Yüksek sıcaklık-basınç ön arıtma prosesinin siyanobakteri'den metan üretim potansiyelinin geliştirilmesi için optimizasyonu
Optimization of high temperature-pressure pre-treatment process for the enhancement of methane production from Cyanobacteria
Yazar: MURAT ŞAHAN
Danışman: PROF. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu yüksek lisans tezinde ülkemiz su kaynağından izole edilen ve enerji üretim potansiyeline sahip siyanobakteri'den metan üretilmesi, metan üretim veriminin artırılması için yüksek sıcaklık-basınç ön arıtma prosesinin uygulanması ve yüksek sıcaklık-basınç ön arıtma prosesinin proses optimizasyonunun yapılması amaçlanmıştır. Bu kapsamda yüksek lisans tezinde öncelikle Desertifilum tharense siyanobakterisi üretilmiş, kültür spesifik parametreleri tespit edilmiş, karakterizasyonu yapılmış, metan üretim veriminin arttırılması amacıyla Desertifilum tharense siyanobakterisine yüksek sıcaklık-basınç ön arıtma prosesi uygulanmış ve metan üretimi açısından yüksek sıcaklık-basınç ön arıtma prosesinin optimizasyonu yapılmıştır. 
Desertifilum tharense kuru ağırlık, spesifik büyüme hızı, maksimum üretkenlik ve CO2 fiksasyon değerleri sırasıyla 3,61 g/L, 0,36 1/Gün, 0,35 g/L.Gün ve 0,06 g/gün olarak tespit edilmiştir. Desertifilum tharense'nin karbon (C) miktarı %50,2 ve toplam organik karbon miktarı (TOK) ise %48,9 olarak bulunmuştur. Bu bulgular, Desertifilum tharense karbon içeriğinin organik karbondan kaynaklandığını ve biyoyakıt üretiminde biyokütle kaynağı olarak kullanılabileceğini ifade etmektedir. Ham Desertifilum tharense numunesinin BMP değeri 261,8 mLCH4/gUKM olarak ölçülmüştür. 
Yüksek sıcaklık-basınç ön arıtma prosesi etkilerinin incelenmesi ve optimum proses koşullarının saptanması amacıyla Cevap Yüzey Yöntemi (CYY) Merkezi Kompozit Tasarım (MKT) metodu kullanılmıştır. Yüksek sıcaklık-basınç ön arıtma prosesinde reaksiyon sıcaklığının artırılması ile çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (çKOİ) ve ekstrakte olabilen madde ve lipit miktarı artarken, biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) miktarı düşmüştür. Yüksek sıcaklık-basınç ile muamele edilen numunelerin BMP değerleri 201,5 – 235 mLCH4/gUKM aralığında ve ham numuneden düşük olarak ölçülmüştür. Bu sonuçlar Desertifilum tharense'dan biyoyakıt metan üretimi için yüksek sıcaklık-basınç ön arıtma prosesinin uygun olmadığını göstermektedir. Yüksek sıcaklık-basınç ön arıtma prosesinin optimizasyonu (optimum proses koşulları) Design Expert paket programı optimizasyon modülü yardımıyla maksimum metan üretimi ve maliyet açısından yapılmış ve elde edilen optimizasyon koşulları ve sonuçları validasyon deneyleri ile karşılaştırılmıştır. Maksimum BMP üretimi için 200°C reaksiyon sıcaklığı ve 20 dk. reaksiyon süresi optimum koşullar olarak önerilmiştir. Önerilen model ile bu koşullarda 227,1 mLCH4/gUKM metan üretilebileceği tahmin edilmiş ve validasyon deneyinde ise 211,4 mLCH4/gUKM metan üretilmiştir. 
Yüksek lisans tez çalışması sonucunda Desertifilum tharense siyanobakterisinin metan üretimi amacıyla biyokütle kaynağı olarak kullanımının uygun, ancak metan üretimi öncesinde yüksek sıcaklık-basınç ön arıtma prosesi kullanılmasının gerekli olmadığı tespit edilmiştir

Abstract:
In this master thesis, it was aimed to produce methane from cyanobacteria isolated from the water sources of our country which has energy production potential, to apply high temperature-pressure pretreatment process to increase its methane production efficiency and to make process optimization of the pretreatment process. In this context, firstly Desertifilum tharense cyanobacteria were produced, culture specific parameters were determined, characterization analyses were performed, Desertifilum tharense cyanobacterium was subjected to high temperature-pressure pretreatment process in order to increase methane production efficiency and the pretreatment process was optimized for methane production.
Dry weight, specific growth rate, maximum productivity and CO2 fixation values of Desertifilum tharense were determined as 3.61 g/L, 0.36 1/day, 0.35 g/L.day and 0.06 g/day, respectively. Desertifilum tharense had a carbon (C) content of 50.2% and total organic carbon content (TOC) of 48.9%. These findings indicate that Desertifilum tharense carbon content is derived from organic carbon and can be used as a biomass source in biofuel production. The BMP of raw Desertifilum tharense sample was measured as 261.8 mLCH4/gVS. 
In order to investigate the effects of high temperature-pressure pretreatment process and to determine the optimum process conditions, Response Surface Methodology (RSM) Central Composite Design (CCD) was used. Increasing the reaction temperature in high temperature-pressure pretreatment process increased the amount of dissolved chemical oxygen demand (sCOD) and the amount of extractable matter and lipids, while the amount of biochemical methane potential (BMP) decreased. BMP values of the samples treated with high temperature-pressure were measured in the range of 201.5 – 235 mLCH4/gVS and lower than the raw sample. These results revealed that the high temperature-pressure pretreatment process is not suitable for the production of biofuel methane from Desertifilum tharense. Optimization of the high temperature-pressure pretreatment process (optimum process conditions) was carried out in terms of maximum methane production and cost with the help of Design Expert software optimization module and the obtained optimization conditions and results were compared with validation experiments. 200°C reaction temperature and 20 min. reaction time conditions were proposed as optimum for maximum BMP production. With the proposed model, it was estimated that 227.1 mLCH4/gVS methane could be produced under these conditions and 211.4 mLCH4/gVS methane was produced in the validation experiment. 
As a result of the master thesis, it was determined that Desertifilum tharense cyanobacterium can be used as a suitable biomass source for methane production. However, it was not necessary to use high temperature-pressure pretreatment process prior to the methane production.