KOMPOZİT TUBULAR ELEKTROT KULLANILAN MİKROBİYAL YAKIT HÜCRESİNDE BİYOBOZUNUR ATIKLARDAN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ
ELECTRICITY GENERATION FROM BIODEGRADABLE WASTES IN MICROBIAL FUEL CELL USING TUBULAR COMPOSITE ELECTRODES
Yazar: ARDA KARLUVALI
Danışman: PROF. DR. BESTAMİ ÖZKAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Artan enerji fiyatları ve fosil yakıt tüketiminin azaltılmasının gerekliliği, yenilenebilir enerji üretebilen alternatif teknolojilerin geliştirilmesine olan ilgiyi artırmıştır. Mikroorganizmalar ile pazar değeri olan ürünlere çevrilebilmesi sebebiyle, evsel katı atıkların organik kısmının (EKAOK) değerli bir kaynak olduğu yakın geçmişte anlaşılmıştır. Biyobozunur atıklardan enerji ve diğer değerli ürünlerin üretilmesi çevre, enerji ve halk sağlığı açısından birçok fayda sağlamaktadır. Yeni geliştirilen bir teknoloji olan mikrobiyal yakıt hücresi (MYH) alternatif bir çözüm olma potansiyeline sahiptir.
Bu çalışmanın amacı, evsel katı atığın organik kısmının (EKAOK) substrat olarak kullanıldığı MYH'de, atıkların organik içeriği azaltılırken sürdürülebilir bir şekilde doğrudan biyoelektrik üretilebildiğinin gösterilmesidir. Çalışma kapsamında, farklı organik yüklerin, önişlemlerin ve ayrıca sıcaklığın MYH'de elektrik üretimine olan etkisi incelenmiştir. MYH reaktörleri kesikli beslemeli olarak yedi gün bekleme süresinde ve 100 Ω dış direnç ile işletilmiştir.
MYH'de biyoelektrik üretiminin organik yüke bağlı olarak değiştiği gösterilmiştir. Üç ayrı reaktöre %2,5, %5,0 ve %7,5 katı madde içeren substrat beslenmiş ve reaktörlerin su-katot elektrotlarından sırasıyla 13,7 mW/m2	, 23,9 mW/m2 ve 	18,2 mW/m2 güç yoğunluğu elde edilmiştir. Tüm reaktörlerin hava-katot elektrotlarında aynı trend gözlenmiş ancak daha düşük elektrik üretim verimi elde edilmiştir.
Önişlem etkisi deneylerinde seyreltilmiş ham EKAOK numunesi, 5 ve 20 dakika ultrasonikasyon önişlemi uygulanmış numuneler ve NaOH ve KOH ile ısı/alkali önişlem görmüş numunelerden sırasıyla 53,3 mW/m2, 59,0 mW/m2, 72,3 mW/m2, 130,7 mW/m2 ve 114,4 mW/m2 maksimum güç yoğunluğu ve ayrıca %23,3, %27,8, %31,6, %52,4 ve %46,8 çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (ÇKOİ) giderim verimi elde edilmiştir. Önişlem sonucu substratın ÇKOİ değerinin artması sebebiyle, MYH'nin güç üretim performansı yükselmiştir. Isı/alkali önişlemine tabi tutulan substrat, güç üretimi ve organik madde giderimi açısından ultrasonikasyona göre daha iyi sonuçlar vermiştir. MYH reaktörüne beslenecek substratın çeşidine göre uygun önişlem yönteminin uygulanması, tüm sistem veriminin maksimize edilmesi için büyük önem taşımaktadır.
Sıcaklık artış deneyleri için, reaktör sıcaklığı mezofilik aralıkta 20 oC'den 35 oC'ye 5 oC'lik kademelerle yükseltilmiştir. Sıcaklık artışı sebebiyle, 100 Ω dış direnç altında maksimum akım yoğunluğu 197,7 mA/m2'den 355,4 mA/m2'ye çıkmış ve maksimum güç yoğunluğu 14,8 mW/m2'den 47,6 mW/m2'ye çıkarak üç kat artış göstermiştir. Akım ve güç üretiminden farklı olarak, mezofilik aralıktaki sıcaklık artışı ile kolombik verim (KV) ve ÇKOİ giderim verimi çok az bir yükselik göstermiştir. 
