Mikroalglerden biyogaz eldesinde ultrases ön işlem uygulamalarının optimizasyonu
Optimization of ultrasound pretreatment in biogas production from microalgae
Yazar: AYŞENUR ÇINAR
Danışman: DOÇ. DR. EBRU KOCA AKKAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Son yıllarda araştırmacılar daha temiz, sürdürülebilir, karbon nötr ve çevre dostu enerji alternatifleri ile ilgili birçok araştırma yapmakta ve bunlardan biri olan anaerobik çürütme sistemleri ile biyogaz üretimi bu gereksinimleri karşılayan önemli bir ekolojik alternatif olarak görülmektedir. Bu sistemlerde hammadde olarak kullanılabilen mikroalgler ise; türe bağlı olarak değişen yüksek karbonhidrat, yağ ve protein içerikleri ile önemli bir biyoenerji kaynağı olarak kabul edilmektedir. Ancak biyokütlenin hücresel yapısı anaerobik çürütme sistemlerinde hidroliz aşamasını sınırlamaktadır. Bu nedenle anaerobik çürütme öncesi bir ön işlem uygulaması önem kazanmaktadır. 
Bu çalışmada mikroalg biyokütlesinden biyogaz üretiminin iyileştirilmesinde ultrases (US) ön işlemi uygulanması ve bu sürecin optimizasyonununda Taguchi metodu kullanılarak verimliliğin arttırılması amaçlanmıştır. Hayvansal atıksu içerisinde yetiştirilen karışık mikroalg biyokütlesine uygulanan ultrases ön işleminde, güç (%40-100), zaman (75-600 sn) ve katı-sıvı oranı (%0,5-3) gibi farklı değişkenler değerlendirilmiştir. Ön işlem uygulamasının biyokütlenin hücre parçalanması üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi amacıyla % parçalanma dereceleri hesaplanmış ve biyokütlenin biyogaz üretim potansiyeli biyokimyasal metan potansiyel (BMP) testleri ile ölçülmüştür. Ultrases uygulaması sonrası elde edilen % parçalanma dereceleri dört farklı katı sıvı oranı için US-4, US-8, US-10 ve US-13 deneysel koşulları için sırasıyla %34, %18, %15 ve %11 olarak bulunmuştur. Hesaplanan S/N oranı ile ultrases ön işleminde kullanılan yüksek enerji, yüksek maruz kalma süresi ve azalan biyokütlenin etkisinin daha yüksek parçalanma derecesini sağladığı görülmüştür. S/N oranının ANOVA analizi mikroalgal biyokütlenin ultrases ön işleminde uygulanan katı sıvı oranının parçalanma derecesi üzerinde %53,47'lik etki ile diğer parametrelerden daha önemli olduğunu göstermiştir. Ayrıca %92,95 R2 değeri modelin istatiksel geçerliliğini desteklemektedir. Ön işlem sonrası en yüksek biyogaz üretim potansiyelleri US-4, US-8, US-10 ve US-13 ön işlem koşulları için kontrol numuneleri ile karşılaştırıldığında sırasıyla 5 kat, 2 kat, 2 kat ve 0,6 kat arttığı gözlemlenmiştir. Kinetik model sonuçlarına göre %90 üzeri R2 ile Modifiye Gompertz modeli ve Birinci Derece Reaksiyon Kinetik modeli deneysel veriler ile uyumludur. Son olarak bir enerji değerlendirmesi yapılarak harcanan enerjinin biyogaz üretimi ile elde edilen enerjiden daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In recent years, researchers have been conducting many researches on cleaner, sustainable, carbon neutral and environmentally friendly energy alternatives and biogas production with anaerobic digestion systems is seen as an important ecological alternative that meets these requirements. Microalgae, which can be used as raw materials in these systems, are recognized as an important bioenergy source with their high carbohydrate, fat and protein contents that vary depending on the species. However, the cellular structure of biomass limits the hydrolysis step in anaerobic digestion systems. Therefore, it is important to apply a pretreatment before anaerobic digestion. 
In this study, it was aimed to apply ultrasound (US) pretreatment to improve biogas production from microalgae biomass and to increase efficiency by using Taguchi method in the optimization of this process. Different variables such as power (40-100%), time (75-600 s) and solid-liquid ratio (0,5-3%) were evaluated in the ultrasonic pretreatment of mixed microalgae biomass grown in animal wastewater. In order to evaluate the effect of pretreatment on cellular degradation of biomass, % degradation was calculated and biogas production potential of biomass was measured by biochemical methane potential (BMP) tests. The % fragmentation degrees obtained after ultrasound application were found to be 34%, 18%, 15% and 11% for four different solid liquid ratios for US-4, US-8, US-10 and US-13 experimental conditions, respectively. The calculated S/N ratio showed that the effect of high energy, high exposure time and reduced biomass used in the ultrasound pretreatment resulted in a higher degree of degradation. ANOVA analysis of the S/N ratio showed that the solid to liquid ratio applied in the ultrasonic pretreatment of microalgal biomass was more significant than the other parameters with an effect of 53,47% on the degree of degradation. Moreover, the R2 value of 92,95% supports the statistical validity of the model. The highest biogas production potentials after pretreatment were observed to increase 5-fold, 2-fold, 2-fold and 0.6-fold for pretreatment conditions US-4, US-8, US-10 and US-13, respectively, compared to the control samples. According to the kinetic model results, the Modified Gompertz model and the First Order Reaction Kinetic model are compatible with the experimental data with R2 over 90%. Finally, an energy assessment was made and it was found that the energy consumed was higher than the energy generated by biogas production.