Biohydrogen production from baker's yeast industry wastewater using anaerobic membrane bioreactors

Hidrojen, tüm yakıtlar içerisinde en yüksek enerji içeriğine sahip yakıt olup, temiz ve çevreyi kirletmeyen yakıt olarak giderek önem kazanmaktadır. Hidrojen üretim sistemlerinin geliştirilmesi için çok sayıda araştırma yürütülmektedir. Mevcut hidrojen üreten tesislerin çoğu fosil yakıtlara bağımlıdır. Hidrokarbonlu yakıt olarak bilinen fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak için biyokütle, su ve solar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrojen üreten teknolojilere olan ilgi artmaktadır. Enerji kaynaklarının hızla azaldığı göz önünde bulundurulursa mikroorganizmaların hidrojen üretim potansiyellerinden faydalanmak oldukça cazip bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. Mikroorganizmaya dayalı hidrojen üreten sistemler birbirleri ile karşılaştırıldığında, hidrojen sentez hızının en yüksek olduğu sistem anaerobik fermentasyon sistemidir. Ancak hidrojen sentez hızı oldukça geniş aralıkta değişmektedir. Teorik olarak 1 mol glikoz 12 mol H2 üretme potansiyeline sahip iken mevcut fermentasyon teknolojileri ile ancak 2-3 mol H2 üretilebilmektedir. Bunun nedenleri organik maddenin asetat veya asetona kadar ayrışmaması ve hidrojenin uçucu yağ asitleri ve alkollere indirgenmesi için kullanılmasıdır. Bu nedenle en yüksek hidrojen üretim potansiyeline sahip ortam koşullarının belirlenmesi önemlidir. Üretilen hidrojenin, anaerobik ortamda organik maddelerin indirgenmesinde kullanılmasından dolayı, genelde hidrojen üretim oranları çok düşük seviyelerde kalmaktadır. Organik madde kaynağı, pH, sıcaklık, organik yük ve hidrolik bekletme süresi gibi faktörler hidrojen üretim oranını etkilemektedir. Anaerobik arıtma sistemleri, biyolojik çamurların arıtımında yaygın olarak kullanıldığı gibi günümüzde çeşitli endüstriyel atıksuların arıtımında da yaygın olarak kullanılmaktadır. Aerobik proseslerle karşılaştırıldığında sistemin işletilmesinde özellikle daha az enerjiye ihtiyaç duyulması, üretilen metan gazının ekonomik değere sahip olması, daha az çamur üretmesi ve nütrient ihtiyacı duymalarından dolayı bu sistemlerin kullanılması cazip hale gelmektedir. Günümüzde anaerobik sistemler meyva suyu, bira, kimya, alkol destilasyonu, süt ve peynir, balık ve deniz ürünleri, şeker, kağıt, ilaç vb. birçok endüstriye ait atıksuların arıtılmasında yoğun olarak kullanılmaktadır. Anaerobik sistemlerin oksijen ihtiyacı yoktur, böylece oksijeni suda çözmek için gerekli enerji ihtiyacı ortadan kalkmış olur. Üretilen gaz, enerji ihtiyacının bir kısmını karşılamaktadır. Anaerobik sistemlerde çamur üretimin az olması da önemli bir avantajdır. Bu sebeple anaerobik arıtma sistemlerine membran modülleri eklenerek sistemde tutulan biyokütle konsantrasyonları arttırılması amaçlanmaktadır. Temel besin maddesi ve iyi bir enerji kaynağı olması nedeni ile ekmek, gıda tüketiminde çok önemli bir konuma sahiptir. Dünyada günlük kalorinin büyük bir kısmı hububat ürünlerinden karşılanmaktadır. Ekmek mayası üretiminde kullanılan maddeler saf maya kültürü ve melaslardır. Günümüzde yaklaşık olarak 600 adet maya türü olmasına rağmen bunlardan sadece birkaçı ticari öneme sahiptir. Ekmek mayası tek hücreli canlılar grubunda olup, ? Saccharomyces cerevisiae? nun saflaştırılması sonucu elde edilmektedir. Maya endüstrisi atıksuları, düşük pH, yüksek kimyasal oksijen ihtiyacı, koyu kahverengi rengi, yüksek konsantrasyonda sülfat içermesi gibi özelliklerle karakterize edilir. Kirliliği oluşturan bu maddeler atıksudan, bilinen prosesler ile gideriminin zor olduğu yapılan çalışmalarla kanıtlanmıştır. Bu tezin konusu, ekmek mayası endüstrisi atıksuyundan anaerobik membran biyoreaktör teknolojisini kullanarak en yüksek biyohidrojen üretiminin araştırılmasıdır. Biyohidrojen üretimi ile ilgili literatürde çok sayıda çalışma mevcuttur. Bu çalışmalara göre hidrojen üretimindeki ortak sorun uygun mikroorganizma topluluğunun geliştirilmesi ile ilgilidir. Bu çalışmada üstünlükleri fazla olan membran biyoreaktör sistemi ile biyohidrojen üretimini arttırıcı çevresel koşulların belirlenmesi hedeflenmiştir. Bu çalışmada sunulan analiz sonuçları yaklaşık 7.5 aylık bir zaman dilimi içerisinde laboratuar ortamında sürdürülen araştırmada kullanılan fermentör ve MBR reaktörleri olmak üzere ardışık iki kademeli sistemden alınan örneklere dayanmaktadır. Sistemde kullanılan reaktörlerin etkili hacmi 5 L'dir. Sistem termofilik sıcaklıkta (55 C) işletilmiştir. İlk 2 aylık dönemde, MBR reaktörde yüzey alanı 0.0053 m2 olan, 0.2 mikron gözenek çapına sahip, boşluklu lif yapıda 3 adet metaryeli polipropilen olan membranlar kullanılmıştır. 