Yarı sürekli beslemeli tam karışımlı reaktörde enerji bitkisi dallı darıdan biyogaz üretimi

Abstract

Bu tez çalışmasının amacı, dallı darıdan metan üretimi amacıyla kullanılan kesikli proses (Biyokimyasal Metan Potansiyeli - BMP) ve yarı-sürekli beslemeli prosese organik madde yükleme hızının etkisinin ve proses parametrelerine ait cevaplarının incelenmesidir. Yüksek lisans tezi kapsamında dallı darı bitkisinin karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Dallı darının %41.95 karbon (C) içerdiği belirlenmiştir. Hemiselüloz ve selüloz miktarının sırasıyla %36.24 ve %35.94 olarak bulunmuştur. Yüksek karbon, yüksek selüloz ve hemiselüloz miktarı (%72.18) dallı darının anaerobik fermantasyonu ile biyogaz üretiminde tercih edilebilirliğini göstermektedir. Genişletilmiş kimyasal formülü C140H244O109N1 olan dallı darının teorik metan potansiyeli (TBMP) 439.5 mLCH4/gUKM olarak bulunmuştur. Dallı darının spesifik biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) testi, farklı organik madde yükleme hızlarında (0.75, 1.0 ve 1.5 gUKMdallı darı/L.Gün) ve substrat/aşı oranlarında (1.1, 1.5 ve 2.2 gUKMdallı darı/gUKMaşı) yapılmıştır. 60 gün sonunda elde edilen spesifik metan üretim miktarları sırası ile 203.9, 190.5 ve 181.0 mLCH4/gUKM olarak bulunmuştur. Organik madde yükleme miktarı arttıkça elde edilen spesifik metan üretim miktarının azaldığı gözlenmiştir. Bu değerler dallı darı TBMP değerinin sırasıyla %46, %43 ve %41'ine karşılık gelmektedir. 0.75 OLR'de üretilen 203.9 mLCH4/gUKM miktarının %80'lik bölümü ilk 24 gün süresinde elde edilmiştir. Kesikli BMP testi 60 gün sürdürülmesine rağmen bu bulgu, dallı darıdan ekonomik metan üretimi açısından alıkonma süresinin 24-25 gün alınabileceğini de ortaya koymaktadır. Kinetik katsayılarının tahmin edilebilmesi için farklı organik madde yükleme hızlarında çalıştırılan kesikli BMP testi metan üretim verileri Modifiye Gompertz, Cone, Reaction Curve ve Birinci Derece Kinetik model ile modellenmiştir. Tüm modellerde regrasyon katsayıları (R2) 0.992 ile 0.999 arasında hesaplanmıştır. Organik madde yükleme hızı arttıkça, hidroliz hız sabitleri (k) ve metan üretim hızı değerlerinin (Rm) azaldığı ve lag fazı (λ) süresinin uzadığı tespit edilmiştir. Dallı darının yarı-sürekli beslemeli sistemde anaerobik fermantasyonu, BMP ile birebir aynı şartlar altında (besleme miktarı, SRT ve sıcaklık) gerçekleştirilerek substrat yükleme hızının yarı-sürekli anaerobik prosesteki spesifik metan üretimine olan etkisi incelenmiştir. 0.75, 1.0 ve 1.5 gUKM/L.gün organik madde yükleme hızlarında, dallı darı'nın spesifik metan üretim değerleri sırasıyla 147.6, 156.9 ve 60.11 mLCH4/gUKM olarak hesaplanmıştır. Organik madde yükleme hızı 1.5 gUKM/L.gün'e çıkarıldığında, spesifik metan üretimi kritik bir şekilde düşmüştür. Bunun sebebinin, lignoselülozik yapıya sahip dallı darının hidrolizinin yavaş olması ve çok yüksek uçucu organik asit konsantrasyonları ölçülmese bile asidogenesis aşamasında sistemi tamponlayacak alkalite kaynağının olmaması nedeniyle anaerobik fermantasyonun bozulmasından kaynaklanabileceği düşünülmektedir. Anaerobik proseste görev alan mikroorganizma türlerinin tespit edilebilmesi amacıyla yarı sürekli anaerobik reaktörden alınan numunelerde DNA izolasyonu, polimeraz zincir reaksiyonu, denature gradian jel elektroforezi ve dizileme işlemleri uygulanarak anaerobik proseste görev alan mikrobiyal türlerin moleküler genetik tanımlama çalışmaları yapılmıştır. Yarı sürekli anaerobik reaktörün 270 gün süren işletiminde Methanosarcina, Methanosaeta, Methanothrix ve Metanometilovorans arkeaları ve Chloroflexi, Firmicutes, Spirochaetes ve Actinobacteria bakterileri tespit edilmiştir. 1.0 gUKM/L.gün organik madde yükleme hızında elde edilen metan üretimi, 0.75 gUKM/L.gün organik madde yükleme hızında elde edilen metan üretiminden %6 fazla olmasına rağmen, dallı darının bir atık olmadığı ve enerji üretimi için yetiştirilen bir bitki olmasından dolayı toplam ekonomik fayda göz önüne alındığında elde edilen spesifik metan verimi sonuçlarına göre düşük organik madde yükleme hızı (0.75 gUKM/L.gün) değerinin hem kesikli reaktörde hem de yarı-sürekli beslemeli anaerobik reaktörde çalıştırılmasının daha verimli olacağı sonucuna ulaşılmıştır.