Karanlık ve foto-fermantasyon yöntemleri kullanılarak ardışık immobilize biyoreaktörlerde hidrojen üretiminin incelenmesi
Assesment of hydrogen production in sequential immobilized bioreactors by dark and photo-fermentation
Yazar: TUĞBA KESKİN GÜNDOĞDU
Danışman: PROF. DR. NURİ AZBAR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Enerji = Energy ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Alternatif enerji kaynakları arasında; biyolojik yollarla hidrojen üretimi en ekolojik ve ekonomik alternatiflerdendir. Biyolojik yollarla hidrojen üretiminde, tam kapasite hidrojen üretimi ancak karanlık ve foto-fermantasyon proseslerinin ardışık kullanımı ile mümkündür. Bu çalışmada karanlık fermantasyon ve foto-fermantasyon sistemlerinde askıda büyüme sistemlerinin pek çok dezavantajını elimine edebilecek immobilize biyoreaktörler esas alınmıştır. 
Çalışmanın ilk ana bölümü olan karanlık fermantasyola hidrojen üretiminde öncelikle kullanılacak karışık konsorsiyumda hidrojen üreten mikroorganizmaların baskın hale geçmesi için kesikli reaktörlerde, çeşitli ön işlemler (ısıl işlem, asitleştirme, bazikleştirme, bromoetanosülfonat (BESA), tri-kloroasetik asit (TCl) ve kloroform ekleme) uygulanmış ve kullanılacak konsorsiyum için en uygun ön işlemin ısıl ön işlem olduğuna karar verilmiştir. Ardından sürekli immobilize reaktörlerde hidrojen üretim performansları incelenmiştir. İmmobilizasyon materyalleri olarak seramik top, seramik yüzük ve pomza taşı kullanılmıştır. HRT 24, 12, 6, 3 ve 1.5 saat koşullarında immobilize reaktörler ve bir adet sürekli karıştırmalı tank reaktör (CSTR) işletilmiştir. Hidrojen üretim performansları açısından hacimce 8 kat küçük olan immobilize reaktörlerde CSTR reaktör konfigürasyonuna göre göre 6 kata kadar daha yüksek üretimler gözlenmiştir. 
Çalışmanın ikinci bölümünde dört yeni izolatla sürekli foto-fermantatif hidrojen üretimi immobilize reaktörlerde askıda sistemlerle karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Öncelikle kullanılacak organik asitlerin optimizasyonu kesikli reaktör düzeneklerinde yapılmış, asetat, bütirat, süksinat ve laktatın izolatlar tarafından hidrojen üretimi için başarılı bir şekilde tüketilebildikleri görülmüştür. İzolatların hidrojen üretme potansiyelleri tutuklama (LentiKat®) ve tutundurma (nano gözenekli manyetik parçacıklar) yöntemleri ile hazırlanmış immobilize reaktörlerde askıda reaktörlerle karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Reaktörlerde karanlık fermantasyon çıkış suyunun ana bileşenleri olan asetat ve bütirattan hidrojen üretim performansları HRT 72, 36, 18 ve 9 saat koşullarında askıda reaktör ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Askıda reaktörde HRT 36 saatten itibaren sistemdeki biyokütle yıkanarak uzaklaşmasına rağmen tutuklama yöntemi kullanılan reaktörlerde hidrojen üretiminin HRT 9 saat koşulunda dahi devam ettiği gözlenmiştir.
Sükrozun substrat olarak kullanıldığı iki aşamalı bir hidrojen üretim sisteminde her iki aşamada literatürde ilk defa kullanılan immobilizasyon materyalleri ile, immobilizasyonun, düşük reaktör hacimlerinde çalışılabilmesi, biyokütle konsantrasyonunun yüksek olması, düşük alıkonma zamanlarında çalışabilme, sistem kararlılıklarının ve verimliliklerinin artması gibi önemli avantajlar sağladığı gösterilmiştir.

Abstract:
Among the alternative energy sources, biological hydrogen production is one of the most ecological and economical alternative. Full capacity hydrogen production through biological methods is only possible by combined / sequential use of dark and light dependent fermantation processes. In this study immobilized reactor systems that can eliminate the disadvantages of the suspended systems were studied for both dark and photo-fermentation systems. 
In the first part of the study different pre-treatment methods (heat, acid, base, boromoethanosulfonate (BESA), tri-chloroacetic acid (TCl) and chloroform treatments) were applied to mixed consortium to dominate the hydrogen producing microorganisms in batch reactors. Heat treatment is decided to be the best method for the mixed consortium that will be used in this study. The hydrogen producing performances in continuous immobilized reactors were examined. Ceramic ball, ceramic ring and pumice stone were used as immobilizing materials. Three immobilized reactors and one continuous stirred tank reactor (CSTR) were operated at HRT?s 24, 12, 6, 3 and 1.5 hours. In comparison to CSTR up to 6 fold better hydrogen productions were observed in 8 times smaller reactors. 
In the second part of the study continuous photo-fermentative hydrogen production was observed by using four newly isolated strains in immobilized and suspended reactors. First of all in batch reactors the four isolates were observed to use acetate, butyrate, succinate and lactate succesfully for hydrogen production. The continuous hydrogen production potentials of the isolates were examined in immobilized reactors preapred by entrapment (LentiKat®)  and attachment (nanopored magnetic materials) methods by comparing suspended upflow reactors. In this reactors the main organic acids of the effluent of a dark fermentation reactor, acetate and butyrate were used as carbon sources. The hydrogen production performances were examined at HRTs 72, 36, 18 and 9 h. The biomass were washed out starting from 36 h HRT but the hydrogen production were continued even at 9 h HRT at immobilized reactors by entrapped biomass.
By using sucrose as a carbon source in a two-stage biohydrogen production system immobilization by novel materials could provide many advantages such as; lower bioreactor sizes, higher biomass concentrations even at low HRT conditions, system stability and improvement in system productivities.