İki aşamalı reaktör sistemlerinde peynir altı suyundan biyohidrojen üretimi
Biohydrogen production from cheese whey in two stage reactor systems
Yazar: FATOŞ TUBA ÇETİNKAYA DOKGÖZ
Danışman: PROF. DR. NURİ AZBAR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Alternatif enerji kaynakları arasında, karbonhidrat içeren atıklardan hidrojen üretimi, gelecek vaat etmektedir. Peynir altı suyu (PAS), peynir yapımı esnasında oluşan ve atık olarak alıcı ortamlara deşarj edilen bir yan üründür. Bu çalışmada, PAS'ın enerji (hidrojen) formunda geri kazanımı hedeflenmiştir. Bu amaç doğrultusunda, karanlık fermentasyon, foto-fermentasyon ve karanlık-foto fermentasyonların ardışıklı olarak kullanıldığı iki aşamalı sistem bu çalışmada kullanılmıştır.Karanlık fermentasyon için uygun inokulum tipi (saf Clostridium türleri, floklu ve granüller karışık konsorsiyum), mezofilik ve termofilik koşullar altında kesikli fermentasyon denemeleri ile araştırılmıştır. pH 7,0'da Clostridium butyricum (NRRL B-1024) ve Clostridium pasteurianum (NRRL B-598) ko-kültüre edilmesi ile 101,4 ml H2/ g KOİgiriş (3,9 mol H2 / mol laktozkullanılan) hidrojen üretim verimi elde edilmiştir. Termofilik C. thermolacticum (DSMZ-DSM 2911) saf suşu, PAS'tan hidrojen üretimi için efektif bulunmamıştır. ). Fakültatif anaerob K. pneumoniae (Ege Üniversitesi, Eczacılık fakültesi) ve termal ön işlemden geçirilmiş karışık konsorsiyumun aşılı, farklı substrat tipleri ve konsantrasyonları karşılaştırmalı olarak kullanıldığı kesikli hidrojen denemelerinde; termal ön işlemden geçirilmiş karışık konsorsiyum için 0,8 mol H2/ mol TŞkullanılan olarak 30 g TŞ / L peynir altı suyu tozunda ve K. pneumoniae için 0,9 mol H2 / mol TŞkullanılan olarak 10 g TŞ / L peynir altı suyu tozu sükroz konsantrasyonlarında en yüksek hidrojen üretim verimleri elde edilmiştir.Granüller biyomas aşı kaynağı olarak kullanılarak farklı başlangıç pH'larının hidrojen üretimi üzerine etkisi, mezofilik ve termofilik koşullar altında incelenmiştir. En yüksek hidrojen üretim verimi mezofilik şartlar için pH 6,5, termofilik şartlar için pH 4,5'te elde edilmiştir. PAS'tan hidrojen üretimi için uygun bazal ortam kompozisyonu, CoCl2: 1,25-2,5 mg/L; NiCl2: 1,25-2,5 mg/L; ZnCl2: 1,25-2,5 mg/L; CaCl2: 250-500 mg/L; MgCl2: 50-100 mg/L; MnCl2: 2,5-5 mg/L; FeCl2: 50-100 mg/L; maya özütü: 125-250 mg/L; L-sistein: 125-250 mg/L; K/N oranı: 30-40 olarak belirlenmiştir. Sürekli karanlık fermentasyon denemeleri, mezofilik ve termofilik şartlar altında askıda büyüme sistemleri (CTSR) ile araştırılmıştır. Sürekli denemelerde, hidrolik alıkonma süreleri (HAS: 0,5 gün, 1 gün, 2 gün ve 3,5 gün) ve substrat konsantrasyonu (HAZ sabit 1 gün; OYH 45- 21 g KOİ / L / gün) araştırılmıştır. HAS 2 gün, substrat konsantrasyonu 30 g KOİ / L, pH 5,5, en iyi işletim şartları olarak belirlenmiştir. Termofilik sürekli denemelerde karışık konsorsiyum içersindeki bakteriyel komünite moleküler tetkikler ile tanımlanmıştır ve termofilik karışık konsorsiyum içerisinde Thermoanaerobacterium bacterium baskın bakteriyel popülasyon olarak tespit edilmiştir.İkinci aşama foto-fermentasyon denemelerinde, Rhodobacter capsulatus (DSMZ-DSM 1017), R. sphaeroides (DSMZ-DSM 9484) ve Rhodopseudomonas palustris (DSMZ-DSM 127) saf türleri kullanılmıştır. Bu suşlardan hidrojen üretimi için laktat, asetik asit, malik asit ve bu organik asitlerin karışımını içeren sentetik hidrojen üretim ortamları ile bir dizi kesikli deneme yapılmıştır. T: 55 °C, OYH: 30 g KOİ / L / gün, HAS: 24 saat ve pH: 5,5 işletme koşullarına sahip termofilik asidojenik reaktörün (CSTR), çıkış suları toplanarak, ham, 1/2, 1/5 ve 1/ 10 oranında seyreltilerek, saf fotosentetik bakteri türleri için uygun organik asit konsantrasyonu belirlenmeye çalışılmıştır. Ayrıca, bu çıkış sularına değişik oranlarda malat ilavesi ile hidrojen üretim verimi arttırılmaya çalışılmıştır. Rhodobacter türlerinde, seyreltme etkisi ve malat ilavesi ile farklı hidrojen üretim verimleri elde edilmiştir. Ham karanlık fermentasyon çıkış suyu substrat inhibisyonundan dolayı, foto-fermentasyon için uygun bulunmamıştır. PAS'tan hidrojen üretim verimi termofilik karanlık fermentasyon için ortalama 360 ml H2 / g KOİgiriş iken, iki-aşamalı sistemin kullanılması ile 775 ml H2 / g KOİ (R. sphaeroides) ve 706 ml H2 / g KOİ (R. palustris) üretim verimine ulaşmıştır. Ayrıca, Poli-ß-hidroksibütirat (PHB) ve karotenoid ölçümleri yapılarak, hidrojen üretimi ile ilişkileri araştırılmıştır ve hidrojen üretimini etkilediği tespit edilmiştir. Bu fotosentetik bakteriler ile yarı sürekli hidrojen üretimi denemeleri askıda büyüme sistemleri ile panel ve kolon tipi reaktörlerde araştırılmıştır ve 5 - 50 ml H2/L/ gün kümülatif hidrojen oluşumu elde edilmiştir.

