Alkali hidrojen peroksit (AHP) ön arıtma prosesinin dallı darıdan etanol ve biyogaz üretim verimine etkisinin incelenmesi
Investigation of the impacts of alkali hydrogen peroxide (AHP) pre-treatment process on ethanol and biogas production efficiency from switchgrass
Yazar: ÖZGE ÇOBAN
Danışman: DOÇ. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez çalışması enerji bitkisi dallı darı'dan biyoyakıt üretimi için kimyasal ön arıtma (Alkali Hidrojen Peroksit) ve biyoteknolojik prosesleri (etanol ve biyogaz fermantasyonu) kombine eden bir prosesin geliştirilmesi için proses optimizasyonu konusuna odaklanmıştır. Bu tez kapsamında; etanol ve metan üretim fermantasyon prosesleri için lignoselülozik kökenli dallı darının kullanılabilir şekerine ulaşmak ve fermantasyon proseslerini zenginleştirerek üretilen etanol ve metan miktarının arttırılmasını sağlamak amacıyla AHP ön arıtma prosesi incelenmiş ve proses optimizasyonu yapılmıştır.  
Tez kapsamında Selçuk Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği ve Tarla Bitkileri Bölümleri tarafından araştırma amaçlı olarak yetiştiriciliği yapılan dallı darı enerji bitkisi kullanılmıştır. Dallı darının karakterizasyonunun belirlenmesi için toplam katı madde (KM), uçucu katı madde (UKM), toplam ve çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (tKOİ ve çKOİ), çözünmüş indirgen şeker (çİndŞeker), Van Soest Fraksiyonu (selüloz, hemiselüloz, lignin, çözünmüş madde) ve elementel bileşim (C-H-N-S) analizleri yapılmıştır.  
AHP ön arıtma proses optimizasyonunda Cevap Yüzey Yöntemi (CYY), Merkezi Kompozit Tasarım (MKT) kullanılmıştır. AHP ön arıtma prosesinin deneysel tasarımı Design Expert Trial 7.1.5 programı ile planlanmış ve AHP ön arıtma prosesi için program tarafından önerilen ön arıtma deneyleri yapılmıştır. AHP ön arıtma deneylerinin tamamlanmasından sonra AHP prosesi maksimum metan üretimi ve optimum proses maliyetinde maksimum metan üretimi için modellenerek ön arıtma prosesi optimize edilmiş ve optimum proses koşulları tespit edilmiştir. Önerilen modellerin uygunluğunun test edilmesinde ANOVA testi uygulanmıştır. Ayrıca, ön arıtma deneyleri sonrası dallı darının yüzey özellikleri değişiminin incelenebilmesi için Taramalı Elektron Mikroskop (TEM), numunedeki selüloz, hemiselüloz, lignin ve çözünür madde fraksiyon değişimleri için Van Soest yöntemi ve bağ karakterizasyonunun değişiminin incelenebilmesi için Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR) kullanılmıştır. 
Dallı darı numunelerinin lignin yapısını bozarak enzimlerin selüloz ve hemiselüloza erişimini arttırmak amacıyla AHP ön arıtma deneyleri yapılmıştır. Bu kapsamda, delignifikasyonda etkinliği kanıtlanmış AHP ön arıtma deneylerinde; reaksiyon sıcaklığı (50-100ºC), reaksiyon süresi (6-24 saat), hidrojen peroksit (H2O2) konsantrasyonu (%1-3) ve biyokütle katı madde miktarı (%3-7) gibi proses değişkenleri incelenerek dallı darının AHP ön arıtma ile delignifikasyonu için optimum koşullar belirlenmiştir. AHP ön arıtma etkinliğinin belirlenmesi için cevap değişkenleri olarak sıvı fraksiyonda çKOİ, çİndŞeker ve etanol ile katı fraksiyonda biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) parametreleri incelenmiştir. 
