Biyokimyasal ve biyoyakıt üretimi için anaerobik olarak sindirilmiş biyokütlenin hidrotermal sıvılaştırılması/gazlaştırılması
Hydrothermal liquefaction/gasification of anaerobically digested biomass for biochemical and biofuel production
Yazar: FATMA GAMZE BODUR
Danışman: DOÇ. DR. TÜLAY GÜNGÖREN MADENOĞLU
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Anaerobik sindirim = Anaerobic digestion ; Biyokimyasal özellikler = Biochemical properties ; Biyokütle = Biomass ; Biyoyakıtlar = Biofuels ; Gazlaştırma = Gasification ; Hidrojen = Hydrogen ; Metan = Methane

Özet:
Küresel enerji talebinin 2040 yılına kadar mevcut seviyelere kıyasla 
neredeyse %28 artması beklenmektedir. Küresel çapta enerji tüketiminin hızla 
artması ve fosil yakıtların kontrolsüzce kullanılması enerji krizine yol açarken, 
küresel ısınma ve iklim değişikliği gibi çevresel sorunları beraberinde getirmiştir. 
Yenilenemeyen enerji kullanımının, temiz ve yenilenebilir bir enerjiye 
dönüştürülmesi ile karbondan arınmış bir enerji sistemine geçiş hedeflenmektedir. 
Düşük karbonlu enerji sistemine geçiş sürecinde biyoenerjiye olan ilgi artarken, 
2050'de endüstrideki tüm biyokütle kullanımının yaklaşık %60'ını kimya ve 
petrokimya sektörlerinin tek başına oluşturacağı ön görülmektedir
Bu çalışmada anaerobik olarak sindirilmiş su sümbülünün laboratuvar 
ölçeğinde hidrotermal sıvılaştırılması/gazlaştırılması ile biyokimyasal (5-
hidroksimetilfurfural (5-HMF), furfurallar, karboksilik asitler ve fenoller) ve 
biyoyakıt (H2 ve CH4) üretimi gerçekleştirilmiştir. Hidrotermal işlemler öncesinde 
biyokütlenin anaerobik olarak sindirilmiş olmasının etkileri incelenmiş ve elde 
edilen sonuçlar kıyaslanmıştır. Ayrıca farklı sıcaklıklarda (200, 300, 400, 500, 
600 °C) denemeler yapılarak optimum çalışma koşulları belirlenmiştir. 
%40,4-73 (mg C ürün/mg C besleme) aralığında bulunan karbon 
gazlaştırma verimi (CGE) artan sıcaklıkla artış göstermiştir. Yapılan çalışmalarda 
en yüksek gazlaştırma verimi (%73 mg C ürün/mg C besleme), D4 örneği 
(anaerobik sindirim verimi yüksek) ile 600 °C'de elde edilmiştir. Karbon 
viii
sıvılaştırma verimi (CLE) %18,8-37,2 aralığında bulunmuştur ve en yüksek CLE 
değeri (%37,2 mg C ürün/mg C besleme) 200°C'de D6 ile yapılan denemede elde 
edilmiştir. Yüksek sıcaklıklarda CLE değerlerinin düştüğü görülmüştür.
Farklı sıcaklıklarda yapılan denemelerde sıcaklık arttıkça gaz ürün 
içeriğindeki H2, CH4, CO, CO2 C2-C4 mol gaz/kg C besleme temelinde 
miktarlarının arttığı tespit edilmiştir. Sindirilmiş su sümbülünün 600°C'de 
gazlaştırılması sonucu 25 mol CH4/ kg C besleme, 39,3 mol H2/ kg C besleme 
üretilmiştir. Sindirilmemiş su sümbülü ile aynı sıcaklıkta 10 mol CH4/ kg C 
besleme, 25 mol H2/ kg C besleme üretilmiştir.
Sıvı ürünler çok sayıda bileşikten oluşmaktadır ancak bu çalışma sadece 
yüksek konsantrasyonlarda açığa çıkan bileşiklere odaklanmıştır. Bu bileşikler; 
karboksilik asitler (glikolik asit, formik asit, asetik asit), furfurallar (5-metil 
furfural, 5-hidroksi metil furfural, furfural), fenoller (kresoller, resorsinol, katekol, 
2,4-dimetilfenol, 4-metil guaiakol vb.), aldehitler ve ketonlardır (3-metil-2-
siklopenten-1-on, 2-siklopenten-1-on). Artan sıcaklıkla birlikte toplam karboksilik 
asit, toplam furfural, toplam aldehit ve keton miktarında azalma gözlenmiştir. 
Bunların aksine toplam fenol miktarında 500 °C'ye kadar artış, 500 °C'de sonra 
azalma meydana gelmiştir.
