Dallı darıdan üretilebilecek metan miktarının artırılması için ön işlem ve tavuk gübresi ile ko-fermantasyonunun incelenmesi
Investigation of methaneproducti̇on from switchgrass to increase the amount of methane by co-fermentation
Yazar: HAŞMET EMRE AKMAN
Danışman: PROF. DR. CAN ERTEKİN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Ziraat = Agriculture

Özet:
Gün geçtikçe tükenen fosil kaynaklar, araştırmacıları ve enerji üreticilerini yeni enerji kaynaklarına yöneltmektedir. Aynı zamanda pek çok ülke için fosil yakıtların kullanımı dışa bağımlılık, ithalat giderleri ve çevre sorunları gibi önemli olumsuzlukları da beraberinde getirmektedir. Bu gelişmelerin sonucunda yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi her geçen gün artmakta ve gelişmiş ülkeler bu konuda AR-GE çalışmalarına büyük kaynaklar ayırmaktadırlar.
Bilindiği gibi Türkiye enerji kaynakları açısından büyük ölçüde dışa bağımlıdır. Tüketilen enerjinin %75'i ithal edilmektedir (DB 2016). Bu yüzden enerji kaynağı olabilecek karbon içeriği yüksek enerji bitkileri yetiştiriciliği tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de artmaya başlamıştır. Bu enerji bitkilerinden biri olan dallı darı bitkisi ile ilgili yapılacak çalışmalar, ülkemizin en önemli döviz gideri olan enerji temini sorununun çözümlerinden birisi olması, aynı ürünün enerji yanında ülke hayvancılığı açısından alternatif yem kaynağı imkânlarını da sağlaması bakımından önem taşımaktadır.
Bu doktora tezi kapsamında, dallı darı bitkisinden üretilebilecek biyokimyasal metan potansiyeli miktarını artırmak için termo – kimyasal (Kalsiyum hidroksit-Ca(OH)2, (kireç)) ön işlem prosesinin optimizasyonunun yapılması hedeflenmiştir. Bu amaçla, mühendislik problemlerinin analizi, modellenmesi ve optimizasyonu için kullanılan Cevap Yüzey Yöntemi (CYY) ile termo-kimyasal Ca(OH)2 ön işlem deneyleri planlanmış, ön işlem deneyleri gerçekleştirilmiş, optimum proses koşulları tespit edilmiş ve proses optimizasyonu yapılmıştır. CYY ile planlanan ön işlem prosesinin optimizasyonunun yapılmasında cevap değişkenleri olarak biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) testi sonuçları kullanılmıştır. Cevap değişkeni değerleri kullanılarak termo-kimyasal Ca(OH)2 ön işlem prosesi modellenmiş, maksimum biyokimyasal metan potansiyeli açısından optimum proses koşulları tespit edilmiş ve proses optimizasyon koşullarının doğruluğunun tespit edilmesi için validasyon deneyi yapılmıştır. 
Dallı darı Shawnee çeşidine uygulanan termal-Ca(OH)2 ön işlemin metan üretimi üzerine etkisini tespit edebilmek için termal-Ca(OH)2 ön işlem ile muamele edilen numuneler kullanılarak  56 gün süren BMP testi yapılmıştır. BMP testleri sonucunda elde edilen en yüksek metan miktarı, 100°C reaksiyon sıcaklığı, 16 saat reaksiyon süresi, %0 Ca(OH)2 konsantrasyonu ve %3 KM miktarında 231,41 mLCH4/gUKM olarak tespit edilmiştir. Ön işlem yapılmayan ham dallı darı örneği ile yapılan BMP testi sonucunda bu değer 217,1 mL BMP/gUKM olarak elde edildi. Ön işlem uygulanmış BMP'nin ham dallı darı ile karşılaştırıldığında artışı %6,2 olarak hesaplandı.
Design Expert programı yardımıyla yapılan modelleme işleminde BMP için R2 değeri 0,8572 olarak hesaplanmıştır. Ön işlemin optimizasyonunda maksimum metan üretebilmek için optimum ön işlem koşulları tercih edilmiştir. Bu koşulların 6 saat reaksiyon süresi, %3 katı madde miktarı, %0 Ca(OH)2 konsantrasyonu ve 100°C reaksiyon sıcaklığı olduğu tespit edilmiştir. Bu koşulların validasyon deneyi sonucunda ise %16,51 hata payı ile 248,77 mL BMP/gUKM olarak bulunmuştur. İkinci optimizasyonda ise girdileri minize ederek üretilebilecek maksimum metan miktarı bulunmak istemiş ve bunun için en uygun ön işlem koşulları tespit edilmiştir. Bu koşulların 6 saat reaksiyon süresi, %3 katı madde miktarı, %0 Ca(OH)2 konsantrasyonu ve 53,5°C reaksiyon sıcaklığı olduğu bulunmuştur. Yapılan validasyon deneyi sonucunda %5,52 hata payı ile üretilen metan miktarı 220,5 mL BMP/gUKM olarak bulunmuştur. Ölçülen BMP değerinin hata yüzdesi optimizasyonundaki yüzdeye göre yüksek çıksa da yüzde oranının kabul edilebilir ve modelin kullanılabilir olduğu düşünülmektedir.
