Dallı darıdan üretilebilecek metan miktarının artırılması için ön işlem ve tavuk gübresi ile ko-fermantasyonunun incelenmesi

Abstract

Gün geçtikçe tükenen fosil kaynaklar, araştırmacıları ve enerji üreticilerini yeni enerji kaynaklarına yöneltmektedir. Aynı zamanda pek çok ülke için fosil yakıtların kullanımı dışa bağımlılık, ithalat giderleri ve çevre sorunları gibi önemli olumsuzlukları da beraberinde getirmektedir. Bu gelişmelerin sonucunda yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi her geçen gün artmakta ve gelişmiş ülkeler bu konuda AR-GE çalışmalarına büyük kaynaklar ayırmaktadırlar. Bilindiği gibi Türkiye enerji kaynakları açısından büyük ölçüde dışa bağımlıdır. Tüketilen enerjinin %75'i ithal edilmektedir (DB 2016). Bu yüzden enerji kaynağı olabilecek karbon içeriği yüksek enerji bitkileri yetiştiriciliği tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de artmaya başlamıştır. Bu enerji bitkilerinden biri olan dallı darı bitkisi ile ilgili yapılacak çalışmalar, ülkemizin en önemli döviz gideri olan enerji temini sorununun çözümlerinden birisi olması, aynı ürünün enerji yanında ülke hayvancılığı açısından alternatif yem kaynağı imkânlarını da sağlaması bakımından önem taşımaktadır. Bu doktora tezi kapsamında, dallı darı bitkisinden üretilebilecek biyokimyasal metan potansiyeli miktarını artırmak için termo – kimyasal (Kalsiyum hidroksit-Ca(OH)2, (kireç)) ön işlem prosesinin optimizasyonunun yapılması hedeflenmiştir. Bu amaçla, mühendislik problemlerinin analizi, modellenmesi ve optimizasyonu için kullanılan Cevap Yüzey Yöntemi (CYY) ile termo-kimyasal Ca(OH)2 ön işlem deneyleri planlanmış, ön işlem deneyleri gerçekleştirilmiş, optimum proses koşulları tespit edilmiş ve proses optimizasyonu yapılmıştır. CYY ile planlanan ön işlem prosesinin optimizasyonunun yapılmasında cevap değişkenleri olarak biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) testi sonuçları kullanılmıştır. Cevap değişkeni değerleri kullanılarak termo-kimyasal Ca(OH)2 ön işlem prosesi modellenmiş, maksimum biyokimyasal metan potansiyeli açısından optimum proses koşulları tespit edilmiş ve proses optimizasyon koşullarının doğruluğunun tespit edilmesi için validasyon deneyi yapılmıştır. Dallı darı Shawnee çeşidine uygulanan termal-Ca(OH)2 ön işlemin metan üretimi üzerine etkisini tespit edebilmek için termal-Ca(OH)2 ön işlem ile muamele edilen numuneler kullanılarak 56 gün süren BMP testi yapılmıştır. BMP testleri sonucunda elde edilen en yüksek metan miktarı, 100°C reaksiyon sıcaklığı, 16 saat reaksiyon süresi, %0 Ca(OH)2 konsantrasyonu ve %3 KM miktarında 231,41 mLCH4/gUKM olarak tespit edilmiştir. Ön işlem yapılmayan ham dallı darı örneği ile yapılan BMP testi sonucunda bu değer 217,1 mL BMP/gUKM olarak elde edildi. Ön işlem uygulanmış BMP'nin ham dallı darı ile karşılaştırıldığında artışı %6,2 olarak hesaplandı. Design Expert programı yardımıyla yapılan modelleme işleminde BMP için R2 değeri 0,8572 olarak hesaplanmıştır. Ön işlemin optimizasyonunda maksimum metan üretebilmek için optimum ön işlem koşulları tercih edilmiştir. Bu koşulların 6 saat reaksiyon süresi, %3 katı madde miktarı, %0 Ca(OH)2 konsantrasyonu ve 100°C reaksiyon sıcaklığı olduğu tespit edilmiştir. Bu koşulların validasyon deneyi sonucunda ise %16,51 hata payı ile 248,77 mL BMP/gUKM olarak bulunmuştur. İkinci optimizasyonda ise girdileri minize ederek üretilebilecek maksimum metan miktarı bulunmak istemiş ve bunun için en uygun ön işlem koşulları tespit edilmiştir. Bu koşulların 6 saat reaksiyon süresi, %3 katı madde miktarı, %0 Ca(OH)2 konsantrasyonu ve 53,5°C reaksiyon sıcaklığı olduğu bulunmuştur. Yapılan validasyon deneyi sonucunda %5,52 hata payı ile üretilen metan miktarı 220,5 mL BMP/gUKM olarak bulunmuştur. Ölçülen BMP değerinin hata yüzdesi optimizasyonundaki yüzdeye göre yüksek çıksa da yüzde oranının kabul edilebilir ve modelin kullanılabilir olduğu düşünülmektedir. Dallı darı ve tavuk gübresi ko-fermantasyonu ile üretilebilecek teorik metan miktarını bulabilmek için Buswell eşitliği kullanılmıştır. Dallı darı ve tavuk gübresinin ko-fermantasyonunda yedi karışım oranı belirlenmiştir. Elementel analiz sonuçlarına göre bu karışım oranları dikkate alınarak teorik BMP değerleri belirlenmiştir. En yüksek teorik BMP değerine (437 mL CH4/g UKM) tavuk gübresinin olmadığı karışımda ulaşılmıştır. Enerji bitkisi dallı darıya uygulanan termo-kimyasal Ca(OH)2 ön işlem ve anaerobik parçalanma prosesleri ile metan üretiminin zenginleştirilmesinin hedeflendiği bu doktora tezinde, optimum ön işlem proses koşullarının belirlenmesi, literatürde yer alan boşluğun doldurulması ve anaerobik teknolojilerin geliştirilmesine ışık tutulması sağlanmıştır. Ayrıca enerji bitkisi ve tavuk gübresinin ko-fermantasyonu ile biyokimyasal metan üretim miktarının artırılması, atık değerlendirilerek enerji üretilmesi ve her iki atığın ko-fermantasyon prosesinin incelenmesi literatüre katkı olmuştur.