Lignoselülozik biyokütleden ön arıtımla kombine biyoetanol ve metan üretim proseslerinin geliştirilmesi

Abstract

Bu doktora tez çalışması ile dallı darı enerji bitkisinden iki farklı ön arıtma yöntemi ile kombine etanol ve metan üretim yöntemi geliştirilmesi ve bu yöntemlerin optimize edilerek yaşam döngüsü analizi ile çevresel etkileri açısından değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu sayede, ülkemize adaptasyonu sağlanmış, gıda kaynakları ile rekabet etmeyen ve marjinal topraklarda yetiştirilebilme özelliği nedeniyle arazi kullanımı değişikliğine yol açmayan dallı darı bitkisinden yenilenebilir biyoyakıt üretilmesi hedeflenmiştir. Çalışma amacı kapsamında, üç hasat dönemi süresince izlenen Kanlow çeşidi dallı darının detaylı ve karşılaştırmalı karaktarizasyon analizleri yapılmış ve çok yıllık bitkinin lignoselülozik yapısına ait detaylar tespit edilmiştir. Dallı darının etanol potansiyeline ulaşmasını zorlaştıran lignoselülozik yapısını bozmak üzere termokimyasal termal – NaOH ön arıtma yöntemi ve fizikokimyasal NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon ön arıtma yöntemleri seçilmiştir. Lignoselülozik materyalden biyoyakıt üretimideki etkileri son derece kısıtlı çalışma ile araştırılmış bu iki ön arıtma yönteminin dallı darının biyoyakıt potansiyeli üzerindeki etkileri optimize edilmiştir. Optimizasyon için ön arıtma yöntemlerinde kullanılacak bağımsız değişkenler ve bunlara ait aralıklar ile cevap değişkenleri belirlenmiştir. Belirlenen bağımsız değişkenler ve aralıkları kullanılarak cevap yüzey yöntemi, merkezi kompozit tasarım yöntemi ile deney dizaynı yapılmıştır. Deney dizaynının yapılmasında Desing Expert® yazılımı kullanılmıştır. Termal – NaOH ön arıtma yöntemi için; katı madde konsantrasyonu, NaOH konsantrasyonu, reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon süresi bağımsız değişkenler olarak belirlenmiştir. NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon ön arıtma yöntemi için ise NaOH konsantrasyonu ve reaksiyon süresi bağımsız değişkenler olarak seçilmiştir. Her bir bağımsız değişken için seçilen aralıklarda koşullar deney dizaynı tarafından önerilmiş ve önerilen koşullarda ön arıtma deneyleri iki farklı ön arıtma yöntemi için ayrı ayrı yapılmıştır. Ön arıtma deneylerinin sonuçları ve ardından yapılan etanol fermantasyonu ile biyokimyasal metan potansiyeli testlerinin sonuçları cevap değişkenleri olarak yazılıma işlenmiş ve her bir cevap değişkeni için bu sonuçlar kullanılarak tahmin modelleri oluşturulmuştur. Modellerin tahmin güçlerinin belirlenmesi için ANOVA testi yapılmıştır. Tezin amacına uygun olarak cevap değişkenlerinden olan etanol ve metan üretim miktarlarının maksimize edilmesi için iki farklı yaklaşım çerçevesinde optimizasyonlar yapılmıştır. Optimizasyon için kullanılan yaklaşımlardan biri yalnızca biyoyakıt üretim miktarının maksimize edilmesi, diğeri ise biyoyakıt üretim miktarı maksimize edilirken proses maliyetinin de minimize edilmesidir. Ön arıtma uygulanan numunelerin katı kısmından etanol üretilebilmesi için enzimatik hidroliz ve etanol fermantasyonunun aynı reaktör içinde yapıldığı eş zamanlı şekerleştirme ve fermantasyon yöntemi kullanılmıştır. Yöntemde kullanılacak katı madde miktarı, maya