Geri Dön

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

Yüksek performanslı doğal ve mühendislik sistemlerinden zenginleştirilen mikroorganizmaların lignoselülozca zengin tarım atıklarından enerji üretiminde kullanımı

PDF İndir

  1. Tez No: 539998
  2. Yazar: EMİNE GÖZDE ÖZBAYRAM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN İNCE
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 131

Özet

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 yurtdışından temin edilmekte ya da yurtiçinde 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 (ruminant) 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 (inek, koyun, keçi) rumen sıvılarından ve lignoselülozik atıklara (süpürgedarısı) 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 (NMDS) analizi ve Temel bileşenler analizi (PCA) 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 (filum: Firmicutes) 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.

Özet (Çeviri)

Energy crops, agricultural residues, animal manure, forestry residues, algae, etc. are one of the major source for renewable energy production. The amount of lignocellulose-rich agricultural wastes (such as wheat straw, rice straw, etc.) increasing day by day due to the rapid growth on population which increased the pressure on agricultural industry to meet the demands for food and animal feed. In most of the countries, these wastes are handled in an unsustainable manner, mostly disposed by burning which also has a negative impact on global warming. On the other hand, these waste streams have a great potential to be converted into wide variety of value-added products including biofuels. Anaerobic digestion is a commonly used proven technology to recovery energy from various feedstocks including agricultural residues, livestock manure, food and brewery wastes, sewage sludge, industrial and municipal wastewaters, wood industry residues etc. Among these waste streams, agricultural residues belong to the most attractive substrates for anaerobic digesters due to the high abundance, high energy content and low costs. Anaerobic digestion is a complex biological process carried out by a diverse microbial community including hydrolytic, acidogenic and acetogenic bacteria and methanogenic archaea. During the process, organic content of the biomass is degraded by a synergistic interactions of the microbial community and converted into methane-rich biogas, then methane is used for energy production. One of the main obstacles during anaerobic digestion of lignocellulose-rich biomass is the recalcitrant structure which limits the efficiency of anaerobic digesters. Hydrolysis of these compounds is considered as the rate-limiting step. Investigating the efficient approach to overcome this problem is a continuing concern. Thus, different strategies such as physical, chemical and biological pre-treatment methods are applied to enhance hydrolysis and then the overall system performance, accordingly. As the diverse group of microorganisms are necessary to carry out anaerobic digestion process, the effective inoculum selection is crutial at the start-up period. Usually, anaerobic digesters are seeded by inoculum taken from another digester or animal manure which are easy to procure. However, the specific inocula should be intoduced to the specific feedstock to enhance start-up and acclimation periods, and methane yields. The nature is always an inspiration for technological developments. Biomimicry is an approach which interests engineers for many years for new innovations. Ruminants have a sophisticated digestive system which are able to degrade a wide variety of lignocellulosic substrates thanks to a symbiotic relationships in their digestive systems. Moreover, the microorganisms in the rumen fluid is more effective in lignocellulose digestion compared to the microorganisms in anaerobic digesters. However, procurement of the rumen fluid in necessary amounts to seed a full-scale anaerobic digester is not feasible. The selective enrichment of lignocellulose-degrading bacterial culture can be a solution to enhance methane yield in anaerobic digesters. This thesis intends to obtain the most effective bioaugmentation culture with an inspiration from the high performance natural and engineering systems to enhance the anaerobic digestion of lignocellulosic feedstock and determine the most effective concentration of the bioaugmentation cultures applied to anaerobic digesters. For this purpose, lignocellulose-degrading methanogenic communities were enriched on wheat straw from rumen fluids of different ruminants (sheep, cow and goat) as well as a biogas reactor acclimated to lignocellulosic biomass (sorghum as mono-substrate) under anaerobic mesophilic conditions. The bacterial communities were examined by 454 amplicon sequencing of 16S rRNA genes, while terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) fingerprinting of mcrA genes was applied to analyze the methanogenic communities. The comparison of the enhancement potential of these bioaugmentation cultures were carried out in batch reactors using wheat straw as a lignocellulosic feedstock under mesophilic conditions. To investigate the effects of most effective concentration, the enrichment cultures were added to batch reactors in proportions of 2%, 4%, 6% and 8% of the microbial cell number of the standard inoculum slurry. All cultures had positive effects on substrate degradation, and higher methane yields were observed in the bioaugmented reactors compared to control reactors set up with standard inoculum. However, the level of enhancement differed according to the type of the enrichment culture. Whereas, addition of 2% sheep rumen derived enrichment culture did not enhance methane production significantly, 4% addition led an increase by 27%. Methane yield in batch reactors augmented with 2% cow rumen derived enrichment culture was increased by only 6%. In contrast, reactors amended with 2% goat rumen derived enrichment culture or with the bioaugmentation culture obtained from the biogas reactor digesting sorghum biomass produced 27% and 20% more methane, respectively. The highest methane yield was recorded in reactors amended with 6% goat rumen derived enrichment culture, which represented an increase by 36%. The results highlighted that relative abundances of Ruminococcaceae and Lachnospiraceae increased during the enrichment of sheep rumen fluid derived culture. On the other hand Bacteroidaceae and Ruminococcaceae were the most abundant families in the cow and goat rumen-derived enrichment cultures, Porphyromonadaceae was the predominant one in the reactor-derived culture. Additionally, the enrichment procedure increased the relative abundance of Ruminococcaceae (phylum: Firmicutes) in all cultures. T-RFLP profiles of the mcrA gene amplicons highlighted that the ruminal methanogenic communities were composed of hydrogenotrophic methanogens dominated by the order Methanobacteriales regardless of the host species. The methanogenic communities changed significantly during the enrichment procedure. Whereas, the strict hydrogenotrophic Methanobacteriales and Methanomicrobiales were the predominant orders in the enrichment cultures derived from goat and cow rumen fluid as well as biogas reactor, the sheep rumen culture was dominated by Methanosarcinales. The microbial communities were quite similar at the end of the batch tests independently of the bioaugmentation sources, indicating that the introduced microbial communities of the enrichment cultures did not dominate the reactors. The results suggest that bioaugmentation with enrichment cultures derived from high performance natural and engineering systems can be an alternative strategy to enhance digester performance treating lignocellulosic feedstocks.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    870396

