Lignoselülozik biyokütleden ön arıtımla kombine biyoetanol ve metan üretim proseslerinin geliştirilmesi
Development of Bioethanol and Methane Production Processes Combined with Pretreatment from Lignocellulosic Biomass
Yazar: ELÇİN KÖKDEMİR ÜNŞAR
Danışman: PROF. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu doktora tez çalışması ile dallı darı enerji bitkisinden iki farklı ön arıtma yöntemi ile kombine etanol ve metan üretim yöntemi geliştirilmesi ve bu yöntemlerin optimize edilerek yaşam döngüsü analizi ile çevresel etkileri açısından değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu sayede, ülkemize adaptasyonu sağlanmış, gıda kaynakları ile rekabet etmeyen ve marjinal topraklarda yetiştirilebilme özelliği nedeniyle arazi kullanımı değişikliğine yol açmayan dallı darı bitkisinden yenilenebilir biyoyakıt üretilmesi hedeflenmiştir.
Çalışma amacı kapsamında, üç hasat dönemi süresince izlenen Kanlow çeşidi dallı darının detaylı ve karşılaştırmalı karaktarizasyon analizleri yapılmış ve çok yıllık bitkinin lignoselülozik yapısına ait detaylar tespit edilmiştir. Dallı darının etanol potansiyeline ulaşmasını zorlaştıran lignoselülozik yapısını bozmak üzere termokimyasal termal – NaOH ön arıtma yöntemi ve fizikokimyasal NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon ön arıtma yöntemleri seçilmiştir. Lignoselülozik materyalden biyoyakıt üretimideki etkileri son derece kısıtlı çalışma ile araştırılmış bu iki ön arıtma yönteminin dallı darının biyoyakıt potansiyeli üzerindeki etkileri optimize edilmiştir. 
Optimizasyon için ön arıtma yöntemlerinde kullanılacak bağımsız değişkenler ve bunlara ait aralıklar ile cevap değişkenleri belirlenmiştir. Belirlenen bağımsız değişkenler ve aralıkları kullanılarak cevap yüzey yöntemi, merkezi kompozit tasarım yöntemi ile deney dizaynı yapılmıştır. Deney dizaynının yapılmasında Desing Expert® yazılımı kullanılmıştır. Termal – NaOH ön arıtma yöntemi için; katı madde konsantrasyonu, NaOH konsantrasyonu, reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon süresi bağımsız değişkenler olarak belirlenmiştir. NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon ön arıtma yöntemi için ise NaOH konsantrasyonu ve reaksiyon süresi bağımsız değişkenler olarak seçilmiştir. Her bir bağımsız değişken için seçilen aralıklarda koşullar deney dizaynı tarafından önerilmiş ve önerilen koşullarda ön arıtma deneyleri iki farklı ön arıtma yöntemi için ayrı ayrı yapılmıştır. Ön arıtma deneylerinin sonuçları ve ardından yapılan etanol fermantasyonu ile biyokimyasal metan potansiyeli testlerinin sonuçları cevap değişkenleri olarak yazılıma işlenmiş ve her bir cevap değişkeni için bu sonuçlar kullanılarak tahmin modelleri oluşturulmuştur. Modellerin tahmin güçlerinin belirlenmesi için ANOVA testi yapılmıştır. Tezin amacına uygun olarak cevap değişkenlerinden olan etanol ve metan üretim miktarlarının maksimize edilmesi için iki farklı yaklaşım çerçevesinde optimizasyonlar yapılmıştır. Optimizasyon için kullanılan yaklaşımlardan biri yalnızca biyoyakıt üretim miktarının maksimize edilmesi, diğeri ise biyoyakıt üretim miktarı maksimize edilirken proses maliyetinin de minimize edilmesidir.