Abstract:
Among the alternative energy sources, use of waste biomass for hydrogen production draws significant attention. Cheese whey (CW) is a by-product of cheese production and in most cases it is considered as wastewater and dumped into common sewerage. In this study, it is aimed to produce a value added product from CW in the form of energy (H2). To achieve this objective, two stage systems, which is the sequential dark and photo-fermentation, was used.Inoculum type (pure Clostridium species, flock and granular type biomass) suitable for dark fermentation was investigated via batch fermentation experiments under mesophilic and thermophilic conditions. The maximum hydrogen production yield 101,4 ml H2 / g CODadded (3,9 mol H2 / mol lactoseconsumed) was obtained by using co-culture of Clostridium butyricum (NRRL B-1024) and Clostridium pasteurianum (NRRL B-598). It was found that, pure culture of thermophilic C. thermolacticum (DSMZ-DSM 2911) was not efficient for hydrogen production from CW. Facultative anaerobic K. pneumoniae (Ege University, Department of Pharmacy) and heat pre-treated mix culture inoculated batch hydrogen experiments were investigated comparatively in different substrates types and concentrations. The highest hydrogen production yields were 0,8 mol H2 / mol TSconsumed at 30 g/L CW for pre-heat treated mix culture and 0,9 mol H2 / mol TSconsumed at 10 g/L CWP and 10 g/L sucrose for K. pneumoniae. The effect of initial pH on hydrogen production from CW was examined by using granular type biomass under mesophilic and thermophilic conditions. The highest hydrogen production yield was obtained at pH 6,5 for mesophilic and at pH 4,5 for thermophilic conditions. The suitable basal medium composition for hydrogen production from CW was determined as follows: CoCl2: 1,25-2,5 mg/L; NiCl2: 1,25-2,5 mg/L; ZnCl2: 1,25-2,5 mg/L; CaCl2: 250-500 mg/L; MgCl2: 50-100 mg/L; MnCl2: 2.5-5 mg/L; FeCl2: 50-100 mg/L; yeast extract: 125-250 mg/L; L-cystein: 125-250 mg/L and C/N ratio 30-40. Continuous dark fermentation experiments were performed with suspended systems (CSTR) under mesophilic and thermophilic conditions. In continuous experiments, hydraulic retention time (HRT: 0,5 day, 1 day, 2 day and 3,5 day) and substrate concentration (HRT 1 day; OLR 45-21 g COD/ L / day) was investigated. At HRT 2 day, substrate concentration 30 g COD/ L and pH 5,5 were determined as optimum operational parameters. Bacterial community in thermophilic continuous reactor was identified via molecular techniques. The dominant species in mix consortium was determined as Thermoanaerobacterium bacterium.In photo-fermentation which is the second stage of the experiments, pure cultures of Rhodobacter capsulatus (DSM 1017), Rhodobacter sphaeroides (DSM 9484) and Rhodopseudomonas palustris (DSM 127) were used. For hydrogen production with these strains, synthetic hydrogen production mediums with lactate, acetic acid, malic acid and mix of these organic acids were studied by a series of batch studies. Effluent from thermophilic asidogenic reactor with operating parameters T: 55,0 °C, OYH: 30 g COD / L / day, HRT: 24 hour and pH: 5,5 was collected and used as raw and diluted with tap water with ratios of 1/2, 1/5, and 1/10, respectively to determine suitable organic acid concentration for pure photosynthetic bacteria. Besides, proportional addition of malate into these effluents to enhance hydrogen production yield was investigated. Hydrogen production yields changed depending on dilution ratios and malate addition. Effluent of dark fermentation without dilution was not found suitable for hydrogen production for second stage photo-fermentation, because of substrate inhibition. The total hydrogen yield from CW increased from the 360 ml H2 / g COD in dark-fermentation to 775 ml H2 / g COD (R. sphaeroides) and 706 ml H2 / g COD (R. palustris) by using the two-step process Poly- ? -hydroxyl-butyrate (PHB) and carotenoid measurements were carried out to determine correlation between PHB and carotenoid and hydrogen production. In addition, semi-continuous hydrogen production experiments were done using photo fermentative bacteria in flat and column type reactors and quite low cumulative hydrogen formation were obtained as 5 - 50 ml H2 / L /day.