Lignoselülozik atıklardan biyogaz üretiminin nanopartikül destekli rumen ön işlemi ile artırılması
Increasing biogas production from lignocellulosic wastes by nanoparticle assisted rumen pretreatment
Yazar: GÖKCE KARA
Danışman: PROF. DR. AHMET DEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Atıklar = Wastes ; Biyogaz = Biogas ; Lignoselüloz = Lignocellulose ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Rumen = Rumen ; Ön işlem = Pretreatment

Özet:
Ülkemiz ekonomisinde tarım sektörünün önemli bir yere sahip olmasından dolayı büyük miktarlarda tarımsal atık oluşumu gözlenmektedir. Tarımsal atıklar, organik ve lignoselülozik yapıya sahip olup büyük enerji potansiyeline sahiptir. Ancak lignoselülozik biyokütleden biyoenerji üretimi; selüloz, hemiselüloz, lignin içeren lignoselülozik biyokütlenin kompleks yapısı nedeniyle zordur. Biyoenerji üretiminden önce lignoselüloz hidrolizini sağlayacak bir fiziksel, kimyasal veya biyolojik ön işlem gereklidir. Biyolojik ön işlem, diğer ön arıtma metotlarının aksine çevre dostu ve ekonomik olmasıyla öne çıkmaktadır. Ruminant hayvanların midelerindeki; bakteri, mantar, protozoadan oluşan rumen mikroorganizmaları lignoselülozu biyolojik olarak parçalamaktadır. Bu tez çalışmasında lignoselülozik atıklar, rumen mikroorganizmaları kullanılarak biyolojik ön işlemden geçirilip lignoselülozik bileşenlerinin ayrılması amaçlanmıştır. Reaktörlerin bekletme süreleri ve substrat/mikroorganizma oranları değiştirilerek, Yanıt Yüzey Yöntemi ile optimizasyonları yapıldı. Hidrolizin sağlandığı optimum şartlar belirlenmiştir. pH değişimi, gaz oluşumu, toplam şeker konsantrasyonundaki artış ölçülerek değişken parametrelerin etkisi incelenmiştir. Optimizasyon sonrasında en uygun parametreler 3 mL rumen sıvısı ve 4-8 gün arasında ön işlem süresi olarak belirlenerek rumen ve nanopartikülün birlikte kullanıldığı ön işlem aşamasına geçilmiştir. Rumen ön işlemi için yapılan ölçümler tekrarlandı, yüksek şeker verimi gösteren reaktörler belirlenmiştir. Rumen ön işleminde şeker verimi, biyogaz üretimi ve metan içeriği açısından en yüksek verim sırasıyla %37 artış, 211 mL biyogaz ve %58 metan içeriği ile 1 mL rumen sıvısıyla 8 gün ön işlemi yapılan Reaktör 6'da gözlenmiştir. Rumen ve nanopartikül ön işleminde en yüksek şeker artışı %49 ile 5 mg nanopartikül içerip 6 gün ön işlemde tutulan Reaktör 10'da gözlenmiştir. Biyogaz üretimi ve metan içeriği açısındansa en yüksek değerlere 8 gün 5 mg nanopartikül ile ön işlemi yapılan Reaktör 6, 267 mL biyogaz ve %59,5 metan ile ulaşmıştır. Nanopartikül ilavesinin ön işleme katkısı olduğu sonucuna varılmıştır. Ancak, şeker oluşumunu artırsa da yüksek miktarda (̴20 mg) nanopartikül ilavesinin biyogaz üretimini negatif etkilediği görülmüştür. Rumen mikroorganizmaları ve nanopartiküllerin başka lignoselülozik atıkların ön işleminde kullanılarak biyoyakıt üretimleri üzerindeki etkisinin incelenmesi önerilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Lignoselülozik atık, biyolojik ön işlem, nanopartikül, rumen, biyogaz

Abstract:
The formation of agricultural wastes is observed with large extent, since agricultural sector has an important place in economy of our country. Agricultural wastes have organic and lignocellulosic structure with great energy potential. However, bioenergy production from lignocellulosic biomass is difficult due to complex structure of lignocellulosic biomass containing cellulose, hemicellulose, lignin. Physical, chemical or biological pretreatment is required to hydrolyze lignocellulose before bioenergy production. Biological pretreatment stands out with its environmentally friendly and economical properties. Rumen microorganisms consisting of bacteria, fungi, protozoa are found in the stomachs of ruminant animals, can hydrolyze lignocellulose biologically. Lignocellulosic wastes were subjected to rumen pretreatment. By changing retention times and substrate/microorganism ratios of reactors, optimizations were made according to Response Surface Method and optimum conditions for hydrolysis were determined. Effects of variable parameters were investigated by pH change, gas formation and total sugar concentration. Optimal parameters were determined as 3 mL rumen fluid and pretreatment time between 4-8 days. Reactors showing the highest sugar yield were determined. In rumen pretreatment, the highest yield in sugar, biogas production and methane was observed in Reactor 6 (8 days, 1 mL of rumen liquid) with an increase of 37%, 211 mL biogas and 58% methane, respectively. The highest increase in sugar yield in rumen and nanoparticle pretreatment was observed with 49% in Reactor 10 (6 days, 5 mg nanoparticles). Reactor 6 (8 days, 5 mg nanoparticles) reached the highest values with 267 mL biogas and 59.5% methane. It was concluded that addition of nanoparticles contributed positively to rumen pretreatment. However, although it increased sugar formation, it was observed that addition of high amount of nanoparticles (̴20 mg) negatively affected biogas production. It has been proposed to examine effect of rumen and nanoparticles on biofuel productions in pretreatment of other lignocellulosic wastes.

Keywords: Lignocellulosic waste, biological pretreatment, nanoparticle, rumen, biogas