Lignoselülozik atıklardan rumen ön işlemi ile biyogaz üretimi
Biogas production of lignocellulosic wastes by rumen pretreatment
Yazar: RUMEYSA DÖLÜK
Danışman: PROF. DR. BESTAMİ ÖZKAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Lignoselülozik atıklar, yüksek selüloz, hemiselüloz ve lignin içeren, genellikle tarım ve orman atıklarından oluşan biyokütlelerdir. Bu atıklardan biyoenerji üretimi, gerek atık yönetimi, gerekse değerli ürün geri kazanımı sebebiyle son yıllarda önem kazanmıştır. Ancak fiziksel yapıları ve içerdikleri yüksek lignin muhtevası nedeniyle, bu atıkların biyoenerji üretiminde kullanılması oldukça zordur ve anaerobik çürütmede hızı sınırlamaktadır. Bu nedenle ön işlem uygulanması gerekmektedir. Ön işlem metotları arasında biyolojik ön arıtım metotları, diğerlerine kıyasla oldukça ucuz olduğundan dikkat çekmektedir. Bu çalışmada Türkiye' nin çeşitli illerinden temin edilen buğday samanı, pamuk sapı, ayçiçeği sapı ve sazlık atığı kullanılmıştır. Çalışma, atıklar öğütüldükten sonra koyun rumeninden alınan rumen sıvısı ile atıklara ön işlem uygulanmasıyla başlamıştır. Ön işlem aşaması için reaktörlere 1gr öğütülmüş atık, 45 ml nütrient çözeltisi, 1,5 ml rumen sıvısı, ve metanojen oluşumunu önlemek için 0,2 g/L Besa sıvısı eklenmiştir. N2 gazından geçirilerek oksijenden arındırılmış bir ortam edilmiş ve reaktörler 35 °C' de karıştırıcılı inkübatöre yerleştirilmiştir. 2, 5, 10, 15 ve 20 gün süreyle ön işlem görecek olan reaktörler etiketlendirilmiş ve ön işlem süreleri bittikten sonra gaz ölçümleri yapılarak reaktörler açılmıştır. Falkon tüplere boşaltılan reaktörler santrifüjlenerek alt ve üst fazlara ayrılmıştır. Ayrılan sıvı ve katı fazlara metan oluşum evresi için yeni reaktörler kurulmuştur. Üst fazlara nütrient çözeltisi, atık üst fazı, sakız fabrikasından temin edilen aşı çamuru ilave edilmiştir. Alt fazlar için nütrient çözeltisi, saf su, atık alt fazları ve ve aşı çamuru eklenmiştir. İnkübatöre yerleştirilen reaktörlerin düzenli aralıklarla gaz ölçümleri yapılmıştır. İkili setler halinde kurulan reaktörlerin her izleme sonucunun ortalaması alınmış ve sonraki izleme periyotlarında elde edilen biyogaz hacimleri ile kümülatifleri alınarak biyogaz hacim potansiyel grafikleri oluşturulmuştur. Elde edilen kümülatif sonuçlar ve metan analizleri göz önüne alındığında 4 lignoselülozik materyal kaynağı arasından öne çıkan buğday samanı olmuştur ve buğday samanı için en etkili ön işlem ~163 ml biyogaz ve ~ 102 ml metan ile 5 gün ön işlem olmuştur. Ardından sırasıyla 20 gün ön işlem görmüş sazlık, 2 gün ön işlem görmüş ayçiçeği sapı ve 2 gün ön işlem görmüş pamuk sapı gelmektedir. Böylece hangi lignoselülozik materyal için hangi ön işlem süresinin daha uygun olduğu da anlaşılmıştır. 20 gün ön işlem görmüş sazlık 104 ml biyogaz ve ~80 ml metan, 2 gün ön işlem görmüş ayçiçeği sapı ~88 ml biyogaz ve 52 ml metan, 2 gün ön işlem görmüş pamuk sapı ~87 ml biyogaz ve 50 ml metan üretimi sağlamıştır.

Abstract:
Lignocellulosic wastes are biomass containing high cellulose, hemicellulose and lignin, usually consisting of agricultural and forestry wastes. Bioenergy production from these wastes has gained importance in recent years due to both waste management and valuable product recovery. However, due to their physical structure and the high content of lignin they contain, these wastes are very difficult to use in bioenergy production and limit the speed in anaerobic digestion. Therefore, pre-treatment is required. Among the pretreatment methods, biological pretreatment methods are remarkable as they are quite inexpensive compared to others. In this study, Turkey's obtained from different parts of wheat straw, cotton stalks, sunflower stalks and reeds waste is used. The study started with pretreatment of waste with rumen fluid taken from sheep's rumen after the wastes were milled. For the pretreatment stage, 1 g of milled waste, 45 ml of nutrient solution, 1.5 ml of rumen liquid, and 0.2 g / L of Besa liquid were added to prevent the formation of methanogen. An oxygen-free medium was occured by pass through from N2 gas and the reactors were placed in a stirred incubator at 35 ° C. The reactors that will be pretreated for 2, 5, 10, 15 and 20 days are labeled. After the pretreatment process was completed, gas measurements were made and reactors were opened. The reactors discharged into falkon tubes are centrifuged and divided into lower and upper phases. New reactors were installed for the methane formation phase with separated liquid and solid phases. Nutrient solution, waste upper phase, sludge obtained from the chewing gum factory were added to the upper phases. Nutrient solution, distilled water, waste sub-phases and sludge were added for the sub-phases. Gas measurements were made at regular intervals of the reactors placed in the incubator. The results of each monitoring of the reactors established in binary sets wereaveraged and biogas volume potential graphs were obtained by taking the cumulative samples with the biogas volumes obtained in the following monitoring periods. Considering the cumulative results obtained and methane analyzes, wheat straw became the prominent among 4 lignocellulosic material sources and the most effective pre-treatment for wheat straw was 5 days pretreatment with ~ 163 ml biogas and ~ 102 ml methane. Then comes the 20 days pretreated reed, 2 days pretreated sunflower stalk and 2 days pretreated cotton stalk. Thus, it was understood which pretreatment period was more suitable for which lignocellulosic material. 20 days pretreated reeds produced 104 ml biogas and ~ 80 ml methane, 2 days pretreated sunflower stalk ~ 88 ml biogas and 52 ml methane, 2 days pretreated cotton stalk produced ~ 87 ml biogas and 50 ml methane.