Birleştirilmiş alkali ve termal ön arıtım yöntemlerinin lignoselülozik atıkların anaerobik parçalanabilirliği üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of effects of combined alkaline and thermal pretreatment methods on anaerobic digestibility of lignocellulosic wastes
Yazar: ÜMMİHAN GÜNERHAN
Danışman: YRD. DOÇ. ALTUNAY PERENDECİ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında; anaerobik parçalanma prosesinde kullanılacak olan etkin substrat miktarını arttırarak anaerobik parçalanma sonrasında üretilen biyogaz miktarının arttırılması ve parçalanma süresinin kısaltılabilmesi için anaerobik parçalanmanın zenginleştirileceği termal-NaOH ön arıtım yöntemi ayrıntılı olarak değerlendirilmiştir. Bu kapsamda termal-NaOH ön arıtım prosesi için optimum koşulların saptanması amacıyla proses optimizasyonu yapılmış, termal-NaOH ön arıtımla muamele edilen sera atıklarının biyokimyasal metan potansiyelleri tespit edilmiş ve termal-ön arıtımın lignoselülozik yapıda oluşturduğu değişimler incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda Antalya ili yerel üreticilerden sağlanan sera atıkları kullanılmış ve sera atıkları karışım numunesinin karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Toplam %40,85 selüloz ile hemiselüloz ve %34,16 karbon içeriği ile sera atıkları karışım numunesinin biyogaz üretimi açısından uygun lignoselülozik biyokütle kaynağı olduğu tespit edilmiştir.Birleştirilmiş termal-NaOH ön arıtım prosesi seçilen bağımsız değişkenlerin, bağımlı değişkenler üzerindeki etkileri yoluyla incelenmiştir. Birleştirilmiş termal-NaOH ön arıtım prosesi üzerinde etkisi olabilecek bağımsız değişkenler; reaksiyon sıcaklığı, reaksiyon süresi, NaOH konsantrasyonu ve karıştırma hızı olarak belirlenmiştir. İncelenen bağımlı değişkenler ise çKOİ konsantrasyonu, çİndirgen şeker konsantrasyonu ve BMP'dir. Bağımsız değişkenlerin bağımlı değişkenler üzerindeki etkisinin incelenmesinde istatistiksel cevap yüzey yöntemi (CYY) içerisinde yer alan merkezi kompozit tasarım (MKT) metodu kullanılmıştır. Design Expert® 8.0.0 paket programı kullanılarak MKT ön arıtım deneyleri planlanmış ve önerilen MKT ön arıtım denemeleri yapılmış, çKOİ, çİndirgen şeker ve BMP için modeller kurulmuş ve modellerin geçerlilikleri ANOVA testi ile incelenmiştir. çKOİ, çİndirgen şeker ve BMP modellerine ait regresyon katsayıları sırasıyla 0,9497, 0,9967 ve 0,9083 olarak hesaplanmıştır. Birleştirilmiş ön arıtım denemeleri sonucunda BMP cevap değişkeni üzerinde; reaksiyon süresi, karıştırma hızı, ve reaksiyon sıcaklığının pozitif yönlü, NaOH konsantrasyonunun ise negatif yönlü etkisi olduğu tespit edilmiştir.Belirlenen faktör seviyelerinde ön arıtım proses optimizasyon önerileri proses maliyeti ve maksimum BMP kriterleri dikkate alınarak yapılmıştır. Optimizasyon önerilerine ait validasyon deneyleri yoluyla modellerin kısıtlamaları tespit edilmiştir. Optimizasyon önerilerinde çKOİ ve çİndirgen şekerin birlikte optimizasyonu yapılırken, BMP optimizasyonunda üç yaklaşım (BMP, çKOİ + çİndirgen şeker + BMP ve çİndirgen şeker + BMP) kullanılmıştır. çKOİ ve çİndirgen şekerin birlikte optimizasyonunda proses ekonomisi açısından; bağımsız değişkenlerden reaksiyon sıcaklığı, NaOH konsantrasyonu ve reaksiyon süresi minimize edilmiş, karıştırma hızı ise aralıkta bırakılmıştır. Bu optimizasyonda çKOİ ve çİndirgen şeker üretimi maksimize edilmiştir. çKOİ ve çİndirgen şeker konsantrasyonu için yapılan optimizasyon sonucunda ön arıtım proses koşulları (%0,67 NaOH - 65,3°C - 1 saat- 500 rpm) belirlenmiş ve yapılan validasyon deneyi sonucunda çKOİ ve çİndirgen şeker değerleri sırasıyla 711,95 mgKOİ/gUKM ve 235,76 mgŞeker/gUKM olarak ölçülmüştür. Bu ön arıtım koşullarında muamele edilen numune BMP'si ham numune BMP'sinden %34,97 fazla hesaplanmıştır.BMP optimizasyonunda seçilen üç yaklaşım (BMP, çKOİ + çİndirgen şeker + BMP ve çİndirgen şeker + BMP) için BMP miktarının arttırılması ve proses ekonomisi göz önüne alınarak; bağımsız değişkenlerden NaOH konsantrasyonu ve reaksiyon süresi minimize edilmiş, reaksiyon sıcaklığı ve karıştırma hızı ise hem minimize edilmiş hem de aralıkta bırakılmıştır. Yapılan optimizasyon önerileri sonucunda ön arıtım proses koşulları belirlenmiş, validasyon deneylerinin sonucunda ham numune BMP'sine göre elde edilen artışlar %29,12 (60°C - %0 NaOH - 1 saat ? 0 rpm), %3,42 (100°C - %0 NaOH - 1 saat ? 0 rpm), %38,03 (70,98°C - %0,23 NaOH - 1 saat ? 0 rpm) ve %19,41 (84,85°C - %0 NaOH - 1 saat ? 0 rpm) olarak tespit edilmiştir.