 AHP ön arıtma deneyleri sonucunda, 100˚C reaksiyon sıcaklığı, %3 H2O2 konsantrasyonu, 24 saat reaksiyon süresi ve %3 KM miktarı deney koşullarında maksimum çİndŞeker ve çKOİ değerleri sırasıyla 43,35 mgşeker/gUKM ve 1463,51 mgKOİ/gUKM olarak elde edilmiştir. AHP ön arıtmada katı madde miktarının artırılması metan üretim miktarını olumsuz olarak etkilemiş ve maksimum çİndŞeker ve çKOİ değerlerinin elde edildiği 100˚C reaksiyon sıcaklığı, %3 H2O2 konsantrasyonu, 24 saat reaksiyon süresi ve %3 KM miktarı deney koşullarında minimum metan miktarı (233,9 mLCH4/gUKM) elde edilmiştir. Ancak, maksimum KM miktarı ve H2O2 konsantrasyonunun uygulandığı ön arıtma deneylerinde, reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon süresinin en aza indirilmesi (50˚C reaksiyon sıcaklığı, % 3 H2O2 konsantrasyonu, 6 saat reaksiyon süresi ve % 7 KM konsantrasyonu) üretilen metan miktarının artmasına ve maksimum metan miktarının (367 mLCH4/gUKM) gözlenmesine sebep olmuştur. AHP ön arıtma ile muamele edilen ve maksimum şeker içeren numunenin etanol fermantasyonu sonunda numunede etanol saptanamamıştır. AHP ile ön arıtılmış numunede etanol tespit edilemediği için AHP prosesi çKOİ, çİndŞeker ve metan (BMP) üretimi açısından optimize edilmiştir.  
çİndŞeker, çKOİ ve BMP cevap değişkenlerine Design Expert® 7.1.5 paket programı tarafından sırasıyla lineer, 2FI ve modifiye (backward) modeller önerilmiştir. çİndŞeker, çKOİ ve BMP cevap değişkenleri için kurulan modellere ait regresyon katsayıları (R2) sırasıyla 0,7620, 0,7345 ve 0,4409 olarak tespit edilmiştir. AHP ön arıtma prosesinin değerlendirilmesi ve BMP bağımsız değişkeninin optimizasyonunda iki farklı yaklaşım kullanılmıştır. Birinci yaklaşımda maliyet göz önünde bulundurularak; reaksiyon sıcaklığı, reaksiyon süresi ve H2O2 konsantrasyonu minimize edilmiş, çKOİ ve çİndŞeker artışı kullanılan aralıkta bırakılmıştır. İkinci yaklaşımda ise maksimum BMP üretilmesi için reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon süresi minimize edilmiş, H2O2 konsantrasyonu, çKOİ ve çİndŞeker artışı ise kullanılan değer aralığında bırakılmıştır. Her iki yaklaşımda katı madde miktarı ve BMP miktarının maksimum olması tercih edilmiş ve maksimize edilmiştir. 
Minimum proses maliyeti için yapılan optimizasyonunda optimum ön arıtmanın %1,03 H2O2 konsantrasyonu, 50°C reaksiyon sıcaklığı, 6 saat reaksiyon süresi ve %7 katı madde miktarı koşullarında sağlandığı tespit edilmiştir. Minimum proses maliyeti için Design Expert® Trial 7.1.5 paket programı tarafından tahmin edilen çKOİ ve çİndŞeker artış değerleri sırasıyla %580,75 ve %248,47'dir. Önerilen optimizasyon koşullarında yapılan validasyon deneyi sonucunda çKOİ ve çİndŞeker artış değerleri sırasıyla %542,59 ve %240,31 olarak tespit edilmiştir. Validasyon deneyi sonrasında BMP değeri 344 mLCH4/gUKM olarak ölçülmüş ve ham numuneyle kıyaslandığında %27,94 artış gözlenmiştir. 
Maliyet dikkate alınmadan sadece BMP'nin maksimize edildiği optimizasyonda optimum ön arıtmanın % 2,79 H2O2 konsantrasyonu, 50°C reaksiyon sıcaklığı, 6 saat reaksiyon süresi ve %6,96 katı madde miktarı koşullarında sağlandığı tespit edilmiştir. Maksimum BMP miktarı için Design Expert® Trial 7.1.5 paket programı tarafından tahmin edilen çKOİ ve çİndŞeker artış değerleri sırasıyla %923,88 ve %8,87'dir. Önerilen optimizasyon koşullarında yapılan validasyon deneyi sonucunda çKOİ ve çİndŞeker artış değerleri sırasıyla %874,74 ve %8,98 olarak bulunmuştur. Maksimum BMP üretimi için model tarafından tahmin edilen yüzde artış değerleri ile validasyon deneyi sonucu elde edilen yüzde artış değerleri kıyaslandığında çKOİ ve çİndŞeker için hata değerleri sırasıyla %5,32 ve %1,22 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, validasyon deneyi sonrasında BMP değeri 383 mLCH4/gUKM olarak tespit edilmiş ve ham numuneyle kıyaslandığında % 35,27 artış gözlenmiştir. 
