Dev kral otu (Pennisetum hybridum) ve kenaf (Hibiscus cannabius L.) biyokütlesinin biyoenerji ilişkili agro-morfolojik ve biyokimyasal karakterizasyonu
Bioenrgy related agro-morphological and biochemicalcharacterisation of giand king grass (Pennisetum hybridum) andkenaf (Hibiscus cannabius L.) biomass
Yazar: SERHAT GÖKPINAR
Danışman: PROF. DR. NAFİZ ÇELİKTAŞ
Hatay Mustafa Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarla Bitkileri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Ziraat = Agriculture
Dizin: Biyoenerji = Bioenergy ; Hibiscus cannabinus = Hibiscus cannabinus ; Kenaf = Kenaf ; Yemler = Feeds

Özet:
Biyokütledeki lignoselülozik yapının farklı dönüşüm teknolojileri ile işlenmesi sonucu endüstriyel amaçlı yenilenebilir enerji üretimi mümkündür. Bu araştırmada Dev kral otu türüne ait "Pariso" ticari çeşidi ile USDA orijnli Kenaf genotiplerinin Amik Ovası koşullarında biyoneerji ilintili agromorfolojik ve biyokimyasal karakterizasyonları yapılmış ve farklı biyokütle çevrim teknolojileri açısından türlerin teorik biyoenerji üretim potansiyelleri ortaya konulmuştur. Dev kral otu plantasyonu, çakılı deneme niteliğinde, kenaf ise Nisan ekimi şeklinde ülkemiz Doğu Akdeniz kıyı bölgesinde tesis edilmiştir. Agromorfolojik ve biyokimyasal analizler, 240 günlük dev kral otu ve 170 günlük yetişme süresine sahip kenaf biyokütleleri üzerinde yapılmıştır. Ortalama bitki boyu dev kral otunda 3.8 m olarak gerçekleşirken, kenaf genotipleri arasında 2.06-2.75 m aralığında değişmiştir. Yaş biyokütle verimi dev kral otunda 204 t ha-1 olarak saptanmış, ortalama %93.8 uçucu katı madde için kuru biyokütle ise 81 t ha-1 olarak belirlenmiştir. Kenaf genotiplerinin biyokütle verimi 9.8-15.4 t ha-1 arasında değişim göstermiştir. Dev kral otu biyokütlesi lignoselülozik yapısı (hemiselüloz, selüloz ve lignin) sırasıyla 278.4 g kg-1, 352.5 g kg-1, 68.7 g kg-1 olarak belirlenmiştir. Kenaf biyokütlesinde ise bu oranlar 415.0-498.0 g kg-1, 20.01-229.0 g kg-1 ve 73.8-97.6 g kg-1 olmuştur. Dev kral otu biyokütlesi biyogaz üretim kapasitesi 10.7072,3 m3 ha-1 olarak belirlenmiş ve bu enerjinin bir gaz reaktöründe 642434,1 kWh enerjiye dönüşebileceği hesaplanmıştır. Kenaf genotipleri için bu değerler 8.929,3 m3 ha-1 ve 53.576,1 kWh ha-1 olmuştur. Dev kral otu biyokütlesi ortalama ısıl değeri (HHV) ve elementel bileşimi, CHNS sırasıyla 16.7 MJ kg-1, %44.3, %6.0, %0.3 ve %0.07 olarak belirlenmiştir. Bu oranlar kenaf genotipleri için 16.37-17.17 MJ kg-1, %41.96-43.96, %5.77-5.80, %39-43 ve %0.073-0.107 arasında saptanmıştır. Birim alandan üretilen toplam HHV dev kral otunda 3363940.6 MJ kg-1 ha-1, kenafta ise 212.659,6 Mj kg-1 ha-1 olarak hesaplanmış, bu ısıl değerin %20 dönüşüm katsayılı bir yanmalı reaktör sisteminde elektrik üretim potansiyeli, sırası ile 67.278,1 kWh ha-1 ve 42.531,9 kWh ha-1 olarak belirlenmiştir. Biyokütlelerin piroliz, enzimatik hidroliz ve fermantasyon işlemleri sonrası dev kral otundan 28425.8 L ha-1 ve kenaftan 1953,4 L ha-1biyoetanol üretebileceği ve bununda bir biyoyakıt reaktöründe sırası ile 185478,3 kWh ha-1 ve 299,3 kWh ha-1 elektrik enerjisine dönüşebileceği varsayılmıştır. Dev kral otu biyokütlesi kaynaklı biyogaz, yanma ve biyoyakıttan üretilen enerjinin, AB yıllık ortalama elektrik enerjisi tüketimine göre sırasıyla 178.4, 186.8 ve 51.5 adet evin yıllık elektrik ihtiyacını karşılamaya yeterli olacağı, bu değerlerin kenaf biyokütlesi kaynaklı olması durumunda 14.8, 11.8 ve 0.083 adet hane olabileceği öngörülmüştür. Araştırma sonuçları, dev kral otu ve kenaf türünün Akdeniz Ekolojik koşullarında, biyoenerji amaçlı yetiştiriciliğinin gayet başarılı olduğunu ve uygun bir biyokütle dönüşüm sisteminde, önemli miktarda biyoenerji üretim potansiyelleri bulunduğu ortaya koymuştur.