    A549 insan akciğer kanser hücrelerinin enerjetik kullanımının allosterik glikoliz enzimleri düzeyinde 3D ve 2D kültür ortamında karşılaştırmalı araştırılması

    Comparison of energetic utilization of A549 human lung cancer cells at the level of allosteric glycolysis enzymes in 3D and 2D culture environments

    BİLGEHAN AKAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyokimyaAydın Adnan Menderes Üniversitesi

    Veteriner Biyokimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞEGÜL BİLDİK

  2. Tez No

    895684

    Rheological optimization of a castable plastic bonded explosive and investigation of its mechanical properties

    Dökülebilir plastik bağlı bir patlayıcının reolojik optimizasyonu ve mekanik özelliklerinin incelenmesi

    CANSU TUYGUN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimya MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELİS ÖNEL KAYRAN

  3. Tez No

    715552

    Exothermic catalytic decomposition of energetic ionic liquids on iridium based catalysts

    Enerjık iyonik sıvıların iridyum bazlı katalizörler üzerinde ekzotermik bozunması

    MERVE KURT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMRAH ÖZENSOY

  4. Tez No

    512542

    İşitme duyusunun iç mekanda mekan bağlılığının artırılmasına yönelik kullanımı

    Enhancing place attachment in interior spaces through utilization of the sense of hearing

    FATMA SÜHENDAN EROĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Psikolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İç Mimari Tasarım Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DENİZ AYŞE KANOĞLU

  5. Tez No

    858393

    Farklı proteinlerle beslenen gökkuşağı alabalığında (Oncorhynchus mykiss) büyüme performansı ve gen ekspresyonunun incelenmesi

    The effects of feather meal usage on growth performance, digestibility and gene expression in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)

    ÖMER METİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Su Ürünleriİstanbul Üniversitesi

    Su Ürünleri Yetiştiriciliği ve Hastalıkları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA YILDIZ

Geri Dön