Hayvan gübresi ve ko-ferment olarak biyodizel üretim atık karışımının laboratuvar ölçekli anaerobik reaktörde biyogaza dönüştürülebilme koşullarının araştırılması
Investigation of biogas performance of mixing biodiesel waste product (raw glycerine) into animal manure in laboratory scale anaerobic reactors
Yazar: ZEHRA BETÜL PEKERGİN
Danışman: PROF. DR. MEHMET EMİN ARGUN
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Anaerobik reaktörler = Anaerobic reactors ; Biyokütle enerjisi = Biomass energy ; Deneysel analiz = Experimental analysis ; Endüstriyel atıklar = Industrial wastes ; Hayvansal atıklar = Animal wastes ; Kızartma yağı = Frying oil ; Mikrobiyal fermentasyon = Microbial fermentation ; Organik atıklar = Organic wastes ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Çok değişkenli varyans analizi = Multivariate variance analysis

Özet:
Bu tez çalışmasında, biyodizel endüstrisinin başlıca yan ürünü olan ham gliserinin, hayvan gübresi ile birlikte eş sindirimini etkileyen faktörler ve anaerobik ortamda biyogaz ve metan üretimine etkileri incelenmiştir.

Konvansiyonel biyogaz üretiminde sığır gübresinin yaygın kullanılması nedeniyle besi yeri olarak seçilmiş ve atık bitkisel yağ kökenli gliserin eşbesiyeri olarak kullanılmıştır.

Tez kapsamında iki ana bölümde çalışma yürütülmüştür. Birinci bölümde kesikli beslemeli (batch) anaerobik reaktörlerde gliserin/gübre oranı, inkübasyon süresi ve sıcaklık faktörleri gibi değişkenlerin farklı aralıklarda değiştirilmesi ile biyogaz ve metan verimindeki etkileri optimize edilmiştir. Elde edilen verilerin yüzey yanıt metodolojisi (RSM) ile varyans analizi (ANOVA) istatistikleri, değişkenlerin sonuçlar üzerine etkilerinin anlamlılığı ve hedef değerler için optimum koşullar belirlenmiştir. Buna göre, gliserinin eşbesiyeri olarak kullanıldığı anaerobik fermeantasyon sürecinde biyogaz üretimi üzerinde en önemli ve anlamlı değişkenin gliserin/gübre oranı olduğu belirlenmiştir. Kullanılacak gliserin miktarının ve oluşacak biyogaz miktarının yüksek olması, sıcaklık ve inkübasyon süresinin düşük olması hedefleri belirlendiğinde optimum biyogaz ve metan oluşumu için gliserin/gübre oranı, sıcaklık ve inkübasyon süresi değerleri sırasıyla %4.5 (v/v), 34oC ve 18 gün olarak hesaplanmıştır.

İkinci bölümde ise, optimum işletme şartlarının sürekli beslemeli tam karışımlı reaktörde farklı organik yük hızı değerlerinde biyogaz ve metan gazı verimine etkisi araştırılmıştır.

Sürekli beslemeli tam karışımlı reaktörde %2 gliserin ilavesi (OLR 1.5 gUKM/L.gün ), kontrol grubuna (OLR 2.2 gUKM/L.gün) göre, metan veriminde %11, biyogazda %104 ve metan üretiminde de %128 kat artış sağlamıştır.

Gliserin oranının hacimce %6'yı geçmesi sistemin kararlılığı üzerinde negatif etkiye sebep olmaktadır. Gliserin ilavesi %10 olduğunda sistem stabilitesi ve performansı oldukça düşmektedir. Günlük gliserin konsantrasyonu 2.6 g/L.gün (OLR 2.9 gUKM/L.gün)  ve üzerindeki değerlerde metanojenik bakteriler inhibe olmuş ve sistem çökmüştür.

Anahtar Kelimeler: Anaerobik fermantasyon, Atık bitkisel yağ, Biyogaz, EĢsindirim, Gliserin, Optimizasyon

Abstract:
This dissertation includes research on increasing biogas and methane production yield by co-digestion of raw glycerine, which is the main by-product of biodiesel industry, with animal manure by anaerobic fermentation. Due to the widespread use of cattle manure in conventional biogas production, it has been selected as a base of feed and used as waste vegetable oil-derived glycerin as a co-ferment.

Within the scope of the thesis, the study has been carried out in two main sections. In the first part, batch feed anaerobic reactor experiments were carried out in order to determine the operating conditions of the use of crude glycerine as an co-ferment in conventional biogas production process.   

Variance analysis (ANOVA) statistics, response surface methodology (RSM), significance of effects of variables on results and optimum conditions for target values were determined. In anaerobic fermentation process, glycerin / fertilizer ratio is considered as the most important limiting factor for production parameters and methane production. Glycerin / fertilizer ratio, temperature and incubation time values were calculated as 4.5% (v/v), 34oC and 18 days for optimum biogas and methane values  when the targets have selected as high biogas yield, high glycerine amount, low temperature and incubation time.

In the second part, the effect of optimum operating conditions on biogas and methane gas yield at different organic load values (OLR) in continuous stirred tank reactor (CSTR) was investigated. The addition of 2% glycerin (OLR 1.5 gVFA/L.day) resulted in a 11% increase in methane yield, 104% in biogas and 128% in methane production compared to the control group (OLR 2.2 gVFA/L.day). If this parameter exceeds 6% by volume, it has a negative effect on the stability of the system. When the amount of glycerin is 10%, the system stability and performance is considerably reduced. Methanogenic bacteria were inhibited at a daily glycerin concentration of 2.6 g/L.day (OLR 2.9 gVFA/L.day) and the system failed.

Keywords: Anaerobic fermentation, Biogas, Co-fermentation, Glycerin, Optimization, Waste vegetable oil