Energetic utilization of lignocellulose-rich agricultural wastes by enriched microorganisms from high performance natural and engineered systems

Enerji bitkileri, tarım artıkları, hayvan dışkısı, orman artıkları, algler, vb., en önemli yenilenebilir enerji kaynakları arasında sayılmaktadır. Hızlı nüfus artışının tarım endüstrisi üzerinde oluşturduğu baskı ile lignoselülozca zengin tarım atıklarının miktarı gün geçtikçe artış göstermektedir. Gelişmekte olan ülkeler başta olmak üzere birçok ülkede bu atıklar kontrolsüzce bertaraf edilmekte, çoğunlukla yakılarak sürdürülebilik karşıtı bir yaklaşımla imha edilmektedir. Böylece küresel ısınmaya yapılan olumsuz katkının yanında, bu atıklarda var olan enerji potansiyeli de kullanılmadan yok edilmektedir. Anaerobik çürütücüler hayvan dışkısı, tarımsal atıklar, enerji bitkileri, yemek atıkları, arıtma çamuru, endüstriyel ve evsel atıksu gibi birçok biyoayrışabilir atıktan enerji elde edilebilen, kanıtlanmış sürdürülebilir bir teknolojidir. Bu atıklar içinde, tarım atıkları yüksek enerji muhtevası, düşük maliyeti ve oldukça fazla miktarda üretilmesi nedeniyle anaerobik çürütücüler için en önemli biyokültle olarak değerlendirilmektedir. Anaerobik çürütme, çeşitli mikrobiyal gruplar tarafından gerçekleştirilen kompleks bir biyolojik prosestir. Anaerobik bozunma sürecinde organik madde mikrobiyal topluluktaki sinerjik reaksiyonlar sonucunda metanca zengin biyogaza dönüştürülmekte, metan ise sonraki ünitelerde enerjiye çevrilmektedir. Lignoselülozca zengin maddelerin kompleks yapıları anaerobik bozunma sürecinde performansı olumsuz etkilemekte, hidroliz aşaması hız kısıtlayıcı adım olarak rol oynamaktadır. Yakın gelecekte, ülkemizde yenilenebilir enerji üretimi, entegre biyodönüşüm konsepti, döngüsel ekonomi yaklaşımı çerçevesinde özellikle Avrupa'da yaygın olarak kullanılan anaerobik çürütücülerin sayısında önemli artış olacaktır. Mevcut durumda, ülkemizde sınırlı sayıda bulunan havasız çürütme sistemleri etkin olarak işletilmemekte, sistemlerde kullanılan aşı çamurunun temininde sıkıntılar yaşanmaktadır. Aşı çamurları ya yurt dışından temin edilmekte ya da yurt içinde verimlilikle işletilemeyen tesislerden alınmaktadır. Biyogaz tesislerinde ilk yatırım maliyetinin belirlenen süreler içerisinde kompanse edilmesi, tesisin geri ödeme periyodu ve işletme maliyetleri nedeniyle tesislerde etkin metan üretimi en önemli parametredir. Anaerobik çürütücüler düşük işletme maliyeti ve çevresel avantajları dolayısıyla cazip arıtma yöntemi olmasına karşın, lifli maddelerin zor parçalanabilir oluşu bu maddelerin anaerobik çürütücülerdeki arıtım uygulamalarını sınırlandırmaktadır. Bu nedenle anaerobik çürütücülerdeki performansın artırılmasına yönelik fiziksel, fiziko-kimyasal, kimyasal, biyolojik ön işlem teknolojilerini içeren birçok farklı strateji kullanılmaktadır. Başarılı bir anaerobik bozunma prosesinin gerçekleşmesi sistemde bu süreci gerçekleştirebilecek çeşitli mikrobiyal türlerin bulunmasına bağlıdır. Bu nedenle, anaerobik çürütme sistemlerinin işletmeye alınması sırasında en önemli parametrelerden biri aşı çamurunun seçilmesidir. Kolay temin edilmesi nedeniyle anaerobik çürütme sistemlerinde genelde benzer bir çürütücüden alınan bir aşı ya da hayvan dışkısı kullanılmaktadır. Fakat, işletmeye alma ve aklimasyon sürelerinin iyileştirilmesi ve sistemden maksimum verim alınması için 'spefisik atığa spesifik aşı' yaklaşımı uygulanmalıdır. Teknolojik birçok gelişme doğadan ilhamla ortaya çıkmış, doğayı taklit uzun yıllardır mühendisler için ilgi odağı olmuştur. Geviş getiren hayvanların sindirim mekanizmaları bunlara örnek olarak verilebilmektedir. Ruminantlarda lignoselülozca zengin çok çeşitli substratı sindirme kabiliyeti olan sofistike bir sindirim sistemi bulunmaktadır. Bu besinlerin sindirimi rumende bulunan mikrobiyal topluluğun simbiyotik ilişkisi ile gerçekleşmektedir. Rumen bakterilerinin yüksek selülolitik aktiviteleri, lignoselülozik atıkların anaerobik çürütücülerdeki arıtımında bir avantaj oluşturmaktadır. Fakat gerçek ölçekli bir sistemi aşılamaya yetecek kadar rumen sıvısının temin edilmesi uygulama aşamasında elverişli değildir. Bunun yanında selektif zenginleştirme yöntemleri ile lignoselüloz parçalayabilen bakteriyal aktif kültürün geliştilmesi ve bu kültürün anaerobik çürütücülerde bioaugmentasyon kültürü ya da aşı olarak kullanılması metan performansını artırmak