miktarı, besin elementleri ve enzim miktarları gibi bileşenler çeşitli deneysel çalışmalar ve literatür araştırmaları ile belirlenmiştir. Etanol fermantasyonu işleminin ardından sistemin biyoyakıt potansyelinden maksimum düzeyde yararlanılması ve proses atıklarının minimize edilmesi için etanol fermantasyonu atıkları ve ön arıtma uygulanan numunelerin sıvı kısmı karıştırılarak biyokimyasal metan potansiyeli testi ile metan potansiyelleri tespit edilmiştir. Optimum koşullarda yapılan ön arıtma deneylerinin ardından numuneler, dallı darının düzenli yüzey ve bağ yapısındaki değişmenin gözlenebilmesi için taramalı elektron mikroskobu ve Fourier Transform InfraRed sprektroskopisi ile incelenmiştir. Yapılan karakterizasyon analizleri dallı darının karbon ve polisakkaritler açısından zengin olduğunu göstermiştir. Sonuçlara göre deneylerde kullanılan Kanlow çeşidi dallı darının karbon içeriği %41,95, hemiselüloz ve selüloz içerikleri ise sırasıyla %36,24 ve % 35,94 olarak tespit edilmiştir. Etanol üretimi için substrat özelliği taşıyan selüloz miktarının yüksek tespit edilmesi ülkemizde yetiştirilen dallı darının biyoyakıt üretiminde kullanılmasının uygun olduğu anlamına gelmektedir. Eş zamanlı şekerleştirme ve fermantasyonun ardından ham dallı darıdan 14,02 mg EtOH/g UKM etanol üretilmiştir. Termal – NaOH ön arıtma uygulamasında en yüksek etanol üretimi 36,69 mg EtOH/g UKM ile %4 katı madde, 100°C, %2 NaOH ve 24 saat reaksiyon süresi koşullarında muamele edilimiş numunede ölçülmüştür. NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon ön arıtma uygulamasında ise en yüksek etanol üretimi 27,79 mg EtOH/g UKM ile %1 NaOH ve 5 saat reaksiyon süresi koşullarında muamele edilimiş numunede ölçülmüştür. Termal – NaOH ön arıtma koşullarında üretilen en yüksek etanol miktarı ham numuneye kıyasla %162 artışa eşit olmaktadır. NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon sonunda üretilen maksimum etanol miktarı ise ham numuneye kıyasla %97 artışa eşittir. Kanlow çeşidi ham dallı darıya ait metan potansiyeli 210,43 mL CH4/g UKM olarak ölçülmüştür. Termal – NaOH ön arıtma sonrası maksimum metan potansiyeli %5,5 katı madde, 70°C, %1 NaOH ve 6 saat reaksiyon süresi ön arıtma koşulları sonrası fermantasyon uygulanan numunede 273,1 mL CH4/g UKM olarak ölçülmüştür. Bu değer, ham numuneden %29,8 daha fazladır. NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon ön arıtma sonrası maksimum metan potansiyeli ise 264,8 mL CH4/g UKM ile %0 NaOH ve 3 saat reaksiyon süresi sonrası fermantasyon uygulanan numunede ölçülmüştür. Bu numunede ölçülen metan potansiyeli ham numuneden %25,8 daha fazladır. Ön arıtma, fermantasyon ve metan potansiyeli deneylerinin tamamlanmasının ardından deney sonuçları kullanılarak modeller oluşturulmuştur. Termal – NaOH ön arıtma prosesi için etanol ve metan potansiyeli modellerinin R2 değerleri sırasıyla 0,9280 ve 0,3404 olarak hesaplanmıştır. Maksimum biyoyakıt üretimi optimizasyonu için önerilen ön arıtma koşulları %4,81 katı madde, 100°C, %2 NaOH ve 24 saat reaksiyon süresi, maksimum ön arıtma ile birlikte minimum proses maliyeti için yapılan optimizasyonda önerilen ön arıtma koşulları ise %6,5 katı madde, 40°C, %0 NaOH ve 6 saat reaksiyon süresi şeklinde