GAP bölgesindeki yaygın tarımsal endüstriyel atıkların biyohidrojen üretim potansiyellerinin araştırılması ve biyohidrojen üretimi için optimum koşulların belirlenmesi
The study of biohydrogen production potentials of agricultural industrial wastes common on SAP region and the assessment of the optimum conditions for biohydrogen production
Yazar: MUSTAFA GÜMÜŞ
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ASLAN
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Biyokütle = Biomass ; Endüstriyel atıklar = Industrial wastes ; Fermentasyon = Fermentation ; GAP = Southeastern Anatolian Project ; Hidrojen = Hydrogen

Özet:
Bu çalışmada Güneydoğu Anadolu Projesi (GAP) kapsamında bulunan illerin biyokütle kaynakları tespit edilmiş; yüksek biyokütle potansiyeli olan pamuk, fıstık ve nardan açığa çıkan biyokütlelerin hidrojen üretim potansiyelleri araştırılmıştır. Fermantasyon için Adana Anadolu Efes fabrikası anaerobik arıtma tankından alınan aşı çamuru (A1), Şanlıurfa evsel atıksu arıtma tesisi anaerobik arıtma tankından alınan aşı çamuru (A2) ve Düzce Pakmaya maya endüstrisi anaerobik arıtma tankından alınan aşı çamuru (A3) temin edilmiştir. Çalışmada kullanılan olan biyokütle kaynakları ve aşılar için toplam katı madde (TKM), toplam uçucu katı madde (TUKM), kül, toplam karbonhidrat, toplam protein, toplam yağ miktarları hesaplanmış; karbon (C), hidrojen (H), azot (N) ve kükürt (S) için elementel analizler yapılmıştır. Aşı olarak kullanılacak olan karışık kültür kaynakları için Genomik DNA analizleri yapılmıştır. Bu analiz sonucunda aşılarda hidrojen üretiminde kullanılabilecek Bacteroidetes, Chloroflexi, Firmicutes ve Proteobacteria türlerinin baskın olduğu ve bu aşıların hidrojen üretimi için uygulanabilirliği görülmüştür. Aşı kaynaklarına ısıl şok, havalandırma, kimyasal madde ilavesi, asit ve alkali ilavesi ile ön işlemler uygulanarak ön işlemin hidrojen üretimine etkisi araştırılmıştır. Bu işlem sonucunda en yüksek biyogaz miktarı A1 aşısında, alkali ön işlem (%1'lik NaOH) uygulanarak pamuk küspesinden 54.04 ml/g substrat olarak ölçülmüştür. En yüksek biyohidrojen miktarı ise 16.76 ml/g substrat değerinde A1 aşısı ilavesinde alkali (%1 NaOH) ön işlem ile pamuk küspesinden elde edilmiştir. Fermantasyon aşamasında biyokütle konsantrasyonunun etkisini araştırmak için reaktörlere 10 g/L, 20 g/L, 30 g/L, 40 g/L ve 50 g/L olmak üzere beş farklı değerde yükleme yapılmıştır. Biyokütle konsantrasyonunun etkisi incelendiğinde en yüksek biyogaz miktarı 201.4 ml/g substrat değerinde A3 aşısı ile, 50 g/L biyokütle konsantrasyonunda nar kabuklarından elde edilmiştir. En yüksek biyohidrojen miktarı ise 43.22 ml/g substrat değerinde A3 aşısı ile, 50 g/L biyokütle konsantrasyonunda nar kabuklarından elde edilmiştir. pH'ın etkisini belirlemek amacı ile pH 4-8 arasında 5 farklı pH'da çalışılmıştır. En yüksek biyogaz miktarı pH 5'te, A2 aşısı ilavesinde nar kabuklarından 122.8 ml/g substrat olarak ölçülmüştür. En yüksek biyohidrojen miktarı 23.12 ml/g substrat değerinde A3 aşısı ile, pH 6'da nar kabuklarından elde edilmiştir. Sıcaklığın etkisini araştırmak için mezofilik, termofilik ve aşırı termofilik koşullarda çalışılmıştır. En yüksek biyogaz miktarı 55 °C sıcaklıkta, A2 aşısı ilavesinde pamuk atıklarından 62.6 ml/g substrat olarak ölçülmüştür. En yüksek biyohidrojen miktarı ise miktarı 55 °C sıcaklıkta, A2 aşısı ilavesinde pamuk atıklarından 8.16 ml/g substrat olarak elde edilmiştir. Yapılan bu çalışmalar sonucunda fıstık, pamuk ve nardan açığa çıkan biyokütle kaynaklarından en yüksek hidrojen üretim veriminin hangi koşullarda sağlandığı araştırmanın sonunda ortaya konulmuştur.

Abstract:
In this study, biomass sources found in cities covered by SAP (Southeastern Anatolian Project) have been detected; and biomasses emerging from cotton, peanut, and pomegranate, which have high biomass potential, have been researched for their hydrogen production potential. For fermentation the inoculums A1, A2 and A3 were obtained which were respectively taken from the anaerobic treatment tanks of Adana Anadolu Efes Factory (A1), Şanlıurfa Sewage Treatment Facility (A2) and Düzce Pakmaya Yeast Industry (A3). For the biomass sources and inoculums used in the study, quantities of total solid matter (TSM), total volatile solids (TVS), ash, total carbohydrate, total protein, total fat have been calculated and then elemental analyses for carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N) and sulphur (S) have been made. For the mixed cultures used as the inoculum, Genomic DNA analysis has been made. As a conclusion of this analysis, it has been seen that species of Bacteroidetes, Chloroflexi, Firmicutes and Proteobacteria, which can be used in hydrogen production, is dominant in the inoculums and the applicability of these inoculums for hydrogen production has also been observed. The effect of pre-treatment on inoculums on hydrogen production has been examined by applying thermal shock, airing, adding chemicals, acids and alkali to the inoculums. As a result of this process, the highest biogas quantity was measured as 54.04 ml/g substrate from cotton pulp at A1 inoculum with the application of alkali pre-treatment (of %1 NaOH). The highest biohydrogen quantity was obtained as 16.76 ml/g substrate from cotton pulp at A1 inoculum with the application of alkali pre-treatment (of %1 NaOH). To study the effect of biomass concentration, five different loadings (namely 10 g/L, 20 g/L, 30 g/L, 40 g/L and 50 g/L) were applied to the reactor during the fermentation. When the effect of biomass concentration was examined the highest value of biogas (201.4 ml/g substrate) was reached with the A3 inoculum for pomegranate peels of 50 g/L biomass concentration. The highest level of hydrogen (43.22 ml/g substrate) was attained with the A3 inoculum from pomegranate peels of 50 g/L biomass concentration. To determine the impact of pH, 5 different pH values have been worked on. The highest biogas value was measured as 122.8 ml/g substrate through the pomegranate peels with the addition of A2 inoculum when pH was 5. The highest biohydrogen value obtained as 23.12 ml/g substrate through the pomegranate peels with the addition of A3 inoculum when pH was 6. To study the effect of temperature, the works have been done in mesophilic, thermophilic and extremely thermophilic conditions. The highest biomass quantity was measured to be 62,6 ml/g substrate from cotton waste with A2 inoculum addition at 55 °C. The highest biohydrogen amount was measured as 8,16 ml/g substrate from cotton waste with A2 inoculum addition at 55 °C. As a result of the studies, the conditions to obtain the highest hydrogen production efficiency for the biomass sources emerging from peanut, cotton and pomegranate have been shown at the end of the research.