Ön arıtma uygulanan numunelerin katı kısmından etanol üretilebilmesi için enzimatik hidroliz ve etanol fermantasyonunun aynı reaktör içinde yapıldığı eş zamanlı şekerleştirme ve fermantasyon yöntemi kullanılmıştır. Yöntemde kullanılacak katı madde miktarı, maya miktarı, besin elementleri ve enzim miktarları gibi bileşenler çeşitli deneysel çalışmalar ve literatür araştırmaları ile belirlenmiştir. Etanol fermantasyonu işleminin ardından sistemin biyoyakıt potansyelinden maksimum düzeyde yararlanılması ve proses atıklarının minimize edilmesi için etanol fermantasyonu atıkları ve ön arıtma uygulanan numunelerin sıvı kısmı karıştırılarak biyokimyasal metan potansiyeli testi ile metan potansiyelleri tespit edilmiştir. Optimum koşullarda yapılan ön arıtma deneylerinin ardından numuneler, dallı darının düzenli yüzey ve bağ yapısındaki değişmenin gözlenebilmesi için taramalı elektron mikroskobu ve Fourier Transform InfraRed sprektroskopisi ile incelenmiştir. 
Yapılan karakterizasyon analizleri dallı darının karbon ve polisakkaritler açısından zengin olduğunu göstermiştir. Sonuçlara göre deneylerde kullanılan Kanlow çeşidi dallı darının karbon içeriği %41,95, hemiselüloz ve selüloz içerikleri ise sırasıyla %36,24 ve % 35,94 olarak tespit edilmiştir. Etanol üretimi için substrat özelliği taşıyan selüloz miktarının yüksek tespit edilmesi ülkemizde yetiştirilen dallı darının biyoyakıt üretiminde kullanılmasının uygun olduğu anlamına gelmektedir. Eş zamanlı şekerleştirme ve fermantasyonun ardından ham dallı darıdan 14,02 mg EtOH/g UKM etanol üretilmiştir. Termal – NaOH ön arıtma uygulamasında en yüksek etanol üretimi 36,69 mg EtOH/g UKM ile %4 katı madde, 100°C, %2 NaOH ve 24 saat reaksiyon süresi koşullarında muamele edilimiş numunede ölçülmüştür. NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon ön arıtma uygulamasında ise en yüksek etanol üretimi 27,79 mg EtOH/g UKM ile %1 NaOH ve 5 saat reaksiyon süresi koşullarında muamele edilimiş numunede ölçülmüştür. Termal – NaOH ön arıtma koşullarında üretilen en yüksek etanol miktarı ham numuneye kıyasla %162 artışa eşit olmaktadır. NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon sonunda üretilen maksimum etanol miktarı ise ham numuneye kıyasla %97 artışa eşittir. Kanlow çeşidi ham dallı darıya ait metan potansiyeli 210,43 mL CH4/g UKM olarak ölçülmüştür. Termal – NaOH ön arıtma sonrası maksimum metan potansiyeli %5,5 katı madde, 70°C, %1 NaOH ve 6 saat reaksiyon süresi ön arıtma koşulları sonrası fermantasyon uygulanan numunede 273,1 mL CH4/g UKM olarak ölçülmüştür. Bu değer, ham numuneden %29,8 daha fazladır. NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon ön arıtma sonrası maksimum metan potansiyeli ise 264,8 mL CH4/g UKM ile %0 NaOH ve 3 saat reaksiyon süresi sonrası fermantasyon uygulanan numunede ölçülmüştür. Bu numunede ölçülen metan potansiyeli ham numuneden %25,8 daha fazladır. 