olmuştur. Maksimum biyoyakıt yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda etanol için tahmin edilen değer ile deneysel olarak elde edilen değer sırasıyla, 38,25 mg EtOH/g UKM ve 26,52 mg EtOH/g UKM olmuştur. Minimum maliyet yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda ise sırasıyla, 12,76 mg EtOH/g UKM ve 7,74 mg EtOH/g UKM olmuştur. Metan potansiyeli için ise maksimum biyoyakıt yaklaşımı için tahmin edilen değer ile deneysel olarak elde edilen değer sırasıyla, 274,05 mL CH4/g UKM ve 223,89 mL CH4/g UKM olarak, minimum maliyet yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda ise sırasıyla, 243,75 mL CH4/g UKM ve 304,65 mL CH4/g UKM olarak tespit edilmiştir. NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon ön arıtma deneyleri için kurulan modeller tarafından etanol ve metan potansiyelinin R2 değerleri sırasıyla 0,8449 ve 0,6624 olarak bulunmuştur. Maksimum biyoyakıt üretimi optimizasyonu için önerilen ön arıtma koşulları 5 saat reaksiyon süresi ve %2 NaOH konsantrasyonu, maksimum ön arıtma ile birlikte minimum proses maliyeti için yapılan optimizasyonda önerilen ön arıtma koşulları ise 2,7 saat reaksiyon süresi ve %0,71 NaOH konsantrasyonu şeklinde olmuştur. Maksimum biyoyakıt yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda etanol için tahmin edilen değer ile deneysel olarak elde edilen değer sırasıyla, 25,09 mg EtOH/g UKM ve 20,74 mg EtOH/g UKM olmuştur. Minimum maliyet yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda ise sırasıyla, 18,10 mg EtOH/g UKM ve 17,07 mg EtOH/g UKM olmuştur. Metan potansiyeli için ise maksimum biyoyakıt yaklaşımı için tahmin edilen değer ile deneysel olarak elde edilen değer sırasıyla, 255,89 mL CH4/g UKM ve 149,85 mL CH4/g UKM olarak, minimum maliyet yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda ise sırasıyla, 224,69 mL CH4/g UKM ve 280,46 mL CH4/g UKM olarak tespit edilmiştir. Dallı darıdan ön arıtımla kombine biyoyakıt üretim proseslerinin optimize edilmesinin ardından tasarlanan tüm süreçlerin çevresel etkilerinin belirlenmesi amacıyla ham dallı darıdan biyoyakıt üretilmesi ve optimum ön arıtma koşulları ile kombine biyoyakıt üretilmesi alternatiflerine yaşam döngüsü analizi uygulanmıştır. Yaşam döngüsü analizi TÜBİTAK 2214 – A bursu ile Danimarka Teknik Üniversitesinde yapılmıştır. Dallı darının üretilmesinden anaerobik parçalanma sonrası geriye kalan digestatın toprağa uygulanmasına kadar olan tüm sürecin sınırlara dahil edildiği alternatifler EASETECH isimli yaşam döngüsü analizi yazılımı ile modellenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre çevresel etkiler açısından en avantajlı proses konfigürasyonları optimum koşullardaki termal – NaOH ÖA proseslerini içeren senaryolar olarak belirlenmiştir. Dallı darıdan, bu tez kapsamında optmize edilen ön arıtma yöntemleri ile kombine etanol ve metan üretim potansiyelinin araştırıldığı ve tasarlanan biyoyakıt üretim süreçlerinin sürdürülebilirlik çerçevesinde yaşam döngüsü analizi ile değerlendirildiği bir çalışma literatürde bulunmamaktadır. Bu nedenle, ülkemizin kalkınmasına ve küresel ısımanın kontrolüne katkı sağlama potansiyeli olan bu çalışma bilimsel açıdan özgündür ve gelecek çalışmalar için kaynak olma özelliği taşımaktadır.