MYH reaktörde baskın bakteri türleri olarak, ekzoelektrojen Geobacter ve asetat üreten Bacteroides ve Clostridium tespit edilmiştir. Geobacter, kompleks organikleri hidroliz edemez veya kullanamaz. Bu sebeple bu türlerin birlikte çalışmaları, verimli ve etkin bir şeklide organik madde gideren ve elektrik üreten bir MYH sisteminin sürdürülebilirliği açısından büyük önem taşımaktadır.
MYH, anaerobik çürütme (AÇ) ve kompostlaştırmanın çevresel etkilerini karşılaştırmak amacıyla Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (YDD) çalışması yürütülmüştür. Mevcut durumda, MYH ve AÇ birbirlerine yakın ve kompostlaştırmadan çok düşük etki puanlarına sahiptir. Yeni çalışmalarla MYH reaktörünün verimi ve elde edilen toplam enerji artırıldıkça, bu sistem en çevre dostu teknolojilerden biri olacaktır. 
MYH'de organik madde giderimi sırasında sürdürülebilir, temiz ve yenilenebilir enerji elde edilebildiğinden dolayı, bu teknoloji EKAOK'nın depolama tesislerine gönderilmesini azaltacak alternatif bir önişlem yöntemi olma potansiyeline sahiptir.

Abstract:
Increasing energy costs and the necessity for reduction of fossil fuel consumption has increased the interest in the development of alternative technologies that can produce renewable energy. Organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) is a valuable source, while it can be converted to products with market value via microorganisms. Moreover, production of energy and other valuable products from organic waste provides many benefits in terms of environment, energy and public health. A novel technology, microbial fuel cell (MFC) has the potential to be an alternative solution.
The aim of this study is to present sustainable bioelectricity can be generated with consumption of organics in MFC utilizing organic fraction of municipal solid waste (OFMSW). In context of the study, the effects of organic loading, different pretreatment methods and also temperature on electricity generation in MFC were investigated. MFC reactors were operated in fed-batch mode with seven days of retention time at 100 Ω external resistor. 
It was illustrated that bioelectricity production in MFC varies depending on the organic loading. Three different reactors were fed with substrates containing 2.5%, 5.0%, 7.5% dry matter and power densities of 13,7 mW/m2	, 23,9 mW/m2 and 	18,2 mW/m2 were obtained from water-cathodes respectively. Same trend was observed in the air-cathodes of the reactors, but with less electric generation efficiency. 
In the pretreatment experiments; diluted raw MSWOF sample, ultrasonically pretreated samples for 5 and 20 minutes and samples pretreated by heat/alkali using NaOH and KOH generated maximum power densities of 53.3 mW/m2, 59.0 mW/m2, 72.3 mW/m2, 130.7 mW/m2 and 114.4 mW/m2 and also soluble chemical oxygen demand (SCOD) removal efficiencies of 23,3%, 27,8%, 31,6%, 52,4% and 46,8% respectively. Power generation performance of MFC enhanced, as the SCOD value of substrate increased after pretreatment. Substrate subjected to heat/alkali pretreatment gave better results than ultrasonication in terms of power generation and organic matter removal. It is important to apply the proper pretreatment method regarding the type of substrate fed into the MFC in order to maximize overall efficiency of the system.
For the temperature ramp experiments, the reactor temperature was gradually increased with 5 oC increments at mesophilic range from 20 oC to 35 oC. Due to the temperature rise, maximum current density increased from 197.7 mA/m2 to 355.4 mA/m2 and the maximum power density production tripled from 14.8 mW/m2 to 47.6 mW/m2 at 100 Ω external resistor. Unlike current and power yield, coulombic efficiency (CE) and SCOD removal efficiency followed a slightly escalating trend with temperature rise in mesophilic range. 
The dominant bacterial species in MFC reactor were Geobacter, which is the main exoelectrogen producing power; and also acetate producing Bacteroides and Clostridium. As Geobacter can not utilize complex organics, the combination of these genera maintain an efficient system with functions of organic matter degradation and electricity generation
Life cycle assessment (LCA) study was conducted in order to compare the environmental impacts of MFC, anaerobic digestion (AD) and composting. In the current situation, MFC and AD have close and much lower environmental impact points than composting. MFC system will be one of the most environmental friendly technologies when the yield and total obtained energy is increased with recent studies.
MFC reactor has the potential to be an alternative pretreatment method to divert OFMSW from landfilling as sustainable, clean and renewable energy can be obtained during organic matter removal.