Ön arıtma, fermantasyon ve metan potansiyeli deneylerinin tamamlanmasının ardından deney sonuçları kullanılarak modeller oluşturulmuştur. Termal – NaOH ön arıtma prosesi için etanol ve metan potansiyeli modellerinin R2 değerleri sırasıyla 0,9280 ve 0,3404 olarak hesaplanmıştır. Maksimum biyoyakıt üretimi optimizasyonu için önerilen ön arıtma koşulları %4,81 katı madde, 100°C, %2 NaOH ve 24 saat reaksiyon süresi, maksimum ön arıtma ile birlikte minimum proses maliyeti için yapılan optimizasyonda önerilen ön arıtma koşulları ise %6,5 katı madde, 40°C, %0 NaOH ve 6 saat reaksiyon süresi şeklinde olmuştur. Maksimum biyoyakıt yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda etanol için tahmin edilen değer ile deneysel olarak elde edilen değer sırasıyla, 38,25 mg EtOH/g UKM ve 26,52 mg EtOH/g UKM olmuştur. Minimum maliyet yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda ise sırasıyla, 12,76 mg EtOH/g UKM ve 7,74 mg EtOH/g UKM olmuştur. Metan potansiyeli için ise maksimum biyoyakıt yaklaşımı için tahmin edilen değer ile deneysel olarak elde edilen değer sırasıyla, 274,05 mL CH4/g UKM ve 223,89 mL CH4/g UKM olarak, minimum maliyet yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda ise sırasıyla, 243,75 mL CH4/g UKM ve 304,65 mL CH4/g UKM olarak tespit edilmiştir. NaOH destekli hidrodinamik kavitasyon ön arıtma deneyleri için kurulan modeller tarafından etanol ve metan potansiyelinin R2 değerleri sırasıyla 0,8449 ve 0,6624 olarak bulunmuştur. Maksimum biyoyakıt üretimi optimizasyonu için önerilen ön arıtma koşulları 5 saat reaksiyon süresi ve %2 NaOH konsantrasyonu, maksimum ön arıtma ile birlikte minimum proses maliyeti için yapılan optimizasyonda önerilen ön arıtma koşulları ise 2,7 saat reaksiyon süresi ve %0,71 NaOH konsantrasyonu şeklinde olmuştur. Maksimum biyoyakıt yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda etanol için tahmin edilen değer ile deneysel olarak elde edilen değer sırasıyla, 25,09 mg EtOH/g UKM ve 20,74 mg EtOH/g UKM olmuştur. Minimum maliyet yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda ise sırasıyla, 18,10 mg EtOH/g UKM ve 17,07 mg EtOH/g UKM olmuştur. Metan potansiyeli için ise maksimum biyoyakıt yaklaşımı için tahmin edilen değer ile deneysel olarak elde edilen değer sırasıyla, 255,89 mL CH4/g UKM ve 149,85 mL CH4/g UKM olarak, minimum maliyet yaklaşımı ile yapılan optimizasyon sonucunda ise sırasıyla, 224,69 mL CH4/g UKM ve 280,46 mL CH4/g UKM olarak tespit edilmiştir.  
Dallı darıdan ön arıtımla kombine biyoyakıt üretim proseslerinin optimize edilmesinin ardından tasarlanan tüm süreçlerin çevresel etkilerinin belirlenmesi amacıyla ham dallı darıdan biyoyakıt üretilmesi ve optimum ön arıtma koşulları ile kombine biyoyakıt üretilmesi alternatiflerine yaşam döngüsü analizi uygulanmıştır. Yaşam döngüsü analizi TÜBİTAK 2214 – A bursu ile Danimarka Teknik Üniversitesinde yapılmıştır. Dallı darının üretilmesinden anaerobik parçalanma sonrası geriye kalan digestatın toprağa uygulanmasına kadar olan tüm sürecin sınırlara dahil edildiği alternatifler EASETECH isimli yaşam döngüsü analizi yazılımı ile modellenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre çevresel etkiler açısından en avantajlı proses konfigürasyonları optimum koşullardaki termal – NaOH ÖA proseslerini içeren senaryolar olarak belirlenmiştir. 
Dallı darıdan, bu tez kapsamında optmize edilen ön arıtma yöntemleri ile kombine etanol ve metan üretim potansiyelinin araştırıldığı ve tasarlanan biyoyakıt üretim süreçlerinin sürdürülebilirlik çerçevesinde yaşam döngüsü analizi ile değerlendirildiği bir çalışma literatürde bulunmamaktadır. Bu nedenle, ülkemizin kalkınmasına ve küresel ısımanın kontrolüne katkı sağlama potansiyeli olan bu çalışma bilimsel açıdan özgündür ve gelecek çalışmalar için kaynak olma özelliği taşımaktadır.

