Biyokütle hızlı piroliz ürünlerinin yapay sinir ağları ile modellenmesi
Modeling of biomass fast pyrolysis products by artificial neural networks
Yazar: İSMAİL VELİ SEZGİN
Danışman: PROF. DR. HASAN MERDUN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Dünya ve ülkemizde çoğunlukla seralarda üretimi gerçekleştirilen domates, biber ve patlıcan bitkilerinin hasat atıklarının çevreye yükü oldukça fazladır. Geleneksel yöntemlerle bitkisel atıkların bertarafına yönelik çalışmalar ülkemizdeki katı atık yönetimi çerçevesinde yürütülmektedir. Atık durumundaki biyokütlelerin hem çevreye yükünü azaltacak hem de katma değerli çıktılara dönüşmesini sağlayabilecek teknolojilerin geliştirilmesine yönelik çalışmalar global politikalar ve eylem planları ile teşvik edilmektedir. Ulusal ve uluslararası alanda iklim, çevre ve biyoekonomi çerçevesinde biyokütleden enerji elde edilmesine yönelik akademik ve sektörel bazda araştırmalara sağlanan fon destekleri ile bu alan popülerliğini korumaktadır. Bu tez çalışması kapsamında katı atık tanımı içerisindeki bitkisel/tarımsal atık kaynaklı biyokütle olarak sınıflandırılmış domates, biber ve patlıcan bitkilerinin hasat atıklarının piroliz yöntemi ile bertarafı ve enerji açısından potansiyeli değerlendirilmiştir. 
Tez çalışması 3 ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde sera atıkları olarak tanımlanan  domates, biber ve patlıcan bitkilerinin hasat atıklarının ön, bileşenler, elementel, FT-IR ve ICP-MS karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Literatürde piroliz yöntemi ile enerji ve farklı ürünlere dönüşme ekseninde kaynak olarak kullanılabilmesi raporlanan birçok biyokütle ile düşük nem içeriği, yüksek uçucu madde özellikleri ile benzer özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir. İkinci bölümde domates, biber ve patlıcan bitkilerinin hasat atıklarının tek tek, eşit kütleli ikili ve üçlü karışımlarının piroliz ortamında termogravimetrik analizi (TGA) gerçekleştirilmiştir. TGA çerçevesinde elde edilen bilgilerden TG ve DTG ile biyokütlelerin ısıl davranışlarına yönelik önemli bilgiler elde edilmiştir.  Biyokütlelerin TGA verileri ile FWO, KAS ve Starink kinetik modelleri oluşturulmuştur. Kinetik modeller kullanılarak biyokütlelerin  tekli, ikili ve üçlü karışımlarının Aktivasyon enerjileri (Ea) 69.41-104.44 kJmol-1 olarak belirlenmiştir.  Sera atıklarının FWO, KAS ve Starink kinetik model uyumluluğu, Ea ve termodinamik parametreler açısından değerlendirildiğinde tekli, ikili ve üçlü karışımların biyokütle enerjisi eldesi açısından önemli bir kaynak olabileceği değerlendirilmiştir. Biyokütlelerin tekli kullanımında domatesin, ikili karışımlarda ise domatesin biber ve patlıcan ile oluşturduğu karışımların Ea açısından durumu karışım sinerjisi açısından önemli bilgiler vermektedir. 
Biyokütle kaynaklarının çeşitliliği, biyokütleden enerji eldesinde kullanılacak olan teknolojik altyapı ihtiyacına yönelik araştırmaların sayı ve çeşitliliğinin kurgusunda önemli bir faktördür.  Özellikle potansiyel yeni biyokütle kaynaklarından enerji elde edilmesine yönelik gerçekleştirilen araştırmalarda ürüne etki edecek parametrelerin sayısının çokluğu zaman ve maliyet gibi kaynak kullanımında yeni yaklaşımların geliştirilmesi ihtiyacını oluşturmuştur. Bu kapsamda farklı matematiksel yaklaşımların deney tasarımlarının kurgulanmasında kullanıldığı araştırmalar literatürde yer almaktadır. Matematiksel yaklaşımlardan biri olan ve insan sinir ağ yapısının çalışma prensibini farklı araştırma problemlerinin çözümünde kullanan yapay sinir ağları yöntemi ile biyokütleden enerji eldesinde piroliz yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen araştırmalar literatürde sınırlıdır. Literatürdeki çalışmalarda, araştırmacılar tarafından incelenen veri setleri genellikle literatürden sağlanmaktadır. Tez çalışmasının üçüncü bölümünde yapay sinir ağları (YSA) yöntemi kullanılarak Akdeniz Üniversitesi Çevre Mühendisliği bölümünde yer alan piroliz cihazında gerçekleştirilen hızlı piroliz deneylerinden elde edilmiş verilerden iki farklı uygulama veri seti oluşturulmuştur. İki uygulama veri seti ile YSA mimarileri üzerine araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Hızlı piroliz deneylerinde kullanılan biyokütlelere ait ön, bileşen ve elementel analiz sonuçları proses parametreleri ile birlikte kümelenerek iki uygulama veri seti 14 model üzerinde YSA mimarileri incelenmiştir. Girdi parametresi olarak en az 4 en fazla 21 parametre, hızlı piroliz ürünleri çıktısı açısından 4 farklı çıktı çerçevesindeki YSA modelleri gizli katman nöron sayısı, gizli katman sayısı ve verilerin eğitim/test/doğrulama yüzde bölümleri açısından incelenmiştir. Çalışmalar sonucunda proses parametreleri ile elementel ve bileşenler analizi  kümelerine yönelik model performanslarının diğer modellere görece daha başarılı oldukları belirlenmiştir. Performans açısından başarılı bulunan modellerden tez çalışmasında kullanılan domates, biber ve patlıcan atıklarının tekli, ikili ve üçlü karışımları çerçevesinde sıvı ürünü için verileri modellerde kullanılmamış deneylere yönelik teorik sonuçlar üretilerek validasyon çalışmaları yürütülmüştür. Elde edilen sonuçlarda ilk uygulama verisinden elde edilen modellerden ikisinin diğer modellere göre daha başarılı olduğu belirlenmiştir. Çalışma sonucunda geliştirilen YSA modelinin hızlı piroliz deneyleri öncesi sıvı ürün açısından ön uygulama aracı olarak kullanılabilme potansiyeli olduğu söylenebilir. Akdeniz Üniversitesi Çevre Mühendisliği bölümünde yer alan piroliz cihazında gerçekleştirilecek yeni hızlı piroliz deney verileri ile ön uygulama aracının geliştirilerek sıvı ürün dışındaki diğer ürünlere yönelik de bir ön uygulama aracı olarak kullanılabileceği öngörülmektedir

