Dallı darı bitkisinden hidrojen peroksit - asetik asit ön arıtma yöntemi ile biyoyakıt üretim prosesinin optimizasyonu

Abstract

Bu yüksek lisans tezinin amacı; enerji bitkisi dallı darıdan etanol ve metan olmak üzere iki biyoyakıtın minimum proses maliyeti ile maksimum miktarda üretiminin yapılması için entegre termokimyasal ve fermantasyon proseslerinin geliştirilmesidir. Bu kapsamda yüksek lisans tez çalışmasında öncelikle enerji bitki dallı darı karakterizasyonu yapılmış ve lignoselülozik yapısındaki C5 ve C6 şekerlerin açığa çıkarılabilmesi ve dallı darıdan etanol ve metan üretim veriminin arttırılması amacıyla dallı darıya hidrojen peroksit (H2O2) ve asetik asit (CH3COOH - HAc) (HP&HAc) ön arıtma prosesi uygulanmış ve maksimum biyoyakıt üretimi açısından HP&HAc ön arıtma prosesinin optimizasyonu yapılmıştır. HP&HAc ön arıtma proses optimizasyonunda Cevap yüzey yöntemi (CYY), Merkezi kompozit tasarım (MKT) kullanılmıştır. HP&HAc ön arıtma prosesinin deneysel tasarımı Design Expert 7.1.5 programı ile yapılmıştır. HP&HAc ön arıtma prosesinde H2O2 miktarı, HAc miktarı, reaksiyon süresi ve reaksiyon sıcaklığı parametreleri kullanılarak program tarafından önerilen ön arıtma koşullarına göre deneyler yapılmış, belirlenen cevap değişkenlerinin analiz sonuçları Design Expert programına aktarılmıştır. MKT deney tasarımında, cevap değişkeninin modellenmesi, önerilen modelin uygunluğunun test edilmesi için ANOVA testi uygulanmıştır. HP&HAc ön arıtma prosesi maksimum etanol ve metan üretimi ve minimum proses maliyetinde maksimum etanol ve metan üretimi açısından optimize edilmiş ve optimum proses koşulları tespit edilmiştir. HP&HAc ön arıtma prosesi ile muamele edilen numuneler kullanılarak eş zamanlı şekerleştirme ve fermantasyon prosesi ile etanol üretim prosesi optimize edilmiş ve etanol üretilmiştir. Etanol üretimi sonrasında fermantasyon ortamı da dahil tüm atıklar kullanılarak minimum atık stratejisi ile metan fermantasyonu yapılarak ikinci biyoyakıt metan üretimi yapılmıştır. Son olarak HP&HAc ön arıtma deneyleri sonrasında dallı darının yüzey özelliklerindeki değişiminin incelenebilmesi için Taramalı Elektron Mikroskop (TEM) ve bağ karakterizasyonunun değişiminin incelenebilmesi için Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR) kullanılmıştır. Karakterizasyon analizleri sonucunda dallı darı numunesinin karbon (C) içeriği %40,13 olarak tespit edilmiştir. Selüloz ve hemiselüloz miktarları ise %33.13 ve %34.76 olarak ölçülmüştür. Yüksek karbon içeriği, dikkati çeken miktarda selüloz ilehemiselüloz miktarı (%67.89) ve yapısal karbonhidrat içeriği (2.17 mg/mL) dallı darının enerji üretiminde kullanılabileceğini ortaya koymaktadır. Eş zamanlı şekerleştirme ve fermentasyon prosesi sonucunda maksimum etanol, maksimum çİndşeker konsantrasyonunun elde edildiği HP&HAc ön arıtma koşulunda (100°C reaksiyon sıcaklığı, 24 saat reaksiyon süresi, %0 HAc ve %2 H2O2 konsantrasyonlarında) üretilmiştir. Bu HP&HAc ön arıtma koşulunda muamele edilen dallı darı numunesinden 81.65 mgEtOH/gTKM etanol üretilmiştir. Ham dallı darı numunesinden ise 32.62 mgEtOH/gTKM etanol üretilmiştir. HP&HAc ön arıtma uygulaması