TEM görüntülerinden ham numunenin sabit, değişmez ve süreklilik arz eden bir yüzeye sahip olduğu gözlenirken, AHP ön arıtmanın numunenin yüzeyinde meydana getirdiği deformasyon etkisinin önemli derecede yüksek olduğu tespit edilmiştir. FTIR spektrum sonuçlarında dalga boylarında çok düşük düzeyde kaymalar olmakla birlikte, gözlenen piklerin lignin ve hemiselüloz parçalanma fragmentleri olduğu gözlenmiştir. Van soest analiz sonuçlarına göre; selüloz değerinde artış, hemiselüloz ile lignin değerinde ise azalma gözlenmiş ve bu sonuçlar literatür ile uyumlu bulunmuştur.  
 Literatürde, enerji bitkisi dallı darıya AHP ön arıtma uygulanarak ön arıtma prosesinin metan üretimi açısından optimizasyonunun yapıldığı bir çalışmaya rastlanılmamıştır. Bu tez kapsamında, enerji bitkisi dallı darıdan üretilebilecek metan üretim potansiyelinin artırılması hedefiyle AHP ön arıtma prosesinin optimizasyonu yapılmış ve metan üretim potansiyeli belirlenmiştir. Literatürde enerji bitkisi dallı darı kullanılarak AHP ön arıtma prosesinin metan üretim potansiyelinin incelendiği, optimum proses koşullarının belirlendiği ve yüzey özelliklerinin incelendiği herhangi bir çalışma bulunmadığından, bu yüksek lisans tezi kapsamında yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçlar yapılacak olan çalışmalarda referans noktası olarak kullanılabilecek değerdedir.

Abstract:
This thesis focuses on process optimization for the development of a biofuel production process from an energy crop, switchgrass that combines chemical pretreatment (Alkaline Hydrogen Peroxide) and biotechnological processes (ethanol and biogas fermentation). Within the scope of this thesis; AHP pre-treatment process was investigated and process optimization was carried out in order to obtain the sugar from the lignocellulosic switchgrass and to increase the amount of ethanol and methane production by the enhancement of fermentation processes. 
 Energy crop switchgrass cultivated by Selçuk University, Faculty of Agriculture, Agricultural Machinery and Technology Engineering and Field Crops Departments for research purposes was used in this thesis. Total solids (TS), volatile solids (VS), total and soluble chemical oxygen demand (sCOD), soluble reducing sugar (sRedSugar), Van Soest Fraction (cellulose, hemicellulose, lignin, soluble matter) and elemental composition (C-H-N-S) analyses were performed to determine the characterization of switchgrass. 
 Response Surface Methodology (RSM), Central Composite Design (CCD) was used for the AHP pretreatment process optimization. The experimental design of the AHP pretreatment process was planned with the Design Expert Trial 7.1.5 program and the pretreatment experiments proposed by the program were performed. The AHP process was optimized for the maximum methane production and the optimum process cost with the maximum methane production. Conditions for both optimization were determined. In the CCD experimental design, ANOVA was applied for the determination of the adequacy of the proposed models. In addition, after the pretreatment experiments, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) and Van Soest method were used to examine the changes in bond characterization, surface characteristics and composition of cellulose, hemicellulose, lignin and soluble fraction of the switchgrass. 
 AHP pretreatment experiments were carried out in order to increase the availability of cellulose and hemicellulose to the enzymes by damaging the lignin structure of switchgrass samples. In this context, the AHP pretreatment experiments as proven efficient in delignification was evaluated with the process variables of reaction temperature (50-100°C), reaction time (6-24 hours), hydrogen peroxide (H2O2) concentration (1-3%) and biomass solid matter content (3-7%) and optimum AHP pretreatment conditions for delignification were identified. To determine the AHP pretreatment efficiency, sCOD, soluble reducing sugar and ethanol in the liquid fraction and biochemical methane potential (BMP) parameter in the solid fraction were investigated as response variables. 
