Sera atıklarından metan üretim veriminin arttırılması için alkali hidrojen peroksit AHP) ön arıtma prosesinin optimizasyonu

Abstract

Bu tez kapsamında; anaerobik parçalanma prosesinde lignoselülozik kökenli sera atıklarının etkin substrat miktarını arttırmak ve anaerobik parçalanabilirliğini zenginleştirerek üretilen metan miktarının arttırılması ve parçalanma süresinin kısaltılabilmesi için alkali hidrojen peroksit (Alkali H2O2) ön arıtma prosesi incelenmiş ve proses optimizasyonu yapılmıştır. Tez kapsamda öncelikle Antalya bölgesinde seralarda miktar açısından en çok yetiştiriciliği yapılan beş temel ürünün (domates, salatalık, patlıcan, yeşilbiber ve kabak) kök, gövde, yaprak ve meyvesini içeren lignoselülozik kökenli sera atıkları karışım numunesinin karakterizasyonu toplam katı madde, uçucu katı madde, toplam kjeldahl azotu, protein, toplam ve çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı, çŞeker, ekstrakte olabilen madde ve yağ lipid, Van Soest Fraksiyonu (selüloz, hemiselüloz, lignin, çözünmüş madde) ve elementel analiz yoluyla belirlenmiştir. Alkali H2O2 ön arıtma prosesi için optimum koşulların saptanması amacıyla mühendislik problemlerinin analizi, modellenmesi ve optimizasyonu için kullanılan Cevap Yüzey Yöntemi (CYY) ile alkali H2O2 ön arıtma prosesi deneyleri Design Expert paket programı kullanılarak planlanmıştır. Alkali H2O2 ön arıtma prosesi seçilen bağımsız değişkenlerin, bağımlı değişkenler üzerindeki etkileri yoluyla incelenmiştir. Alkali H2O2 ön arıtma prosesi üzerinde etkisi olduğu düşünülen bağımsız değişkenler; reaksiyon sıcaklığı, reaksiyon süresi, katı madde konsantrasyonu ve hidrojen peroksit (H2O2) konsantrasyonu iken seçilen bağımlı (cevap) değişkenler ise; çKOİ artışı, çŞeker artışı, ekstraktif içermeyen lignin miktarı ve biyokimyasal metan potansiyeli (BMP)'dir. Bağımsız değişkenlerin bağımlı değişkenlerin üzerindeki etkisinin incelenmesinde istatiksel cevap yüzey yöntemi (CYY) içinde yer alan merkezi kompozit tasarım (MKT) metodu kullanılmıştır. Design Expert paket programı kullanılarak MKT ön arıtma deneyleri planlanmış ve önerilen MKT ön arıtma deneyleri yapılarak çKOİ, çŞeker, ekstraktif içermeyen lignin miktarı ve BMP sonuçları ile modeller kurularak modellerin geçerlilikleri ANOVA testi ile incelenmiştir. çKOİ, çŞeker, BMP ve lignin için önerilen modeller düşük p değerine sahip olup istatistiksel olarak önemli bulunmuştur. çKOİ, çŞeker, ekstraktif içermeyen lignin ve BMP cevap değişkenleri için kurulan modellere ait regresyon katsayıları sırasıyla 0,9682, 0,7740, 0,8376 ve 0,5728 olarak tespit edilmiştir. Alkali H2O2 ön arıtma MKT denemeleri sonucunda; uygulanan reaksiyon sıcaklığının arttırılmasıyla; çKOİ konsantrasyonunun ve çŞeker konsantrasyonlarının arttığı ve BMP'nin azaldığı tespit edilmiştir. BMP üretiminin arttırılmasının amaçlandığı tez kapsamında çKOİ, çŞeker ve BMP'nin farklı davranışları nedeniyle alkali H2O2 ön arıtma proses optimizasyonunda farklı çözüm önerileri değerlendirilmiştir. çKOİ artışı, çŞeker artışı, ekstraktif içermeyen lignin miktarı ve BMP için oluşturulan modeller kullanılarak alkali H2O2 ön arıtma proses optimizasyonu maksimum metan üretimi ve proses maliyeti kriterlerine göre yapılmıştır. Optimizasyon önerilerinde maksimum metan üretimi ve proses maliyetini dikkate alarak maksimum metan üretimi için iki farklı optimizasyon çözümü incelenmiştir. Maksimum metan