Biyohidrojen üretiminde dinamik analiz
Dynamic analysis in biohydrogen production
Yazar: GAMZE FIRAT
Danışman: DOÇ. DR. BÜLENT AKAY
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu yüksek lisans tezinin temel amacı karanlık hidrojen üretim sistemini etkileyen parametreleri araştırmak ve sistemi tanımlayan en uygun modeli bulmaktır. Bu amaçla çalışmada biyoreaktörde Clostiridium türleri (Clostridium butyricum ve Clostiridium acetobutylicum) ile patates ortamı kullanılarak hem ucuz hem de verimli hidrojen üretimi için anaerobik biyoreaktör işletim sistemi kurulmuş ve geliştirilmiştir.Biyoreaktörde yüksek hidrojen verimi elde edebilmek için pH, sıcaklık, HRT, karıştırma hızı gibi parametrelerin optimum değerlerinde işletilmesi gerekmektedir. Hidrojen üretimi prosesinde kontrol edilmesi gereken en önemli parametre pH'dır. Proses süresince, üretilen organik asitlerden dolayı ortamın pH' ı 1-1.5 değer azalış göstermiştir. Sistemin en uygun pH'ını bulmak amacıyla farklı başlangıç pH değerleri denenerek en yüksek verimde hidrojen üretimi pH 6 değerinde tespit edilmiştir. Yapılan çalışmada atık ve besin maddeleri arasından uygun besi ortamını belirlemek amacıyla dört farklı ortam (peyniraltı suyu, melas, patates, kimyasallı patates) kullanılmış ve peyniraltı suyunda en yüksek hidrojen verimi (% 60) elde edilmiştir.Biyoreaktörün pH değişiminin dinamik davranışı incelenmiş ve sistem tanımlama yöntemi ile prosesi en iyi tanımlayan model elde edilmiştir. Biyoreaktörde kontrol edilen ve ayarlanabilen değişken olarak sırasıyla pH ve baz akış hızı seçilmiştir. Çeşitli giriş sinyalleri (kare, rastgele, ternary), kontrol edilen sistemin dinamiğini tanımlamak için bir etki fonksiyonu olarak kullanılmış ve sistem çıktısı ölçülmüştür. Elde edilen çıkış değerleri kullanılarak model parametreleri Yinelemeli En Küçük Kareler Metodu (YEKK) yöntemi ile belirlenmiştir. Hidrojen üretim prosesinin farklı giriş sinyallerinden elde edilmiş farklı modeller durumunda MATLAB programlama dilinde kodlanmış PID kontrol yöntemi ile pH kontrolu gerçekleştirilmiştir.Anahtar Kelimeler: Karanlık fermentasyon, Biyohidrojen üretimi, Clostridium butyricum, pH kontrol

Abstract:
The main aim of this master thesis is exploring the parameters that affect the dark fermentation and the hydrogen production, and finding the best model that defines the system. For this purpose, in this work, for either cheap and efficient hydrogen production, anaerobic hydrogen operating system is installed and improved by using potato environment and kinds of Clostridium (Clostridium butyricum ve Clostiridium acetobutylicum) in bioreactor.In order to get the higher hydrogen efficiency, some parameters such as pH, temperature, HRT (hydrolic retention time), agitation rate should be operated at their optimum values. The most important parameter that should be controlled in hydrogen production process, is pH. During the process, because of the organic acid production, the medium pH value decreases by showing 1-1.5 difference. In order to find the optimum pH value, different initial values of pH were tested and the highest yield of hydrogen production was realized at pH value of 6. In the work done, to obtain the suitable growth media through the waste and nutrient materials, four different growth media (potato, cheese whey, molasses and potato with chemical substances) were tested and the highest hydrogen production yield (60 %) is achieved in cheese whey.Dynamic behavior was investigated.The best model of the process was found by utilizing system identification. In the bioreactor, controlled and manipulated variables were choosen as pH and base flow rate respectively. For the system identification, various input signals (square, random, ternary) were used as load effect and system output was measured. By using the system output values, model parameters were determinated via Recursive Least Square Method (RLS). pH control is achieved for the hydrogen production process by using PID controllers which include various types of model evaluated from the different input signals, and coded in MATLAB.Key Words: Dark fermentation, biohydrogen production, Clostridium butyricum, pH control