Abstract:
The harvest wastes of tomato, pepper and eggplant plants that are mostly produced in greenhouses have an increasingly high impact in a negative way on environment both in the world and in our country Investigations of the disposal of vwastes with traditional methods are carried out within the framework of solid waste management in our country. The efforts to develop technologies that are supposed to reduce the negatif impact of waste biomass on the environment and transform it into value-added outputs are encouraged by global policies and action plans. Funding support provided to academic and sectoral research on obtaining energy from biomass within the framework of climate, environment and bioeconomy in the national and international arena maintains its popularity. In this study, the disposal of the harvest wastes of tomato, pepper and eggplant plants, which are classified as biomass originating from vegetable / agricultural waste within the definition of solid waste, by pyrolysis method and their potential in terms of energy have been evaluated.
The thesis work consists of  three main parts. In the first part, preliminary, component, elemental, FT-IR and ICP-MS characterizations of the harvest wastes of tomato, pepper and eggplant plants, which are defined as greenhouse wastes, were carried out. In the literature, it has been determined that it has similar properties with many biomasses that can be used as a source in the axis of energy and transformation into different products by pyrolysis method. In the second part, thermogravimetric analysis (TGA) of the harvest wastes of tomato, pepper and eggplant plants one by one, of equal mass double and triple mixtures in pyrolysis medium were carried out. Some important information on the thermal behavior of biomass with TG and DTG has been obtained from the information achieved within the framework of TGA. FWO, KAS and Starink kinetic models were created with TGA data of biomass. Activation energies (Ea) 69.41-104.44 kjmol-1 of single, double and triple mixtures of biomass were determined using kinetic models. When greenhouse wastes are evaluated in terms of FWO, KAS and Starink Kinetic model compatibility, activation energies and thermodynamic parameters, it has been evaluated that single, double and triple mixtures can be an important source for biomass energy production. The activation energy of the mixtures formed by tomato in single use of biomass and tomato in binary mixtures with pepper and eggplant provides important information in terms of mixture synergy.
The diversity of biomass resources is an important factor in the number and diversity of the research on the need for technology infrastructure that will be used in obtaining energy from biomass. Especially in the research carried out to obtain energy from potential new biomass sources, the large number of parameters that will affect the product has created the need to develop new approaches in resource use such as time and cost. In this context, the literature include studies where different mathematical approaches are used in experimental designs The studies carried out by using artificial neural networks, which is one of the mathematical approaches and the working principle of the human neural network structure, in the solution of different research problems, and the pyrolysis method in obtaining energy from biomass are limited in the literature. The studies indicate that, the data sets examined by the researchers are usually provided from the literature. In the third part of the thesis, two different application data sets were created from the data obtained from the fast pyrolysis experiments carried out in the pyrolysis device in the Department of Environmental Engineering in Akdeniz University by using the artificial neural networks (ANN) method. The research on ANN architectures were carried out with two application datasets. Preliminary, component and elemental analysis results of biomass used in rapid pyrolysis experiments were clustered together with process parameters, and ANN architectures were examined on two application dataset 14 models. In terms of 4-21 input parameters and fast pyrolysis products, ANN models in 4 different output frameworks were examined in terms of the number of hidden layer neurons, the number of hidden layers and the percentage of training/testing/validation of the data. As a result of the studies, it was determined that the model performances for process parameters and elemental and component analysis clusters were more successful than other models. Theoretical results for the experiments that were not realized within the framework of single, double and triple mixtures of tomato, pepper and eggplant wastes used in this study, which were found to be successful in terms of performance, were produced for the liquid product. According to the results, it was determined that two of the models obtained from the first application data were more successful than the other models. It can be said that the model obtained as a result of the study has the potential to be used as a pre-application tool in terms of determining the liquid product before new fast pyrolysis experiments. It is envisaged that the pre-application tool can be developed with the new rapid pyrolysis test data to be performed in the pyrolysis device in the Department of Environmental Engineering of Akdeniz University and can be used as a pre-application tool for other products other than liquid products