Biyokütle hızlı piroliz ürünlerinin yapay sinir ağları ile modellenmesi

Dünya ve ülkemizde çoğunlukla seralarda üretimi gerçekleştirilen domates, biber ve patlıcan bitkilerinin hasat atıklarının çevreye yükü oldukça fazladır. Geleneksel yöntemlerle bitkisel atıkların bertarafına yönelik çalışmalar ülkemizdeki katı atık yönetimi çerçevesinde yürütülmektedir. Atık durumundaki biyokütlelerin hem çevreye yükünü azaltacak hem de katma değerli çıktılara dönüşmesini sağlayabilecek teknolojilerin geliştirilmesine yönelik çalışmalar global politikalar ve eylem planları ile teşvik edilmektedir. Ulusal ve uluslararası alanda iklim, çevre ve biyoekonomi çerçevesinde biyokütleden enerji elde edilmesine yönelik akademik ve sektörel bazda araştırmalara sağlanan fon destekleri ile bu alan popülerliğini korumaktadır. Bu tez çalışması kapsamında katı atık tanımı içerisindeki bitkisel/tarımsal atık kaynaklı biyokütle olarak sınıflandırılmış domates, biber ve patlıcan bitkilerinin hasat atıklarının piroliz yöntemi ile bertarafı ve enerji açısından potansiyeli değerlendirilmiştir. Tez çalışması 3 ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde sera atıkları olarak tanımlanan domates, biber ve patlıcan bitkilerinin hasat atıklarının ön, bileşenler, elementel, FT-IR ve ICP-MS karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Literatürde piroliz yöntemi ile enerji ve farklı ürünlere dönüşme ekseninde kaynak olarak kullanılabilmesi raporlanan birçok biyokütle ile düşük nem içeriği, yüksek uçucu madde özellikleri ile benzer özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir. İkinci bölümde domates, biber ve patlıcan bitkilerinin hasat atıklarının tek tek, eşit kütleli ikili ve üçlü karışımlarının piroliz ortamında termogravimetrik analizi (TGA) gerçekleştirilmiştir. TGA çerçevesinde elde edilen bilgilerden TG ve DTG ile biyokütlelerin ısıl davranışlarına yönelik önemli bilgiler elde edilmiştir. Biyokütlelerin TGA verileri ile FWO, KAS ve Starink kinetik modelleri oluşturulmuştur. Kinetik modeller kullanılarak biyokütlelerin tekli, ikili ve üçlü karışımlarının Aktivasyon enerjileri (Ea) 69.41-104.44 kJmol-1 olarak belirlenmiştir. Sera atıklarının FWO, KAS ve Starink kinetik model uyumluluğu, Ea ve termodinamik parametreler açısından değerlendirildiğinde tekli, ikili ve üçlü karışımların biyokütle enerjisi eldesi açısından önemli bir kaynak olabileceği değerlendirilmiştir. Biyokütlelerin tekli kullanımında domatesin, ikili karışımlarda ise domatesin biber ve patlıcan ile oluşturduğu karışımların Ea açısından durumu karışım sinerjisi açısından önemli bilgiler vermektedir. Biyokütle kaynaklarının çeşitliliği, biyokütleden enerji eldesinde kullanılacak olan teknolojik altyapı ihtiyacına yönelik araştırmaların sayı ve çeşitliliğinin kurgusunda önemli bir faktördür. Özellikle potansiyel yeni biyokütle kaynaklarından enerji elde edilmesine yönelik gerçekleştirilen araştırmalarda ürüne etki edecek parametrelerin sayısının çokluğu zaman ve maliyet gibi kaynak kullanımında yeni yaklaşımların geliştirilmesi ihtiyacını oluşturmuştur. Bu kapsamda farklı matematiksel yaklaşımların deney tasarımlarının kurgulanmasında kullanıldığı araştırmalar literatürde yer almaktadır. Matematiksel yaklaşımlardan biri olan ve insan sinir ağ yapısının çalışma prensibini farklı araştırma problemlerinin çözümünde kullanan yapay sinir ağları yöntemi ile biyokütleden enerji eldesinde piroliz yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen araştırmalar literatürde sınırlıdır. Literatürdeki çalışmalarda, araştırmacılar tarafından incelenen veri setleri genellikle literatürden sağlanmaktadır. Tez çalışmasının üçüncü bölümünde yapay sinir ağları (YSA) yöntemi kullanılarak Akdeniz Üniversitesi Çevre Mühendisliği bölümünde yer alan piroliz cihazında gerçekleştirilen hızlı piroliz deneylerinden elde edilmiş verilerden iki farklı uygulama veri seti oluşturulmuştur. İki uygulama veri seti ile YSA mimarileri üzerine araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Hızlı piroliz deneylerinde kullanılan biyokütlelere ait ön, bileşen ve elementel analiz sonuçları proses parametreleri ile birlikte kümelenerek iki uygulama veri seti 14 model üzerinde YSA mimarileri incelenmiştir. Girdi parametresi olarak en az 4 en fazla 21 parametre, hızlı piroliz ürünleri çıktısı açısından 4 farklı çıktı çerçevesindeki YSA modelleri gizli katman nöron sayısı, gizli katman sayısı ve verilerin eğitim/test/doğrulama yüzde bölümleri açısından incelenmiştir. Çalışmalar sonucunda proses parametreleri ile elementel ve bileşenler analizi kümelerine yönelik model performanslarının diğer modellere görece daha başarılı oldukları belirlenmiştir. Performans açısından başarılı bulunan modellerden tez çalışmasında kullanılan domates, biber ve patlıcan atıklarının tekli, ikili ve üçlü karışımları çerçevesinde sıvı ürünü için verileri modellerde kullanılmamış deneylere yönelik teorik sonuçlar üretilerek validasyon çalışmaları yürütülmüştür. Elde edilen sonuçlarda ilk uygulama verisinden elde edilen modellerden ikisinin diğer modellere göre daha başarılı olduğu belirlenmiştir. Çalışma sonucunda geliştirilen YSA modelinin hızlı piroliz deneyleri öncesi sıvı ürün açısından ön uygulama aracı olarak kullanılabilme potansiyeli olduğu söylenebilir. Akdeniz Üniversitesi Çevre Mühendisliği bölümünde yer alan piroliz cihazında gerçekleştirilecek yeni hızlı piroliz deney verileri ile ön uygulama aracının geliştirilerek sıvı ürün dışındaki diğer ürünlere yönelik de bir ön uygulama aracı olarak kullanılabileceği öngörülmektedir