Abstract:
In this thesis; thermal-NaOH pretreatment method was evaulated in detail to enhance anaerobic digestion for increasing the biogas amount and decreasing the digestion time by increasing the effective substrate amount which would be used in anaerobic digestion proses. In this context the process has been optimized, the pretreated greenhouse residues biochemical methane potential have been measured and the changes on lignocellulosic structure which are caused by thermal-pretreatment have been evaluated with the aim of determining the optimum conditions for thermal-NaOH pretreatment. In these experimental studies greenhouse residues obtained from Antalya province had been used and mixture sample of these greenhouse residues were characterized. Greenhouse residues mixture sample has been evaluated suitable as a lignocellulosic biomass source for biogas production with the content of 40.85% total cellulose and hemicellulose and 34.16% carbon.Combined thermal-NaOH pretreatment has been evaluated by the effect of selected independent variables on dependent variables. The independent variables which may have an effect on combined thermal-NaOH Pretreatment process have been determined as reaction temperature, reaction time, NaOH concentration and mixing speed. Determined dependent variables were sCOD concentration, sReducing sugar concentration and BMP. For the determination of the effect of independent variables on dependent variables, central composite design (CCD) method which takes places in statistical response surface method (RSM) has been used. CCD pretreatment experiments have been planned, suggested CCD pretreatment trials have been done, sCOD, sReducing sugar and BMP models have been set and the validity of these models have been tested by ANOVA in Design Expert software. The regression coefficients of sCOD, sReducing sugar and BMP models are 0.9497, 0.9967 and 0.9083, respectively. As a result to combined pretreatment experiments, it is found out that reaction time, mixing speed and reaction temperature have positive effect and NaOH concentration has a negative effect on BMP response variable.In determined factor levels, the optimization conditions of pretreatment process have been suggested by taking process economy and maximum BMP into account. The limitations of models have been determined by validation experiments. While sCOD and sReducing sugar were optimized together in optimization suggestions, three approaches (BMP, sCOD+sReducing sugar+BMP and sReducing sugar+BMP) were used in BMP optimization. In sCOD and sReducing sugar optimization, independent variables (reaction temperature, NaOH concentration and reaction time) were minimized and the other independent variable, mixing speed, was chosen in range for the benefit of process economy. In this optimization, sCOD and sReducing sugar production has been maximized. As a result of the optimization for the concentration of sCOD and sReducing sugar, the pretreatment process conditions (0.67% NaOH - 65.3°C ? 1 hour ? 500rpm) were selected and by validation experiments sCOD and sReducing sugar were mesuared under these conditions, respectively as 711.95 mg COD/gVS and 235.76 mg sugar/gVS. The pretreated samples? BMP were 34.97% higher than raw samples? BMP. In three approaches of BMP optimization (BMP, sCOD+sReducing sugar+BMP and sReducing sugar+BMP) NaOH concentration and reaction time were minimized and reaction temperature and mixing speed both minimized and left in range by taking proces economy and BMP amount increase into consideration. As the results of optimization suggestions, the pretreatment process conditions were determined. According to the results of validation experiments, the increases in BMP compared to raw sample BMP were determined as 29.12% (60°C - 0% NaOH - 1 hour ? 0 rpm), 3.42% (100°C - 0% NaOH - 1 hour ? 0 rpm), 38.03% (70.98°C ? 0.23%NaOH - 1 hour ? 0 rpm) and 19.41% (84.85°C - 0% NaOH - 1 hour ? 0 rpm).