Alkali hidrojen peroksit (AHP) ön arıtma prosesinin dallı darıdan etanol ve biyogaz üretim verimine etkisinin incelenmesi

Bu tez çalışması enerji bitkisi dallı darı'dan biyoyakıt üretimi için kimyasal ön arıtma (Alkali Hidrojen Peroksit) ve biyoteknolojik prosesleri (etanol ve biyogaz fermantasyonu) kombine eden bir prosesin geliştirilmesi için proses optimizasyonu konusuna odaklanmıştır. Bu tez kapsamında; etanol ve metan üretim fermantasyon prosesleri için lignoselülozik kökenli dallı darının kullanılabilir şekerine ulaşmak ve fermantasyon proseslerini zenginleştirerek üretilen etanol ve metan miktarının arttırılmasını sağlamak amacıyla AHP ön arıtma prosesi incelenmiş ve proses optimizasyonu yapılmıştır. Tez kapsamında Selçuk Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği ve Tarla Bitkileri Bölümleri tarafından araştırma amaçlı olarak yetiştiriciliği yapılan dallı darı enerji bitkisi kullanılmıştır. Dallı darının karakterizasyonunun belirlenmesi için toplam katı madde (KM), uçucu katı madde (UKM), toplam ve çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (tKOİ ve çKOİ), çözünmüş indirgen şeker (çİndŞeker), Van Soest Fraksiyonu (selüloz, hemiselüloz, lignin, çözünmüş madde) ve elementel bileşim (C-H-N-S) analizleri yapılmıştır. AHP ön arıtma proses optimizasyonunda Cevap Yüzey Yöntemi (CYY), Merkezi Kompozit Tasarım (MKT) kullanılmıştır. AHP ön arıtma prosesinin deneysel tasarımı Design Expert Trial 7.1.5 programı ile planlanmış ve AHP ön arıtma prosesi için program tarafından önerilen ön arıtma deneyleri yapılmıştır. AHP ön arıtma deneylerinin tamamlanmasından sonra AHP prosesi maksimum metan üretimi ve optimum proses maliyetinde maksimum metan üretimi için modellenerek ön arıtma prosesi optimize edilmiş ve optimum proses koşulları tespit edilmiştir. Önerilen modellerin uygunluğunun test edilmesinde ANOVA testi uygulanmıştır. Ayrıca, ön arıtma deneyleri sonrası dallı darının yüzey özellikleri değişiminin incelenebilmesi için Taramalı Elektron Mikroskop (TEM), numunedeki selüloz, hemiselüloz, lignin ve çözünür madde fraksiyon değişimleri için Van Soest yöntemi ve bağ karakterizasyonunun değişiminin incelenebilmesi için Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR) kullanılmıştır. Dallı darı numunelerinin lignin yapısını bozarak enzimlerin selüloz ve hemiselüloza erişimini arttırmak amacıyla AHP ön arıtma deneyleri yapılmıştır. Bu kapsamda, delignifikasyonda etkinliği kanıtlanmış AHP ön arıtma deneylerinde; reaksiyon sıcaklığı (50-100ºC), reaksiyon süresi (6-24 saat), hidrojen peroksit (H2O2) konsantrasyonu (%1-3) ve biyokütle katı madde miktarı (%3-7) gibi proses değişkenleri incelenerek dallı darının AHP ön arıtma ile delignifikasyonu için optimum koşullar belirlenmiştir. AHP ön arıtma etkinliğinin belirlenmesi için cevap değişkenleri olarak sıvı fraksiyonda çKOİ, çİndŞeker ve etanol ile katı fraksiyonda biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) parametreleri incelenmiştir. AHP ön arıtma deneyleri sonucunda, 100˚C reaksiyon sıcaklığı, %3 H2O2 konsantrasyonu, 24 saat reaksiyon süresi ve %3 KM miktarı deney koşullarında maksimum çİndŞeker ve çKOİ değerleri sırasıyla 43,35 mgşeker/gUKM ve 1463,51 mgKOİ/gUKM olarak elde edilmiştir. AHP ön arıtmada katı madde miktarının artırılması metan üretim miktarını olumsuz olarak etkilemiş ve maksimum çİndŞeker ve çKOİ değerlerinin elde edildiği 100˚C reaksiyon sıcaklığı, %3 H2O2 konsantrasyonu, 24 saat reaksiyon süresi ve %3 KM miktarı deney koşullarında minimum metan miktarı (233,9 mLCH4/gUKM) elde edilmiştir. Ancak, maksimum KM miktarı ve H2O2 konsantrasyonunun uygulandığı ön arıtma deneylerinde, reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon süresinin en aza indirilmesi (50˚C reaksiyon sıcaklığı, % 3 H2O2 konsantrasyonu, 6 saat reaksiyon süresi ve % 7 KM konsantrasyonu) üretilen metan miktarının artmasına ve maksimum metan miktarının (367 mLCH4/gUKM) gözlenmesine sebep olmuştur. AHP ön arıtma ile muamele edilen ve maksimum şeker içeren numunenin etanol fermantasyonu sonunda numunede etanol saptanamamıştır. AHP ile