için bir çözüm olarak değerlendirilebilir. Bu tezin amacı, lignoselülozca zengin biyokütle ile işletilen anaerobik çürütücülerde performansın artırılmasına yönelik, yüksek performanslı doğal sistemler ve mühendislik sistemlerinden ilhamla en etkin biyoaugmentasyon stratejisinin geliştirilmesidir. Bu kapsamda, farklı ruminantların rumen sıvılarından ve lignoselülozik atıklara aklime edilmiş anaerobik çürütücüden alınan numunelerden lignoselüloz parçalayabilen metanojenik mikrobiyal komünite zenginleştirilmiştir. Zenginleştirilen bioaugmentasyon kültürlerinin metan üretimi üzerindeki etkileri biyometan potansiyel testi ile incelenmiştir. Bunun doğrultuda, kesikli olarak işletilen anaerobik çürütücülerde buğday sapları lignoselülozik biyokütle olarak kullanılmış, reaktörler mezofilik şartlarda işletilmiştir. Zenginleştirilen biyoaugmentasyon kültürleri reaktörlere, toplam hücre sayıları aşı çamurunun %2, %4, %6 ve %8'i olacak şekilde eklenmiş, en etkin verimin alınması için en uygun konsantrasyon belirlenmiştir. Zenginleştirilen türlerin ve orijinlerinin, aşı çamurunun ve anaerobik çürütücülerin bakteriyel komünite yapısı, yeni nesil dizileme yöntemlerinden biri olan 454 Pyrosequencing yöntemi ile metanojenik arkeal komüniteleri ise T-RFLP yöntemi ile incelenmiştir. Komünitelerin birbirleri ile ilişkileri Non-metric Multidimensional Scaling analizi ve Temel bileşenler analizi ile ortaya konmuştur. Geliştirilen tüm kültürler substrat parçalanması üzerinde olumlu sonuç vermiş, augmente edilen reaktörlerde metan veriminde artış tespit edilmiştir. Artış seviyesi bioaugmentasyon kültürünün türüne ve eklendiği miktara göre farklılık göstermiştir. Koyun rumeninden geliştirilen kültürün %2 oranında eklendiği reaktörde metan verimi üzerinde kontrol reaktörüne oranla çok belirgin bir artış elde edilmezken, %4 eklenen reaktörlerde %27'lik bir artış tespit edilmiştir. %2 oranında inek rumeninden geliştirilen kültür ise metan verimi üzerine %6'lık bir iyileştirme meydana getirirken, aynı miktarda keçi rumeninden geliştirilen kültür metan verimini %27 oranında, anaerobik çürütücüden alınan numuneden geliştirilen kültür ise %20 oranında artırmıştır. Çalışma süresince en yüksek verim keçi rumeninden geliştirilen kültür ile %6 oranında augmente edilen reaktörde tespit edilmiş, metan verimi %36 oranında artmıştır. Zenginleştirme çalışmaları sırasında koyun rumeninden geliştirilen kültürde bakteriyel komünite içerisinde Ruminococcaceae ve Lachnospiraceae ailelerinin göreceli bolluğu artmıştır. İnek ve keçiden geliştirilen kültürde ise Bacteroidaceae ve Ruminococcaceae türleri bakteriyel komüniteyi domine etmiştir. Anaerobik çürütücü örneğinden geliştirilen biyoaugmentasyon kültüründe Porphyromonadaceae ailesinin türleri avantaj elde ederek bakteriyel kültürde en baskın grup olarak belirlenmiştir. Bunların yanında, anaerobik zenginleştirme sürecinde geliştirilen tüm kültürlerde Ruminococcaceae ailesinin göreceli bolluğu artmıştır. Zenginleştirilen kültürlerin metanojenik arkeal komüniteleri incelendiğinde rumen sıvılarının orijinlerinden bağımsız olarak komünitenin hydrogenotrofik metanojenlerce domine edildiği tespit edilmiştir. Zenginleştirme süreci metanojenik kominite üzerinde belirgin bir fark yaratmıştır. Methanobacteriales ve Methanomicrobiales takımına ait türler keçi ve inek rumen sıvısından geliştirilen kültürleri domine ederken, koyun rumeninden geliştirilen kültür Methanosarcinales takımına ait türlerce baskındır. Çalışma sırasında işletilen anaerobik çürütücülerden işletme sonunda numuneler alınarak bakteriyel ve metanojenik komünite yapıları incelenmiştir. Yapılan analizler işletme sonunda augmente edilen reaktörler ve augmentasyon kültürünün eklenmediği kontrol reaktörlerinde komünite yapılarının oldukça benzer olduğunu göstermiştir. Eklenen biyoaugmentasyon kültürleri hidroliz fazında etkin olmakla birlikte işletme süresi boyunca oluşan rekabette eklenen aşı çamuruna karşı sistemi domine edememiştir. Sonuç olarak, çalışmada amaçlandığı üzere lignoselülozca zengin biyokütlelerle işletilen anaerobik çürütücülerde metan üretim verimini artırmak üzere alternatif bir strateji geliştirilmiş, yüksek performanslı doğal sistemler ve mühendislik sistemlerinden geliştirilen biyoaugmentasyon kültürlerinin biyogaz üretim verimi üzerindeki başarısı moleküler mikrobiyal yaklaşım ve mühendislik perspektifi ile ortaya konmuştur.