Anaerobik biyoreaktörlerde atık çörek otundan (Nigella sativa) biyohidrojen eldesi verimliliğinin araştırılması
Research of the efficiency of biohydrogen gain from waste black cumin (Nigella sativa) in anaerobic bioreactors
Yazar: NESRİN DURSUN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKKİ GÜLŞEN
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Enerji = Energy ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Dünya nüfusunun hızla artması, küresel enerji talebini arttırmıştır. Bu durum kömür, petrol ve doğalgaz gibi fosil yakıtların aşırı kullanımına, dolayısıyla yenilenemez enerji kaynakları olmasıyla hızlıca tükenmesine ve çevre kirliliğine neden olmuştur. Bu gibi nedenler, yenilenebilir enerji kaynaklarına önem verilmesi gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının önemli avantajları arasında; sürdürülebilirliği, çevresel olumsuz etkilerinin fosil yakıtlara göre az olması ve pek çok ülkede kolaylıkla bulunabilmesi sayılabilir. Bu kaynaklardan biri olan hidrojen, doğada bileşik olarak bulunduğundan şeker kamışı sapı, pirinç samanı, mutfak atıkları gibi farklı ham maddelerden üretilmektedir. Hidrojen yakıt türleri ile kıyaslandığında birim kütle başına en yüksek değerde enerji içeriğine sahiptir. Hidrojenin 1 kilogramı; petrolün 2,8 kilogramı veya doğalgazın 2,1 kilogramının sahip olduğu enerji ile eşdeğerdir. 
Bu çalışmada; soğuk pres çörek otu yağı üretimi yapan üreticilerin, çöpe atmak üzere oldukları atık çörek otu kullanılarak karanlık fermantasyon ile biyolojik hidrojen üretim potansiyeli araştırılmıştır. Atık çörek otu ile biyolojik hidrojen üretiminde, optimum organik yükleme oranı, pH ve hidrolik bekletme süresinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, kesikli ve sürekli kesikli beslemeli reaktörlerde herhangi bir ön işlem uygulanmamış atık çörek otu ile atık çörek otuna ön işlemin uygulandığı dekoksiyon ekstraksiyon yöntemiyle elde edilmiş atık çörek otu ekstraktı farklı organik yükleme oranları ve pH'da araştırılmıştır. Aşı (çamur) olarak karışık bakteri kültürü tercih edilmiş ve çamur ısıl ön işlem uygulanarak kullanılmıştır. Reaktörler, 35-37 0C sıcaklığın sabit tutulduğu karanlık reaktör odasında işletilmiştir. 
Bu araştırmada, çörek otu yağı üreticilerinin çörek otu yağını elde ettikten sonra, çöpe atmak üzere oldukları çörek otu atığı karanlık fermantasyon ile biyohidrojen üretimi için tam karıştırmalı tank reaktör, akışkan yataklı kolon reaktör ve kesikli reaktörlerde denenmiştir. Atık çörek otu; biyolojik olarak parçalanabilir olması, temin edilebilirliğinin kolay olması, karbonhidrat içeriğinin yüksek olması ve toksik olmaması gibi avantajlara sahiptir. Ancak, ön işlemin uygulanmadan kullanıldığı sürekli kesikli beslemeli reaktörlerde, reaktör işletiminde pompaların verimli çalışmasını engelleyebilme ihtimalinin olması, atık çörek otunun kullanımında bir dezavantaj oluşturabilmektedir.
Bu araştırmada, sürekli kesikli beslemeli reaktörler kurularak bu reaktörlerde pH ve organik yükleme oranında değişiklik yapılmadan önce, yapılması planlanan değişikliğin reaktör performasına etkisini ön görebilmek için kesikli reaktörler kurularak işletilmiştir. Ön işlem uygulanmamış atığın kullanıldığı tam karıştırmalı tank reaktör 1 (TKTR-1) ve akışkan yataklı kolon reaktör 1 (AYR-1)'de maksimum hidrojen sırasıyla 25,3 ve 11,1 mL/gün olarak tespit edilmiştir. Atığa dekoksiyon ekstraksiyon ön işleminin uygulanarak, atık ekstraktının kullanıldığı tam karıştırmalı tank reaktör 2 (TKTR-2) ve akışkan yataklı kolon reaktör 2 (AYR-2)'de ise maksimum hidrojen sırasıyla 20,8 ve 7,6 mL/gün olarak belirlenmiştir. Reaktör tiplerine göre atığa ön işlem uygulanmamış/uygulanmış olması açısından değerlendirildiğinde, ön işlem uygulanmamış atıktan daha iyi hidrojen üretim performansı olduğu kanısına varılmıştır.
Sürekli kesikli beslemeli reaktörlerin tamamında hidrojen üretimi tespit edilmiş olup, ön işlem uygulanmamış atığın kullanıldığı reaktörlerde optimum pH 5.0 ve atığa ön işlemin uygulanmış olduğu reaktörlerde ise optimum pH 4.0 olarak belirlenmiştir.
Sonuç olarak, literatüre göre biyohidrojen üretim araştırmalarında daha önce denenmemiş olan atık çörek otunun, biyolojik hidrojen üretimi için başarı ile kullanılabileceği sonucuna varılmış ve araştırmada gerçek ölçekli proseslerin tasarımına yönelik veriler elde edilmiştir.

