitasyon ön arıtma prosesinin optimizasyon çözümü için model tarafından çKOİ, çŞeker değişimi, ve BMP değişimi değerleri sırasıyla 149,919 mgKOİ/gUKM, -%0,11 ve %8,43 olarak tahmin edilmiştir. Validasyon deneyi sonucunda çKOİ, çŞeker değişimi ve BMP değişimi değerleri sırasıyla 155,52 mgKOİ/gUKM, -%2,84 ve -%6,90 olarak bulunmuştur. Maksimum BMP üretimi amacıyla yapılan hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma prosesinin optimizasyon çözümü için model tarafından çKOİ, çŞeker değişimi, BMP değişimi değerleri ise sırasıyla 145,09 mgKOİ/gUKM -%15,13 ve %25,94 olarak tahmin edilmiştir. Validasyon deneyi sonucunda çKOİ, çŞeker değişimi ve BMP değişimi değerleri sırasıyla 148,20 mgKOİ/gUKM, -%8,58 ve %0,97 olarak tespit edilmiştir. Her iki optimizasyon için bağımlı değişkenlerden çKOİ'nin tahmin edilen ve validasyon deneyi sonrasında tespit edilen değerleri birbirine yakın bulunmuştur. Bununla birlikte, bağımlı değişkenlerden çŞeker değişimi ve BMP değişiminin validasyon deneyi sonrasında tespit edilen değerleri, tahmin edilen değerlerine yakın değildir. BMP değişimi için düşük tahmin sonucunun modelin düşük regresyon katsayısı ile tanımlanmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Hidrodinamik kavitasyon ön arıtma sonrası elde edilebilecek biyogaz miktarını artırmak amacıyla numunelere enzimatik hidroliz uygulanmıştır (10-60 FPU/grKM selülaz ve 10-80 IU/grKM β-glukosidaz). Enzimatik hidroliz etkisinin tespit edilebilmesi amacıyla enzimatik hidroliz, ön arıtma prosesine tabi tutulmamış ham numuneye ve maliyet açısından ekonomik hidrodinamik kavitasyon ön arıtma koşullarında (%0 NaOH, 0,7 kavitasyon sayısı ve 90 dk. reaksiyon süresi) muamele edilen numuneye uygulanmıştır. Ham numune substrat kontrol numunesinin çKOİ, çŞeker ve BMP değerleri sırasıyla, 751,91 mgçKOİ/grUKM, 77,76 mgçŞeker/grUKM ve 300,92 mLCH4/gUKM olarak tespit edilmiştir. Ham numune için enzimatik hidroliz sonrası elde edilen en yüksek çKOİ ve çŞeker konsantrasyonu 1363,29 mgçKOİ/grUKM ve 361,65 mgçŞeker/grUKM değeri ile 60 FPU/grKM selülaz ve 45 IU/grKM β-glukosidaz enzimlerinin kullanıldığı deneyde tespit edilmiş ve substrat kontrole göre sırasıyla %81,31 ve %365,08 artış gerçekleşmiştir. En yüksek BMP değeri ise 10 FPU/grKM selülaz ve 45 IU/grKM β-glukosidaz enzim miktarlarının kullanıldığı deneyden elde edilmiş ve BMP 273,21 mLCH4/gUKM olarak ölçülmüştür. Ancak, enzimatik hidroliz prosesinde substrat kontrole göre %9,21 azalma tespit edilmiştir. iii Hidrodinamik kavitasyon ön arıtma uygulanan numunenin enzimatik hidrolizi için hazırlanan substrat kontrol numunesinin çKOİ, çŞeker ve BMP değerleri sırasıyla, 839,64 mgçKOİ/grUKM, 40,14 mgçŞeker/grUKM ve 315,37 mLCH4/gUKM olarak tespit edilmiştir. Hidrodinamik kavitasyon ön arıtma uygulanan numunenin enzimatik hidrolizi sonrası en yüksek çKOİ konsantrasyonu ve BMP değeri 1084,41 mgçKOİ/grUKM ve 411,44 mLCH4/grUKM değeri ile 60 FPU/grKM selülaz ve 45 IU/grKM β-glukosidaz enzimlerinin uygulandığı deneyden elde edilmiş olup, substrat kontrole göre sırasıyla %29,15 ve %30,46 artış tespit edilmiştir. En yüksek çŞeker konsantrasyonu ise 327,03 mgçŞeker/grUKM değeri ile 60 FPU/grKM selülaz ve 10 IU/grKM β-glukosidaz enzimlerinin uygulandığı deneyden elde edilmiş olup, substrat kontrole göre %714,72 artış tespit edilmiştir. Enzimatik hidroliz prosesi (10 FPU/grKM selülaz ve 45 IU/grKM β-glukosidaz) BMP miktarını (273,21 mLCH4/gUKM) azaltırken (substrat kontrole göre %9,21), hidrodinamik kavitasyon uygulanmış numunenin enzimatik hidroliz (60 FPU/grKM selülaz ve 45 IU/grKM β-glukosidaz enzim