Dallı darı ve tavuk gübresi ko-fermantasyonu ile üretilebilecek teorik metan miktarını bulabilmek için Buswell eşitliği kullanılmıştır. Dallı darı ve tavuk gübresinin ko-fermantasyonunda yedi karışım oranı belirlenmiştir. Elementel analiz sonuçlarına göre bu karışım oranları dikkate alınarak teorik BMP değerleri belirlenmiştir. En yüksek teorik BMP değerine (437 mL CH4/g UKM) tavuk gübresinin olmadığı karışımda ulaşılmıştır.
Enerji bitkisi dallı darıya uygulanan termo-kimyasal Ca(OH)2 ön işlem ve anaerobik parçalanma prosesleri ile metan üretiminin zenginleştirilmesinin hedeflendiği bu doktora tezinde, optimum ön işlem proses koşullarının belirlenmesi, literatürde yer alan boşluğun doldurulması ve anaerobik teknolojilerin geliştirilmesine ışık tutulması sağlanmıştır. Ayrıca enerji bitkisi ve tavuk gübresinin ko-fermantasyonu ile biyokimyasal metan üretim miktarının artırılması, atık değerlendirilerek enerji üretilmesi ve her iki atığın ko-fermantasyon prosesinin incelenmesi literatüre katkı olmuştur.

Abstract:
Fossil resources, which are depleted day by day, lead researchers and energy producers to new energy sources. At the same time, the use of fossil fuels for many countries brings them significant disadvantages such as external dependence, import costs and environmental problems. As a result of these developments, the importance of renewable energy sources is increasing and developed countries are devoting great resources to R & D studies in this regard.
As is known, in terms of Turkey is largely dependent on foreign sources of energy. 75% of the energy consumed is imported (DB, 2016). Therefore, high energy crops, as energy sources, have started to increase in our country as well as all over the World. The studies to be carried out on switchgrass plants, is one of the solutions to the problem of energy supply which is the most important foreign exchange expense of our country, and it is important to provide alternative feed source opportunities in terms of animal husbandry in addition to energy of the same product.
Within the scope of this doctoral thesis, it is aimed to optimize the pre-treatment of thermo-chemical (Calcium hydroxide- Ca(OH)2) (lime) process to increase the amount of biochemical methane potential that can be produced from switchgrass plant. For this purpose, thermo-chemical Ca(OH)2 pretreatment assays were performed with the Response Surface Method (RSM) used for the analysis, modeling and optimization of engineering problems. Biochemical methane potential (BMP) test results were used as response variables in the optimization of the pretreatment process planned with RSM. Thermo-chemical Ca(OH)2 pretreatment process was modeled using the response variable values, optimum process conditions were determined for maximum biochemical methane potential and validation test was performed to determine the accuracy of process optimization conditions.
In order to determine the effect of thermal- Ca(OH)2 pretreatment applied to branched Shawnee varieties on methane production, 56-day BMP test was performed by using thermal- Ca(OH)2 pretreated samples. The highest amount of methane obtained as a result of BMP tests was at 100 °C reaction temperature, 16 hours reaction time, 0% Ca(OH)2 concentration and 3% SM amount as 231.41 mLCH4/gVS. As a result of BMP test with crude switchgrass without pretreatment, this value was obtained as 217.1 mL CH4/gVS. After pretreatment BMP increasement was calculated as 6.2% compared to raw switchgrass.
In the modeling process performed with the help of Design Expert program, the value of R2 for BMP was calculated as 0,8572. Optimal pre-treatment conditions were preferred to produce maximum methane in the optimization of pretreatment. These conditions were determined to be 6 hours reaction time, 3% solid matter, 0% Ca(OH)2 concentration and 100 °C reaction temperature. The validation test of these conditions was found as 248.77 mLCH4/gVS with an error of 16.51%. In the second optimization, the maximum amount of methane produced by minimizing the inputs and the most suitable pre-treatment conditions were determined. These conditions were found to be 6 hours reaction time, 3% solid matter, 0% Ca(OH)2 concentration and 53.5 °C reaction temperature. As a result of the validation test, the amount of methane produced with an error of 5.52% was found as 220.5 mL CH4/gVS. Although the percentage of error measured for BMP is higher than the percentage of optimization, it is considered that the this ratio is acceptable and the model is usable.
Buswell equation was used to find the amount of theoretical methane that could be produced by co-fermentation of switchgrass and chicken manure. Seven mixing ratios were determined in the co-fermentation of switchgrass and chicken manure. According to the results of the elemental analysis, theoretical BMP values were determined by considering these mixing ratios. The highest theoretical BMP value (437 mLCH4/gVS) was reached in the mixture without chicken manure.
Thermo-chemical Ca(OH)2 pretreatment and anaerobic digestion processes applied to energy plant switchgrass were aimed to enrich the methane production. In this study, optimum pre-treatment process conditions were determined. In addition, increasing the amount of biochemical methane production by co-fermentation of energy plant and poultry manure, producing energy by evaluating waste and examining the co-fermentation process of both wastes have contributed to the literature.