Abstract:
For the industrial purposes, renewable bioenergy can be produced as a result of processing of the lignocellulosic structure in biomass with different conversion technologies. In current study, bioenergy-related agromorphological and biochemical characterizations of the commercial variety of Giant king grass "Pariso", and Kenaf genotypes obtained from USDA/ARS has been investigated in Amik Plain. As well, the theoretical bioenergy production potentials of the species for different biomass conversion technologies were revealed also. Giant kinggrass was permanent type plantation which was established two years before, and the kenaf genotypes were planted in the April at the Eastern Mediterranean coastal region of Türkiye in 2019. Agromorphological and biochemical analysis were performed on 240 days old giant king grass and 170-days old kenaf biomass. While the average plant height was 3.8 m in giant king grass, it has ranged between 2.06-2.75 m among the investegated kenaf genotypes. Green biomass yield was determined as 204 t ha-1in giant king grass, and dry biomass was determined as 81 t ha-1.The biomass yield for Kenaf genotypes varied between 9.8-15.4 t ha-1. The lignocellulosic components hemicellulose, cellulose and lignin of giant kinggrass were determined as 278.4 g kg-1, 352.5 g kg-1 and 68.7 g kg-1, respectively. Biogas production of giant kinggrass was determined as 10.7072,3 m3 ha-1 and it was calculated that this product could be converted into 642.434,1 kWh electricity in a gas reactor. These values were actualized as 8,929.3 m3 ha-1 and 53,576.1 kWh ha-1 for Kenaf. The mean calorific value (HHV) and the elemental composition (CHNS) of giant kinggrass, were determined as 16.7 MJ kg-1, 44.3%, 6.0%, 0.3% and 0.07%, respectively. The same parameter rates were found within the range of 16.37-17.17 MJ kg-1, 41.96%-43.96%, 5.77%-5.80%, 39-43% and 0.073-0.107% for the kenaf genotypes, respectively. The total HHV, produced from the unit area was calculated as 3.363.940.6 MJ kg-1 ha-1 for giant king grass biomass and 212.659,6 MJ kg-1 ha-1 for kenaf, and the amount of electricity produced in a combustion reactor system with 20% conversion coefficient, was 67.278,1 kWh ha-1 and 42.531,9 kWh ha-1 respectively. It has been calculated that 28.425.8 L ha-1 bioethanol can be produced from the giant kinggrass and 1.953,4 L ha-1 from kenaf biomass after pyrolysis, enzymatic hydrolysis and fermentation process.It was assumed that produced bioethanol can be converted to electricity in a biofuel reactor with the amount of 185478.3 kWh ha-1 and 299.3 kWh ha-1, respectively. The energy produced from biogas, combustion and biofuel originating from giant kinggrass will be sufficient to meet the annual electricity needs of 178.4, 186.8 and 51.5 houses, respectively, according to the EU annual average electricity consumption. If these values are sourced from kenaf biomass, it was predicted, it will be as 14.8, 11.8 and 0.083 households, respectively. The results of the study showed that the giant king grass and kenaf species have a big potential for bioenergy production in an appropriate biomass conversion system in the Mediterranean ecological conditions.