ANAHTAR KELİMELER: Biyohidrojen, karanlık fermantasyon, anaerobik biyoreaktör, atık çörek otu

Abstract:
The rapid increase in the world population has increased the global energy demand. This has caused the excessive use of fossil fuels such as coal, oil and natural gas, leading to rapid depletion of non-renewable energy sources and environmental pollution. Due to these reasons, there emerged the need to give importance to renewable energy sources. Significant advantages of renewable energy sources include; sustainability, fewer negative effects on the environment compared to fossil fuels, and their availability in many countries. Among these sources, hydrogen is produced from different raw materials, such as sugar cane stalk, rice straw and kitchen wastes since it is found in nature as a compound. When compared with the types of fuel, hydrogen comes to the front with its highest value of energy content per unit mass. The energy value of 1 kilo of hydrogen is equivalent to the energy value of 2.8 kilos of oil or 2.1 kilos of natural gas. 
In this study, waste black cumin that were about to be thrown away by the producers of cold pressed black cumin oil, were used to discover their potential of biological hydrogen production by dark fermentation method. The aim of the study was to determine the optimum organic loading rate, pH and hydraulic retention time in the production of biological hydrogen from waste black cumin. For this purpose, waste black cumin that weren't subjected to pre-treatment and black cumin extract obtained by the decoction extraction method in which the waste black cumin were subjected to pre-treatment, were investigated with respect to different organic loading rates and pH. Mixed bacterial culture was preferred as the vaccine (sludge) and the sludge was used after pre-treatment with heat. Reactors were operated in the dark reactor chamber kept at a fixed temperature between 35-37 °C.
In this research, the waste black cumin that were about to be thrown away by black cumin oil producers after the obtainment of the oil, were experimented at completely stirred tank reactors, fluidized bed column reactors and batch reactors for biohydrogen production by dark fermentation method. Waste black cumin have certain advantages. They are biodegradable, easy to obtain, non-toxic and they have a high carbohydrate content. However, in continuous feed batch reactors that are used without pre-treatment, the possibility of preventing the efficient operation of the pumps in the reactor operation may be a disadvantage in the use of waste black cumin.
In this research, continuous feed batch reactors were installed and operated in order to predict the effect of the planned change on reactor performance before the changes in pH and organic loading rate were made in these reactors. In the case of completely stirred tank reactor 1 (TKTR-1) and fluidized bed column reactor 1 (AYR-1) where non-pretreated waste were used, the maximum hydrogen was determined to be 25,3 and 11,1 mL /day, respectively. Waste were subjected to a pre-treatment of decoction extraction, in tank reactor 2 (TKTR-2) and the fluidized-bed column reactor 2 (AYR-2) where the waste extract was used, maximum hydrogen value was determined to be 20,8 and 7,6 mL /day, respectively. When reactor types were assessed depending on whether the waste were pretreated or not, it was figured out that non-pretreated waste exhibited a better hydrogen production performance.
Hydrogen production was detected in all continuous feed batch reactors, with optimum pH 5.0 in reactors using non-pretreated waste and optimum pH 4.0 in reactors using pretreated waste.
Finally, it was concluded that waste black cumin which, according to literature, hadn't been tried previously in biohydrogen production research, could be successfully used in biohydrogen production and data for the design of the real scale processes were obtained in the research.

KEY WORDS: Biohydrogen, dark fermentation, anaerobic bioreactor, waste black cumin