As a result of the AHP pretreatment experiments, the maximum values of sRedSugar and sCOD values were obtained as 43.35 mgsugar/gVS and 1463.51 mgCOD/gVS, respectively under the reaction conditions of 100°C reaction temperature, 3% H2O2 concentration, 24 hour reaction time and 3% solid content. Increasing the amount of solid matter in the AHP pretreatment adversely affected methane production and the minimum amount of methane (233.9 mLCH4/gVS) was obtained under the conditions of 100°C reaction temperature, 3% H2O2 concentration, 24 hours reaction time and 3% solid content which are the conditions where maximum sRedSugar and sCOD were obtained. However, in the pretreatment experiments in which the maximum amount of solid content and H2O2 concentration are applied, the reduction of the reaction temperature and reaction time to the minimum (50°C reaction temperature, 3% H2O2 concentration, 6 hour reaction time and 7% solid content concentration) increased the amount of methane produced and the maximum amount of methane (367 mLCH4/gVS) was achieved under these conditions. No ethanol was detected in the samples at the end of ethanol fermentation of samples containing maximum sugars treated with AHP pretreatment. The AHP process has been optimized from the point of the production of sCOD, sRedSugar and Methane (BMP), since no ethanol can be detected in the samples pretreated with AHP. 
 Linear, 2FI, and modified (backward) models were proposed by the Design Expert® 7.1.5 program for the response variables of sRedSugar, sCOD and BMP, respectively. The regression coefficients of the developed models for the sRedSugar, sCOD and BMP response variables were determined as 0.7620, 0.7345 and 0.4409, respectively. Two different approaches were used in the evaluation of AHP pretreatment process and in the optimization of the BMP independent variable. Considering the cost in the first approach; reaction temperature, reaction time, and H2O2 concentration were minimized and sCOD and sRedSugar increase were left in range. In the second approach, maximum BMP production  was considered and therefore, reaction temperature and reaction time were minimized , while H2O2 concentration, sCOD and sSugar increase were left in the used value in range. In both approaches, the amount of solid matter and the amount of BMP is preferred maximum and therefore, maximized. 
 Optimization for minimum process cost revealed 1.03% H2O2 concentration, 50°C reaction temperature, 6 hour reaction time and 7% solid content as optimum conditions. The estimated values of the increase of sCOD and sRedSugar by Design Expert® Trial 7.1.5 program are 580.75% and 248.47%, respectively for the minimum process cost conditions. As a result of the validation experiment performed under the recommended experimental conditions, the values of sCOD and sRedSugar were determined as 542.59% and 240.31%, respectively. After the validation experiment, the BMP value was determined as 344 mLCH4/gVS and an increase of 27.94% compared to the raw sample BMP was observed. It has been determined that the optimum pretreatment conditions for maximum BMP production without the consideration of cost is achieved at 2.79% H2O2 concentration, 50°C reaction temperature, 6 hour reaction time and 6.96% solid content. The estimated increase of sCOD and sRedSugar by the Design Expert® Trial 7.1.5 program are 923.88% and 8.87%, respectively. As a result of the validation experiment performed under the recommended experimental conditions, the increase of sCOD and sRedSugar were measured as 874.74% and 8.98% respectively. When the estimated values by the model are compared with values obtained from the validation test, the error for the sCOD and sRedSugar are calculated as 5.32% and 122%, respectively. In addition, the BMP value was determined as 383 mLCH4/gVS after the validation experiment and an increase of 35.27% was observed when compared with the raw sample. 
 It was determined from the SEM images that the raw sample had a constant, invariant, and continuous surface, while observed damages on the surface of the sample was considerably high indicating that the AHP pretreatment is effective. FTIR spectrum results showed that the peaks observed were lignin and hemicellulose disintegration fragments, with very low shifts in wave length. Van Soest analysis results showed increase in cellulose and decrease in hemicellulose and lignin and these results were found to be compatible with the literature. 
In the literature, there is no study of the optimization of AHP pretreatment process to the energy crop switchgrass for methane production. Within the scope of this thesis, with the aim of increasing the methane production potential, AHP pretreatment process has been optimized and methane production potential of the energy crop switchgrass has been determined. Since there is no literature studying the methane production potential of the AHP pretreatment process using energy crop switchgrass, the determination of optimum process conditions and the examination of surface properties, the results obtained from this master thesis have the value that can be used as a reference point in the works to be carried out.