ön arıtılmış numunede etanol tespit edilemediği için AHP prosesi çKOİ, çİndŞeker ve metan (BMP) üretimi açısından optimize edilmiştir. çİndŞeker, çKOİ ve BMP cevap değişkenlerine Design Expert® 7.1.5 paket programı tarafından sırasıyla lineer, 2FI ve modifiye (backward) modeller önerilmiştir. çİndŞeker, çKOİ ve BMP cevap değişkenleri için kurulan modellere ait regresyon katsayıları (R2) sırasıyla 0,7620, 0,7345 ve 0,4409 olarak tespit edilmiştir. AHP ön arıtma prosesinin değerlendirilmesi ve BMP bağımsız değişkeninin optimizasyonunda iki farklı yaklaşım kullanılmıştır. Birinci yaklaşımda maliyet göz önünde bulundurularak; reaksiyon sıcaklığı, reaksiyon süresi ve H2O2 konsantrasyonu minimize edilmiş, çKOİ ve çİndŞeker artışı kullanılan aralıkta bırakılmıştır. İkinci yaklaşımda ise maksimum BMP üretilmesi için reaksiyon sıcaklığı ve reaksiyon süresi minimize edilmiş, H2O2 konsantrasyonu, çKOİ ve çİndŞeker artışı ise kullanılan değer aralığında bırakılmıştır. Her iki yaklaşımda katı madde miktarı ve BMP miktarının maksimum olması tercih edilmiş ve maksimize edilmiştir. Minimum proses maliyeti için yapılan optimizasyonunda optimum ön arıtmanın %1,03 H2O2 konsantrasyonu, 50°C reaksiyon sıcaklığı, 6 saat reaksiyon süresi ve %7 katı madde miktarı koşullarında sağlandığı tespit edilmiştir. Minimum proses maliyeti için Design Expert® Trial 7.1.5 paket programı tarafından tahmin edilen çKOİ ve çİndŞeker artış değerleri sırasıyla %580,75 ve %248,47'dir. Önerilen optimizasyon koşullarında yapılan validasyon deneyi sonucunda çKOİ ve çİndŞeker artış değerleri sırasıyla %542,59 ve %240,31 olarak tespit edilmiştir. Validasyon deneyi sonrasında BMP değeri 344 mLCH4/gUKM olarak ölçülmüş ve ham numuneyle kıyaslandığında %27,94 artış gözlenmiştir. Maliyet dikkate alınmadan sadece BMP'nin maksimize edildiği optimizasyonda optimum ön arıtmanın % 2,79 H2O2 konsantrasyonu, 50°C reaksiyon sıcaklığı, 6 saat reaksiyon süresi ve %6,96 katı madde miktarı koşullarında sağlandığı tespit edilmiştir. Maksimum BMP miktarı için Design Expert® Trial 7.1.5 paket programı tarafından tahmin edilen çKOİ ve çİndŞeker artış değerleri sırasıyla %923,88 ve %8,87'dir. Önerilen optimizasyon koşullarında yapılan validasyon deneyi sonucunda çKOİ ve çİndŞeker artış değerleri sırasıyla %874,74 ve %8,98 olarak bulunmuştur. Maksimum BMP üretimi için model tarafından tahmin edilen yüzde artış değerleri ile validasyon deneyi sonucu elde edilen yüzde artış değerleri kıyaslandığında çKOİ ve çİndŞeker için hata değerleri sırasıyla %5,32 ve %1,22 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, validasyon deneyi sonrasında BMP değeri 383 mLCH4/gUKM olarak tespit edilmiş ve ham numuneyle kıyaslandığında % 35,27 artış gözlenmiştir. TEM görüntülerinden ham numunenin sabit, değişmez ve süreklilik arz eden bir yüzeye sahip olduğu gözlenirken, AHP ön arıtmanın numunenin yüzeyinde meydana getirdiği deformasyon etkisinin önemli derecede yüksek olduğu tespit edilmiştir. FTIR spektrum sonuçlarında dalga boylarında çok düşük düzeyde kaymalar olmakla birlikte, gözlenen piklerin lignin ve hemiselüloz parçalanma fragmentleri olduğu gözlenmiştir. Van soest analiz sonuçlarına göre; selüloz değerinde artış, hemiselüloz ile lignin değerinde ise azalma gözlenmiş ve bu sonuçlar literatür ile uyumlu bulunmuştur. Literatürde, enerji bitkisi dallı darıya AHP ön arıtma uygulanarak ön arıtma prosesinin metan üretimi açısından optimizasyonunun yapıldığı bir çalışmaya rastlanılmamıştır. Bu tez kapsamında, enerji bitkisi dallı darıdan üretilebilecek metan üretim potansiyelinin artırılması hedefiyle AHP ön arıtma prosesinin optimizasyonu yapılmış ve metan üretim potansiyeli belirlenmiştir. Literatürde enerji bitkisi dallı darı kullanılarak AHP ön arıtma prosesinin metan üretim potansiyelinin incelendiği, optimum proses koşullarının belirlendiği ve yüzey özelliklerinin incelendiği herhangi bir çalışma bulunmadığından, bu yüksek lisans tezi kapsamında yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçlar yapılacak olan çalışmalarda referans noktası olarak kullanılabilecek değerdedir.