konsantrasyonunda) numunesinin BMP değeri (411,44 mLCH4/grUKM) substrat kontrole göre %30,46 artmıştır. Hidrodinamik kavitasyon ve enzimatik hidroliz kombine ön arıtma prosesinin etkilerinin belirlenebilmesi amacıyla, hidrodinamik kavitasyon ön arıtma uygulanan numunelerin enzimatik hidrolizi sonrası elde edilen çKOİ, çŞeker ve BMP değerleri, ham numunenin enzimatik hidrolizi için hazırlanan substrat kontrol numunesi ile karşılaştırılmıştır. Hidrodinamik kavitasyon ve enzimatik hidroliz kombine ön arıtma prosesinin çKOİ ve BMP üzerindeki toplam etkisi en fazla 60 FPU/grKM selülaz ve 45 IU/grKM β-glukosidaz enzimlerinin uygulandığı deneyde, çŞeker üzerindeki toplam etkisi en fazla 60 FPU/grKM selülaz ve 10 IU/grKM β-glukosidaz enzimlerinin uygulandığı deneyde belirlenmiş ve çKOİ, BMP ve çŞeker değerlerinde ham numune substrat kontrole göre sırasıyla %44,22, %36,73 ve %320,56 artış sağlanmıştır. Sonuç olarak, BMP artışında hidrodinamik kavitasyon ve enzimatik hidroliz kombine ön arıtma prosesinin sinerjik etkisi tespit edilmiştir. Ham sera atıkları numunesi, hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma ile muamele edilen numuneler, enzimatik hidroliz ile muamele edilen numuneler ve hidrodinamik kavitasyon ön arıtma ve enzimatik hidroliz kombinasyonu ile muamele edilen numunelerin moleküler bağ karakterizasyonu değişimi Fourier transform infrared spektroskopisi (FTIR) yöntemi ve yüzey özelliklerinin değişimi taramalı elektron mikroskop (TEM) kullanılarak incelenmiştir. Ham numune, hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma, enzimatik hidroliz ve hidrodinamik kavitasyon ön arıtma ve enzimatik hidroliz kombinasyonu ile muamele edilmiş numunelerin spektral profilleri ve bantların nispi yoğunluklarının genel olarak benzerlik gösterdiği, bununla birlikte belirli yapılarda gözlenen spektral profillere ait yoğunluklarda düşük düzeyde de olsa yoğunluk değişiminin olduğu tespit edilmiştir. TEM görüntülerinden, ham numune yüzeyinin kompakt, düzgün, üniform ve rijit bir yapıya sahip olduğu, hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma sonrası numune yüzeyinin daha gevşek, düzensiz, yüzeyden ayrılan kıvırcıklaşmış bir yapıya sahip olduğu ve yapısal bozulmaların oluştuğu gözlenmiştir. Daha küçük parçalarda ise reaksiyon süresi ve NaOH konsantrasyonundaki artışa bağlı olarak daha fazla deformasyon ile lif demetlerinin ayrıldığı ve yüzeyin ciddi erozyona uğradığı tespit edilmiştir. Ham numune ve maliyet açısından ekonomik olan optimizasyon koşullarında hidrodinamik kavitasyon ön arıtma gerçekleştirilen iv numunelere maksimum enzim yüklemesi yapıldığında büyük parçaların sürekli ve düzenli yapısının bozularak fibrillerin açılmaya başladığı ancak minimum enzim yüklemesi yapıldığında ise büyük parçalarda hiçbir değişim olmadığı ve yüzeyin düzgün uniform yapısını korumaya devam ettiği gözlenmiştir. Daha küçük parçalarda ise fibrillerin ayrılmasıyla pul pul oluşumlar ve mikroporlar gözlenmiştir. Literatürde, sera atıklarına hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma ve enzimatik hidroliz kombinasyonunun uygulanarak her iki ön arıtma prosesinin optimizasyonunun yapıldığı bir çalışmaya rastlanılmamıştır. Sera atıklarından üretilebilecek biyogaz üretim potansiyelinin artırılması hedefiyle hidrodinamik kavitasyon destekli NaOH ön arıtma ve enzimatik hidroliz proseslerinin optimizasyonunun yapıldığı, BMP potansiyelinin belirlendiği ve ön arıtma proseslerinin yüzey özellikleri ile moleküler bağ karakterizasyonlarına etkilerinin incelendiği bu çalışma literatürde ilk olması nedeniyle referans olma özelliğini taşımaktadır.