Yarı sürekli beslemeli tam karışımlı reaktörde enerji bitkisi dallı darıdan biyogaz üretimi
Production of biogas from switchgrass energy plant in semi-continuous stirred-tank reactor
Yazar: HİLAL ÜNYAY
Danışman: PROF. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
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.

Abstract:
The aim of this master of science thesis is to determine the effect of organic loading rate on the batch process as Biochemical Methane Potential (BMP) and semi-continuous stirred tank reactor (SSTR) process, along with the reactor working conditions, system responses and performance.
Characterization analysis of the switchgrass plant was performed within the scope of master of science thesis. It has been determined that switchgrass contains 41.95 % carbon (C). The amount of hemicellulose and cellulose was determined as 36.24% and 35.94%, respectively. High carbon, high cellulose and hemicellulose amount (72.18%) of switchgrass proves its preferability for biogas production by anaerobic digestion. The theoretical methane potential (TBMP) of switchgrass, whose extended chemical formula is C140H244O109N1, was found as 439.5 mLCH4/gVS.
The biochemical methane potential (BMP) test of switchgrass was carried out at different organic loading rates (0.75, 1.0 and 1.5 gVSswitchgrass/L.Day) and substrate/inoculum ratios (1.1, 1.5 and 2.2 gVSswitchgrass/gVSinoculum). The specific methane production amount obtained after 60 days of SRT were found as 203.9, 190.5 and 181.0 mLCH4/gVS, respectively. It was observed that the amount of specific methane production decreased when the amount of organic loading rate was increased. These values correspond to 46%, 43% and 41% of the switchgrass TBMP value, respectively. 80% of the methane generation of 203.9 mLCH4/gVS at 0.75 OLR was obtained in the first 24 days. Although the batch BMP test was continued for 60 days, this finding also reveals that the retention time can be taken 24-25 days in terms of economic methane production from switchgrass.
In order to predict the kinetic coefficients, the batch BMP test methane production datas are modeled with Modified Gompertz, Cone, Reaction Curve and First Order Kinetic model. Regression coefficients (R2) in all models were calculated between 0.992 and 0.999. It was found that whenthe organic loading rate was increased, hydrolysis rate constants (k) and methane production rate values (Rm) were decreased and the lag phase (λ) time was increased.
Anaerobic fermentation in the SSTR system of switchgrass was performed under the same conditions (feed amount, SRT and temperature) with BMP, and the effect of organic loading rate on specific methane production in the semi-continuous anaerobic process was investigated. Specific methane production values of switchgrass were calculated as 147.6, 156.9 and 60.11 mLCH4/gVS, respectively, for the organic loading rates of 0.75, 1.0 and 1.5 gVS/L.Day. When the organic loading rate was increased to 1.5 gVS/L.Day, specific methane production decreased critically. The reason behind this phenomenon is thought to be due to the break down of anaerobic fermentation related to the slow hydrolysis of lignocellulosic structure of switchgrass and the lack of alkalinity source to buffer the system in the acidogenesis stage even if very high volatile organic acid concentrations were not observed.
Molecular genetic tools as DNA isolation, polymerase chain reaction, denature gradient gel electrophoresis and sequencing were performed for the samples taken from the semi-continuous anaerobic reactor in order to determine the microorganisms involved in the anaerobic digestion process of switchgrass. Methanosarcina, Methanosaeta, Methanothrix and Metanometilovorans as archaea and Chloroflexi, Firmicutes, Spirochaetes and Actinobacteria as bacteria were observed during the 270 days of semi-continuous anaerobic reactor operation.
Although the methane production obtained at 1.0 gVS/L.Day OLR is 6% more than the methane production obtained at 0.75 gVS/L.Day OLR, considering the total economic benefit, it was concluded that it would be more efficient to operate the low organic matter loading rate (0.75 gVS/L.Day) in both the batch reactor and the semi-continuous feed anaerobic reactor (SSTR), since switchgrass is not a waste and it is a cultivated plant for energy production.