ile üretilen etanol miktarı, ham dallı darı numunesinden üretilen etanol miktarından %150.36 daha fazla gerçekleşmiş ve teorik etanol veriminin %49.55'ine ulaşılmıştır. Etanol üretimi sonrasında üretilen etanol distilasyon yolu ile buharlaştırılmış, fermantasyon ortamı ve ön arıtmadan kalan sıvı faz birleştirilerek tüm atıklardan metan üretimi amacıyla biyokimyasal metan potansiyeli testi (BMP) yapılmıştır. Maksimum metan üretimi 100°C reaksiyon sıcaklığı, 6 saat reaksiyon süresi, %2 HAc ve %0 H2O2 konsantrasyonları uygulanan dallı darı numunesinden 363.82 mLCH4/gUKM olarak elde edilmiştir. Shawneé çeşidi ham dallı darı numunesinin BMP değeri ise 195.50 mLCH4/gUKM olarak ölçülmüştür. HP&HAc ön arıtma ile muamele edilen numuneden üretilen metan ham dallı darı numunesinden üretilen metana göre %86.09 artmıştır. Bağımsız değişken değerleri Design Expert® 7 programına işlenmiş ve modellenmiştir. Etanol ve BMP için kurulan modellerin R2 değerleri sırası ile 0.8650 ve 0.8508 olarak hesaplanmıştır. HP&HAc ön arıtma proseslerinin optimizasyonunda iki farklı yaklaşım kullanılmıştır. Birinci yaklaşımda; maksimum etanol ve metan üretilmesi için optimum HP&HAc ön arıtma koşulları 100°C reaksiyon sıcaklığı, 22.9 saat reaksiyon süresi, %2 HAc ve %2 H2O2 konsantrasyonları olarak bulunmuştur. İkinci yaklaşımda; minimum proses maliyetinde maksimum etanol ve metan üretimi için optimum HP&HAc ön arıtma koşulları ise 50°C reaksiyon sıcaklığı, 6 saat reaksiyon süresi, %1.87 HAc ve %0 H2O2 konsantrasyonları olarak önerilmiştir. Program tarafından önerilen optimum HP&HAc ön arıtma koşullarında modellerin güvenilirliğini test etmek için validasyon deneyleri yapılmıştır. Modeller tarafından tahmin edilen ve validasyon deneyleri sonucunda elde edilen değerler arasındaki hata miktarlarının düşük olması, elde edilen modellerin güvenle kullanılabileceğini göstermektedir. Bu çalışma kapsamında Türkiye'de yetiştirilen 1 ton tarlada kurutulmuş Shawneé çeşidi dallı darı enerji bitkisinden; ham halde iken 36.32 L etanol, 161.15 L metan, maksimum etanol ve metan üretilmesi için optimum HP&HAc ön arıtma koşullarında 95.6 L etanol ve 292.89 L CH4 ve minimum proses maliyetinde maksimum etanol ve metan üretimi için optimum HP&HAc ön arıtma koşullarında ise 38.77 L etanol ve 282.43 L CH4 üretileceği bulunmuştur. Buna göre ham dallı darıdan elde edilen etanol ve metan ile kıyaslandığında, maksimum etanol ve metan üretilmesi için optimum HP&HAc ön arıtma koşullarında %163.21 etanol, %81.75 metan artışı, minimum proses maliyetinde maksimum etanol ve metan üretimi için optimum HP&HAc ön arıtma koşullarında ise %6.76 etanol, %75.25 metan artışı sağlanmıştır. Literatürde enerji bitkisi dallı darı kullanılarak HP&HAc ön arıtma prosesi ile kombine etanol ve metan üretim proseslerinin incelendiği, etanol ve metan üretimi için optimum proses koşullarının belirlendiği ve atık üretilmeden iki biyoyakıt üretiminin incelendiği herhangi bir çalışma bulunmadığından, bu yüksek lisans tezi kapsamında yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçlar yapılacak olan sonraki çalışmalarda referans noktası olarak kullanılabilecek değerdedir.