2 aylık işletme periyodu sonucunda 2 reaktör işletilmesinin herhangi bir avantaj sağlamadığı gözlenerek, tek reaktörlü sisteme geçilmiştir. Bunun sonucunda da MBR reaktör devre dışı bırakılarak, MBR reaktörde bulunan membranlar biyoreaktöre aktarılmıştır. Ayrıca 3.5 aylık dönemde mikrofiltrasyon membranları yerine ultrafiltrasyon membranları kullanılmıştır. Yaklaşık 3.5 aylık tek reaktörlü işletme sürecinde, membran tıkanmalarına ve kopmalarına bağlı olarak reaktöre sürekli müdahele edilmesi ve reaktör hacminin efektif olarak kullanılamamasından dolayı, tekli sistemin verimli olmadığına karar verilmiş, 5.5 ay sonunda sistem değiştirilerek harici membran modülü uygulamasına geçilmiştir ve reaktör toplam hacmi 9 L.'ye çıkarılmıştır. Harici membran modülü uygulaması ile membranın temizlenmesi veya membran modüllerinin değiştirilmesi sırasında, modül reaktörden ayrı olduğundan, reaktörün işletme koşulları korunmuştur. Sistem sürekli olarak maya endüstrisi atıksuyu ile beslenmiştir. Reaktör içerisinde bulunan pH, ORP ve sıcaklık probları ile bu parametreler online olarak kontrol edilmiştir. Nötr pH sağlamak amacıyla, pH değişimine bağlı olarak sisteme asit veya baz ilave edilmiştir. Sistem verimini gözlemlemek amacıyla biyoreaktör girişi KOİ ve çözünmüş KOİ konsantrasyonu ölçülmüştür. Giriş akımında ortalama olarak KOİ değerine bakıldığında 52,519 mg/L civarında olduğu görülmüştür. Biyokütle konsantrasyonu 20,000 mg/L olarak hedeflenmiştir. Membranlardaki tıkanma durumunu görmek amacıyla membran basıncı izlenmiştir. Membranlardaki basınç değişimi belirlenen limit değerlerin üstüne çıkması halinde sistemde otomatik olarak geri yıkama yapılmış ve sisteme belirli periyotlarda azot gazı verilmiştir. Böylece membranlardaki tıkanma problemleri giderilmeye çalışılmıştır. Sistemde uçucu yağ asidi üretimi, biyohidrojen üretiminin göstergesidir. Fermantasyon sonucunda atıklar UYA'ya ve hidrojene dönüşmüştür. Çıkışta yüksek asetik asit konsantrasyonu hidrojen veriminin daha yüksek olacağının göstergesidir. Buna bağlı olarak sistemde düzenli UYA kompozisyonuna bakılmıştır. İşletme süresi boyunca sistem çıkışında asetik asit miktarının düzenli olarak arttığı görülmüştür. Bu durum sistemde asit üretim safhasında zamanla iyileşme olduğunu göstermiştir. Çıkış akımında asetik asit dışında bütirik asite ve propiyonik asite de rastlanmıştır. Çıkış akımındaki KOİ'nin 45%'i asetik asitten, 7 .4%'ü ise bütirik asitten kaynaklamıştır. Bunun yanı sıra üretilen gazın kompozisyonunu belirlemek amacıyla üretilen gaz balonlarda biriktirilmiştir. Yapılan gaz ölçümleri sonucunda başlangıçta H2 üretimi 0,03 mL/L/gün iken 141. gün sonunda 7.92 mL/L/gün değerine kadar ulaşmıştır. 7.5 aylık yapılan çalışmalar süresinde sistemde meydana gelen membran tıkanmalarına ve kopmalarına bağlı olarak reaktöre sürekli müdahele edilmesi nedeni ile gaz kaçaklarının olması, sistemin sızdırmazlığının sağlanamamasından dolayı sistemde üretilen hidrojen gazının kabul edilebilir sonuçları 130.- 170. günler arası alınmıştır. Bu günler arasında sistemde herhangi bir kaçak olmadan üretilen gaz balonlarda toplanabilmiştir. İşletme süresi boyunca yapılan ölçümler sonucunda toplanan gazın içeriğinde metan gazına rastlanılmamıştır. Gazın içeriğinde genel olarak H2 ve CO2 gözlemlenmiştir. Ayrıca harici membran uygulamasına geçildikten sonra üretimin arttığı ve ortalama olarak 2.2 mL/L/gün değerin de olduğu görülmüştür. Bu değer literatürde endüstriyel atıksulardan biyohidrojen üretimi ile ilgili yapılan çalışmalar düşüktür. Yapılan analizler sonucu, sistemde uçucu yağ asit üretimine karşın hidrojen üretiminin az olduğu görülmüştür. Ekmek mayası endüstrisi atıksuyunda yüksek miktarda sülfat bulunması hidrojenin sistemde tüketilmesine neden olmaktadır. Sülfat konsantrasyonunun yüksek olduğu atıksuların arıtılmasında sülfür üretimi sık karlılaşılan bir durumdur. Sülfat anerobik arıtmada elektron alıcısı olarak kullanılarak sülfüre (H2S, HS-, S-2) dönüşür. Sistemdeki çıkış sülfat ve sülfür değerlerine bakıldığında ortalama olarak sülfat değerinin 653 mg SO4/L, sülfit değerinin ise 213 mg S-2/L olduğu görülmüştür. Bu da hidrojen üretiminin literatürle karşılaştırıldığında düşük olmasına neden olmaktadır.