Sindirilmemiş biyokütlenin sıvı ürün verimleri sindirilmiş biyokütleye 
kıyasla daha yüksek çıkmıştır. Sindirilmiş biyokütlenin içerdiği organik karbonun 
bir kısmı anaerobik sindirim (AS) sırasında biyogaza dönüşmüştür, sindirilmemiş 
biyokütle ise herhangi bir işlemden geçmediği için hidrotermal sıvılaştırma 
sırasında daha fazla sıvı ürün oluşumu gerçekleşmiştir. Gaz ürün verimleri 
açısından değerlendirdiğimizde ise biyokütlenin lignoselülozik yapısının 
anaerobik sindirim ile parçalanması sonucu, sindirilmiş biyokütle ile daha yüksek 
verimde hidrojen ve metan elde edilmiştir.
Anaerobik sindirim ve hidrotermal işlemlerin ardışık olarak uygulandığı 
bu sistem ile biyokütlenin tam dönüşümü gerçekleştirilmiştir. Anaerobik 
sindirimin bir ön-işlem olarak uygulanması H2 ve CH4 verimini artırmıştır. Atık 
değerlendirme yapılarak "Yeşil Enerji" ve "Sıfır Atık" anlayışı benimsenmiştir.

Abstract:
Global energy demand is expected to increase by almost 28% compared to 
current levels by 2040. The rapid increase in global energy consumption and the 
uncontrolled use of fossil fuels lead to an energy crisis, they have brought 
environmental problems such as global warming and climate change. It is aimed 
to transform the use of non-renewable energy into a clean and renewable energy 
and transition to a carbon-free energy system. The interest in bioenergy has 
increased in the transition process to a low-carbon energy system. It is predicted 
that, the chemical and petrochemical sectors will alone constitute approximately 
60% of all biomass use in the industry in 2050.
In this study, biochemical (5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), furfurals, 
carboxylic acids and phenols) and biofuels (H2 and CH4) were produced by 
hydrothermal liquefaction/gasification of anaerobically digested biomass at 
laboratory scale. The effects of anaerobically digested biomass before 
hydrothermal processes were examined and the results were compared with the 
ones which were not digested. In addition, optimum working conditions were 
determined by conducting experiments at different temperatures (200, 300, 400, 
500, 600 °C). The carbon gasification efficiency (CGE), which was in the range of 
40.4-73% (mg C product/mg C feed), increased with increasing temperature. The 
highest gasification efficiency (73 mg C product/mg C feed) was obtained at 600 
°C with the D4 sample (high anaerobic digestion efficiency). The carbon 
x
liquefaction efficiency (CLE) was found in the range of 18.8-37.2%, and the 
highest CLE value (37.2 mg C product/mg C feed) was obtained in the experiment 
with D6 at 200°C. It was observed that CLE values decreased at high 
temperatures.
In the experiments carried out at different temperatures, it was determined 
that the amount of H2, CH4, CO, CO2, C2-C4 (mol gas/kg C in feed) in the gas 
product content increased as the temperature increased. As a result of gasification 
of digested water hyacinth at 600°C, 25 mol CH4/kg C in feed, 39.3 mol H2/kg C 
in feed were produced. 10 mol CH4/kg C in feed, 25 mol H2/kg C in feed were 
produced with undigested water hyacinth at the same temperature.
Aqueous products are composed of many compounds, but this study 
focused only on compounds found in high concentrations. These compounds are 
carboxylic acids (glycolic acid, formic acid, acetic acid), furfurals (5-methyl 
furfural, 5-hydroxy methyl furfural, furfural), phenols (cresols, resorcinol, 
catechol, 2,4-dimethylphenol, 4-methyl guaiacol etc.), aldehydes and ketones (3-
methyl-2-cyclopenten-1-one, 2-cyclopenten-1-one). The amount of total 
carboxylic acid, total furfural, total aldehyde and ketone decreased with increasing 
temperature. On the contrary, the total amount of phenol increased up to 500 °C 
and decreased after 500 °C.
The liquid product yields of the undigested biomass were higher than that 
of digested one. Some of the organic carbon contained in the digested biomass 
was converted to biogas during anaerobic digestion. Since the undigested biomass 
did not undergo any treatment, more liquid product formation occurred during 
hydrothermal liquefaction. When we evaluate it in terms of gas product yields, as 
a result of the degradation of the lignocellulosic structure of the biomass by 
anaerobic digestion, higher yields of hydrogen and methane were obtained with 
the digested biomass.
Complete conversion of biomass was achieved with the hybrid system. 
Application of anaerobic digestion as a pretreatment increased the yield of H2 and 
CH4. "Green Energy" and "Zero Waste" understanding has been adopted by 
making waste evaluation.