Abstract:
In this PhD thesis, development of a combined ethanol and methane production method using two different pretreatment techniques was completed with the aim of optimising the newly-proposed method's and perform life cycle analysis to evaluate the environmental impacts of methods. This would ensure the contribution to renewable biofuel production with the utilization of adapted switchgrass grown on marginal land.
During the PhD research, detailed and comparative characterisation analyses of Kanlow variety switchgrass were completed and the perennial plant's lignocellulosic structure was determined throughout three harvest seasons. One of the methods used was thermal – NaOH pretreatment of the switchgrass to thermally break the lignocellulosic structure of the crop to achieve enriched ethanol production potential. Second pretreatment method selected was NaOH assisted physicochemical hydrodynamic cavitation. There is limited work on the effects of these two pretretments on lignocellulosic materials biofuel production potential. Thus, the investigation and optimisation of the aforementioned pretreatment methods' effect on biofuel production contributes to the novelty of this work.
Independent variables, their ranges and responses for the pretreatment methods were determined for the optimisation. These were used in the response surface methodology, central composite design for the experimental design of the pretreatment methods. Desing Expert® software was utilized in the experimental design. In the first pretreatment method (i.e., thermal – NaOH) independent variables were chosen as; dry matter concentration, NaOH concentration, reaction temperature and reaction time. As for the second pretreatment method (i.e., NaOH assisted hydrodynamic cavitation) NaOH concentration and reaction time were selected as independent variables. Modelling of each independent variable within their selected ranges were suggested by the experimental design software. These were determined after performing prediction models based on the results of pretreatment experiments, ethanol fermentation and biochemical methane potential tests. ANOVA test was also used to estimate the power of these prediction models. Furthermore, to maximise the quantity of ethanol and methane production, two different optimisation approaches were followed one of which was targeted to maximising the biofuel production and the other one to maximising biofuel production whilst minimising process costs.  
Ethanol production from the solid part of the pretreated samples was performed with simultaneous saccharification and fermentation where enzymatic hydrolysis and ethanol fermentation takes place in the same reactor. Components such as; dry matter and yeast amount, nutrients and enzyme quantities were selected from experimental studies and literature. In order to maximise biofuel potential and minimise the process waste of the system, biochemical methane potential test was performed on the mixture of the solid part of the pretreated samples and the wastes of the ethanol fermentation. This ensured a sustainable biofuel production process design. After the application of optimized pretreatments, to determine the effects of pretreatments on the rigid surface and bond structure of switchgrass, samples were observed using scanning electron microscopy and Fourier Transform InfraRed spectroscopy, respectively. 
Completed characterisation analyses showed that the Kanlow variety switchgrass is rich in carbon and polysaccharides with experimental results revealed 41.95% of carbon, 36.24% of hemicelluloses and 35.94% of cellulose content. The high cellulose content is particularly promising as this material is an essential substrate for ethanol production which further supports the usability of local switchgrass crops as a biofuel production material. After the simultaneous saccharification and fermentation 14.02 mg EtOH/g of VS ethanol was produced. The highest ethanol production from thermal – NaOH pretreatment was observed under 4% dry matter, 100°C reaction temperature, 2% NaOH concentration and 24 hours reaction time conditions with 36.69 mg EtOH/ g VS. The highest ethanol production from NaOH assisted hydrodynamic cavitation was observed under 1% NaOH concentration and 5 hours reaction time conditions with 27.79 mg EtOH/g VS. Based on the results obtained from various pretreatment conditions, thermal – NaOH pretreatment increased ethanol quantity by 162% compared to raw samples. NaOH assisted hydrodynamic cavitation pretreatment increased this quantity by 97%. Methane potential of Kanlow variety switchgrass was measured as 210.43 mL CH4/g VS. Methane potential of the thermal – NaOH pretreatment sample under 5.5% dry matter, 70°C, 1% NaOH and 6 hours reaction time conditions was measured as the highest with 273.1 mL CH4/g VS and was found to be 29.8% higher than raw switchgrass's methane potential. NaOH assisted hydrodynamic cavitation pretreatment sample under 0% NaOH concentration and 3 hours reaction time conditions was measured as the highest with 264.8 mL CH4/g VS methane potential which is also higher than raw materials' methane potential by 25.8%.