üretimini hedefleyen optimizasyonda bağımsız değişkenlerden reaksiyon sıcaklığı minimize edilmiş, katı madde konsantrasyonu, H2O2 konsantrasyonu ve reaksiyon süresi aralıkta bırakılmıştır. Proses maliyetini dikkate alarak maksimum metan üretimini hedefleyen ikinci optimizasyon da ise bağımsız değişkenlerden reaksiyon sıcaklığı, H2O2 konsantrasyonu, reaksiyon süresi minimize ve katı madde konsantrasyonu maksimize edilmiştir. Maliyet dikkate alınarak maksimum metan üretimi optimizasyonunda optimum ön arıtmanın % 1 H2O2 konsantrasyonu, 50°C reaksiyon sıcaklığı, 6 saat reaksiyon süresi ve %7 katı madde miktarı koşullarında sağlandığı tespit edilmiştir. Bu koşullarda önerilen model tarafından çKOİ ve çŞeker konsantrasyonu sırasıyla 296,352 mgKOİ/gUKM ve 102,130 mg şeker/gUKM olarak tahmin edilmiştir. Model validasyon deneyleri sonucunda çKOİ konsantrasyonu 290,3 mgKOİ/gUKM ve çŞeker konsantrasyonu 106,9 mg şeker/gUKM olarak ölçülmüştür. Tahmin edilen ve ölçülen değerler arasındaki hata yüzdeleri sırasıyla %2,1 ve %4,67 olduğundan çKOİ ve çŞekere ait modellerin güvenle kullanılabileceği belirlenmiştir. Ayrıca, bu koşullarda muamele edilen numunenin BMP değeri 309 mLCH4/gUKM olarak ölçülmüştür. Bu ön arıtma optimizasyonu sonucunda ham numune BMP'sinden %79,15 fazla BMP elde edilmiştir. Maliyet dikkate alınmadan sadece BMP'nin maksimize edildiği optimizasyonda optimum ön arıtmanın % 2,1 H2O2 konsantrasyonu, 50°C reaksiyon sıcaklığı, 13,5 saat reaksiyon süresi ve %5,6 katı madde miktarı koşullarında sağlandığı tespit edilmiştir. Bu koşullarda model tarafından çözümlenen çKOİ ve çŞeker konsantrasyonu sırasıyla 262,549 mgKOİ/gUKM ve 48,558 mgşeker/gUKM olarak tahmin edilmiştir. Model validasyon deneyleri sonucunda çKOİ konsantrasyonu 256,9 mgKOİ/gUKM ve çŞeker konsantrasyonu 47,3 mgşeker/gUKM olarak ölçülmüştür. Tahmin edilen ve ölçülen değerler arasındaki hata yüzdeleri sırasıyla %2,21 ve %2,60 olduğundan çKOİ ve çŞekere ait modelin güvenle kullanılabilir olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, bu koşullarda muamele edilen numunenin BMP değeri 328 mLCH4/gUKM olarak ölçülmüştür. Bu ön arıtma optimizasyonu sonucunda ham numune BMP'sinden %89,85 fazla BMP elde edilmiştir. Alkali H2O2 ön arıtmanın uygulandığı sera atıklarının lignoselülozik yapı yüzey özellikleri, moleküler bağ karakterizasyonu ve Van Soest fraksiyon dağılımı sırasıyla taramalı elektron mikroskop, Fourier transform infrared spektroskopi ve VanSoest analizleri ile incelenmiştir. TEM görüntülerinden ham numunenin sabit, değişmez ve süreklilik arz eden bir yüzeye sahip olduğu, ön arıtma ile muamele edilen numunelerin ise yapılarının ayrıldığı ve fibrillerinin açığa çıktığı gözlenmiştir. FTIR spektrum sonuçlarında dalga boylarında çok düşük düzeyde kaymalar olmakla birlikte, gözlenen piklerin hemiselülozik parçalanma fragmentleri ve lignin bileşenleri olduğu tespit edilmiştir. Van Soest sonuçlarına göre; hemiselüloz miktarında azalma gözlenirken, lignin miktarında önemli değişim tespit edilmemiştir. Literatürde sera atıklarına uygulanan alkali H2O2 ön arıtma proses optimizasyonunun yapıldığı bir çalışmaya rastlanılmamıştır. Sera atıkları için alkali H2O2 ön arıtma proses optimizasyonunun yapıldığı, BMP potansiyelinin belirlendiği ve ön arıtmanın yüzey özelliklerine etkilerinin incelendiği bu çalışma literatürde ilk olması nedeniyle referans noktası olma özelliğini taşımaktadır.