Biohydrogen production from baker's yeast industry wastewater using anaerobic membrane bioreactors
Ekmek mayası endüstirisi atıksuyundan membran biyorektörde biyohidrojen üretimi
- Tez No: 384825
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ, DOÇ. DR. DİDEM OKUTMANTAŞ, PROF. BÜLENT KESKİNER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
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 gözönünde 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 (KOİ), 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 5L'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 (UYA) 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.
Özet (Çeviri)
Hydrogen has the highest energy content in all fuels, and it is becoming increasingly important as a clean and non-polluted fuel. Extensive research is being carried out for the development of hydrogen production systems. Most of the existing hydrogen-producing plants are dependent on fossil fuels. Interest in hydrogen production systems from renewable energy sources such as biomass, water and solar, is increasing due to the importance of reducing dependence on fossil fuels known as hydrocarbon fuels. Because energy resources are rapidly decreasing, the hydrogen production potential of microorganisms is becoming a very attractive solution. If the hydrogen production systems based on microorganisms are compared with each other, it is determined anaerobic fermentation has highest hydrogen synthesis rate. However, the hydrogen synthesis rate varies greatly. In theory while 1 mol glucose has the potential to produce 12 mol H2, existing fermentation technologies can produce only 2-3 mol H2. The reasons for this are lack of organic matter decomposition to acetate and acetone and the use of hydrogen to reduce volatile fatty acids and alcohols. Therefore, it is important to determine which environmental conditions would produce the highest hydrogen production potential. Since the produced hydrogen is used for the reduction of organic materials in anaerobic conditions, hydrogen production rates usually remain at very low levels. The source of organic matter, pH, temperature, organic load and hydraulic retention time are some factors which affect the hydrogen production rate.The subject of this thesis is to investigate the highest biohydrogen production from baker?s yeast industry wastewater using anaerobic membrane technology. Numerous studies are available in the literature related to biohydrogen production. According to these studies, the common problem for the hydrogen production is related to the development of the appropriate microbial community. However there is no comprehensive study available in the literature to address this problem. In this study it was targeted to determine which environmental conditions would enhance biohydrogen production.In this study, the combination of fermentor and membrane module treating baker?s yeast industry wastewater has been operated for 7.5 months. Effective volume of the reactors used in the system was 5L. The system was operated at 55°C. Three polipropilen membranes which had 0.0053 m2 and 0.2 micron diameters were used in the 2nd reactor for the first two months. After two months of operation, it was observed that here was no purpose of using two reactors so that the system was changed to a single bioreactor. Membranes in the membrane module was transferred to the bioreactor. Besides, ultrafiltration membranes were used instead of microfiltration membranes in this period of 3.5 months. It was decided that single bioreactor system was not effective enough because of the membrane breakdowns during continuos operation. Then the system was replaced by external membrane system, which made the total reactor volume as 9 L. During membrane cleaning and replacement of membrane modules, the reactor operation was not affected, since the module was decoupled from the reactor.In this reactor configuration, pH, oxidation reduction potential (ORP) and temperature was monitored online throughout the reactors operation. pH was kept around neutral pH by dosing mostly bases. Influent COD and dissolved COD concentrations were measured to observe the solubilization efficiency of the wastewater. Average COD concentration of the influent of the bioreactor was 52,519 mg/L. Biomass concentration was kept around 20,000 mg/L. Flushing was done according to pressure changes in membranes, and nitrogen gas was given to system in certain periods. It was aimed that the possible fouling in membranes might delay with nitrogen gas.VFA production in the system also indicates production of biohydrogen in the system. Consequently, VFA and hydrogen production were detected as end products of fermentation process. The increase in the amount of acetic acid was observed at the effluent of the system. This is an important indicator of improvement of acid production in system. Butyric acid and propionic acid were also detected at the effluent as well as acetic acid. While 45% of effluent COD consists of acetic acid, the 7% of effluent COD contained butyric acid.Hydrogen gas production were achieved between 130th-170th days of the reactor operation. CH4 production was not observed throughout the reactor operation. The biogas produced was composed mainly of H2 and CO2. The average hydrogen production rate achieved was 2.2 ml H2/L/day. This hydrogen production rate was much lower than the values previously reported for hydrogen fermentation from industrial wastewater.It was observed that hydrogen production was not enough when compared with volatile fatty acids production. Bakery yeast industrial wastewater has high level of sulphate concentration because sulphate is used preferentially as an electron acceptor in anaerobic wastewater treatment and converted to sulfide. During this process hydrogen is the most attractive compound, which can be consumed. Effluent sulfide concentration was 213 mg S-2/L and this was the reason for hydrogen production was much lower than literature values.
Benzer Tezler
- Karanlık fermentasyon ile biyohidrojen üretiminde pH kontrolu
Ph control in biohydrogen production by dark fermentation
BARAN ÖZYURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT AKAY
- Gıda endüstrisi atıksularından biyolojik yöntemlerle hidrojen eldesi ve değerlendirilmesi
Hydrogen production and evaluation using biological processes from food industry wastewater
EMRE OĞUZ KÖROĞLU
Doktora
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DEMİR
- Biohydrogen production from rice husk
Çeltik kavuzundan biyohidrojen üretimi
GÜLSÜN GİZEM TAYLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Çevre MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERPİL ÖZMIHÇI
- Biohydrogen production from organic wastes using anaerobic membrane bioreactor
Organik katı atıklardan anaerobik membran biyoreaktörde biyohidrojen üretimi
AYSEL HASANOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
- İki aşamalı reaktör sistemlerinde peynir altı suyundan biyohidrojen üretimi
Biohydrogen production from cheese whey in two stage reactor systems
FATOŞ TUBA ÇETİNKAYA DOKGÖZ