Statistical models were created based on the results of pretreatment, fermentation and methane potential experiments. R2 values for ethanol and methane potentials of thermo chemical pretreatment were measured as 0.9280 and 0.3404 respectively. For the maximum biofuel production process, the suggested pretreatment conditions were 4.81% dry matter, 100°C reaction temperature, 2% NaOH concentration and 24 hours reaction time. In order to minimise the process costs the suggested conditions were found as 6.5% dry matter, 70°C reaction time, 0% NaOH concentration and 6 hours reaction time. The predicted and experimentally obtained ethanol production results were 38.25 mg EtOH/g VS and 26.52 mg EtOH/g VS, respectively for maximum biofuel optimization of thermal – NaOH pretreatment. For minimum costs optimization of the same pretreatment, the predicted and experimentally obtained ethanol production results were 12.76 mg EtOH/g VS and 7.74 mg EtOH/g VS, respectively. The predicted and experimentally obtained methane potential results were 274.05 mL CH4/g VS and 223.89 mL CH4/g VS, respectively for maximum biofuel optimization of thermal – NaOH pretreatment. For minimum costs optimization of the same pretreatment, the predicted and experimentally obtained methane potential results were 243.75 mL CH4/g VS and 304.65 mL CH4/g VS, respectively. Similar to the thermo chemical pretreatment, R2 values for ethanol and methane potentials were also calculated after NaOH assisted hydrodynamic cavitation pretreatment. These were found as 0.8449 and 0.6624 for ethanol and methane potentials. The suggested conditions of the pretreatment was 2% NaOH concentration and 5 hours reaction time for maximum biofuel production and 0.71% NaOH concentration and 2.7 hours reaction time for minimum process costs optimization. The predicted and experimentally obtained ethanol production results were 25.09 mg EtOH/g VS and 20.74 mg EtOH/g VS, respectively for maximum biofuel optimization of hydrodynamic cavitation pretreatment. For minimum costs optimization of the same pretreatment, the predicted and experimentally obtained ethanol production results were 18.10 mg EtOH/g VS and 17.07 mg EtOH/g VS, respectively. The predicted and experimentally obtained methane potential results were 255.89 mL CH4/g VS and 149.85 mL CH4/g VS, respectively for maximum biofuel optimization of hydrodynamic cavitation pretreatment. For minimum costs optimization of the same pretreatment, the predicted and experimentally obtained methane potential results were 224.69 mL CH4/g VS and 280.46 mL CH4/g VS, respectively. 
In order to determine the environmental effects of all the processes included in the biofuel production design, life cycle assessments were performed on the newly-proposed pretreatment combined biofuel production design and alternative biofuel production processes. Life cycle assessment was performed in Denmark Technical University with the scholarship of Turkish Scientific Council. For this purpose EASETECH life cycle assessment software was used in modelling the whole process starting from switchgrass harvest to the last digestate product to be implemented on soil. According to modelling results, scenarios with thermal – NaOH pretreatment processes determined as the most environmentally favourable process configurations.  
 In this thesis combined ethanol and methane production potentials of Kanlow variety switchgrass using optimised pretreatment methods to design a more sustainable biofuel production processes were analysed with life cycle assessment. Best to our knowledge, there is no study in the literature that combined and analysed these components of biofuel production. Therefore, this work is novel in not only providing knowledge and guidance to future work in the field but also contributing greatly to Turkey's development and global warming control potentials.