Start-up strategies for enhanced methane production from cattle manure in bioelectrochemical systems
Biyoelektrokimyasal sistemlerde sığır gübresinden üretilen metanı arttırmak için başlangıç stratejileri
- Tez No: 776686
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ YASEMİN DİLŞAD YILMAZEL TOKEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 142
Özet
Elektrometanojenesis olarak bilinen biyoelektrokimyasal metan üretimi, karbondioksitin metana dönüştürülmesi yoluyla karbon geri dönüşümü için gelişmekte olan bir teknoloji sağlamakta ve aynı zamanda organik atık azaltımı gibi ek bir fayda sağlamaktadır. Elektrometanojenik mikrobiyal elektroliz hücresindeki (MEH) biyoelektrokimyasal dönüşüm reaksiyonları, elektrotlar üzerindeki elektro-aktif biyofilm tarafından katalize edilir; dolayısıyla biyofilm oluşumu sistem performansında kilit bir role sahiptir. Bu çalışmada amaç, farklı başlatma stratejilerinin biyoelektrokimyasal reaktörlerde karmaşık bir atık olan sığır gübresinden metan üretiminin performansı üzerindeki etkilerini değerlendirmektir. İlk olarak, elektrometanojenik bir MEH'in performansına odaklanılmış ve basit bir substrat olan asetat (ASE) ve karmaşık bir atık olan sığır gübresi (SG) beslemesi üzerine biyofilm oluşumunun etkisinin karşılaştırmalı bir analizini sağlamak için deneyler tasarlanmıştır. Bu amaçla, tek hazneli MEH'ler beslemeli yığın modunda 0,7 V uygulanan voltajla çalıştırılmıştır. Tek karbon kaynağı (ASE veya SG) üzerinde biyofilm oluşumu üzerine, seçilen sayıda MEH (ASE_SG ve SG_ASE) test süresi boyunca çapraz beslemeye tabi tutulmuştur. ASE_SG ve SG_SG reaktörleri arasındaki mevcut üretim hızındaki fark ASE_SG lehine %20 olmasına rağmen, çapraz besleme metan üretimini düşürmüştür. Sonuçlar, SG tek besleme olarak kullanıldığında yaklaşık %20 daha yüksek metan üretim oranı (131,6 ± 2 mL/L-d) olduğunu göstermiştir. Mikrobiyal komünite analizi, birincil substratın biyoelektrotların topluluğunu şekillendirdiğini ve çapraz beslemenin mikrobiyal topluluk üzerinde önemli bir etkisi olmadığını göstermiştir. Bu bilgiye dayanarak, ikinci deney seti, SG ilavesiyle oluşturulan biyofilm bağlı elektrotların kullanımının ve karbon bazlı iletken bir malzeme olan granül aktif karbonun (GAK) anaerobik çürütme - mikrobiyal elektroliz hücresi (AÇ-MEH) entegre sistemi üzerindeki etkisini araştırmak üzere tasarlanmıştır. AÇ-MEH sistemleri, MEH'ler ve geleneksel AÇ reaktörlerinin bir kombinasyonudur ve son zamanlarda atık maddelerden iyileştirilmiş metan üretimi için kullanılmaktadır, ancak başlatma prosedürleri hakkında sınırlı bilgi bulunmaktadır. Ayrıca, reaktör ortamının (tampon) seçimi biyoelektrokimyasal sistemlerin performansında önemlidir; bu nedenle, bu çalışmada, 100 mM fosfat tamponlu salin (PBS) çözeltisi ve fosfat içermeyen bir tuz ortamı olmak üzere iki farklı tampon çözeltisi kullanılarak CM ile beslenen AD-MEC reaktörlerinin performansı karşılaştırılmıştır. AD reaktöründe tuz tampon çözeltisinin kullanılması, 100 mM PBS ortamlı aynı reaktöre göre 4 kat daha yüksek net metan verimi ve 5,8 kat daha düşük gecikme süresi ile sonuçlanmıştır. En yüksek metan üretim hızı 12,03±0,01 mL/gün ve metan verimi 318,1±1,4 mLCH4/g eklenen uçucu katı madde (UKMeklenen), AÇ-MEH'de bakir elektrotlar kullanıldığında BiyoGAK olarak adlandırılan biyofilm bağlı GAK ilaveli tuz ortamı varlığında elde edilmiştir. AÇ-MEH'lerde elde edilen verim, geleneksel AÇ 'ye göre yaklaşık %25 daha yüksektir.
Özet (Çeviri)
Bioelectrochemical methane production, known as electromethanogenesis, provides an emerging technology for carbon recycling via the conversion of carbon dioxide to methane with the additional benefit of simultaneous organic waste reduction. Bioelectrochemical conversion reactions in an electromethanogenic microbial electrolysis cell (MEC) are catalyzed by electro-active biofilm on the electrodes; hence, biofilm formation has a key role in system performance. In this study, the objective was to evaluate the impacts of different start-up strategies on the performance of methane production from a complex waste, cattle manure in bioelectrochemical reactors. At first, the focus was on the performance of an electromethanogenic MEC and designed experiments for providing a comparative analysis of the impact of biofilm formation upon feeding a simple substrate, acetate (ACE), and a complex waste, cattle manure (CM). To this purpose, single chamber MECs were operated with an applied voltage of 0.7 V on a fed-batch mode. Upon biofilm formation on the sole carbon source (ACE or CM), a selected number of MECs (ACE_CM and CM_ACE) were subjected to cross-feeding during the test period. Even though the difference in the current production rate between the ACE_CM and CM_CM reactors was 20% in favour of the ACE_CM, cross-feeding lowered methane production. The results showed that there was around 20% higher methane production rate (131.6 ± 2 mL/L-d) when CM was used as the sole feed. Evidently, microbial community analysis showed that the primary substrate shapes the community of the bioelectrodes and cross-feeding does not have a significant impact on the microbial community. Based on this knowledge, the second set of experiments was designed to investigate the impact of the use of biofilm attached electrodes formed via CM addition, and the amendment of a carbon-based conductive material, granular activated carbon (GAC), on the integrated system of anaerobic digestion – microbial electrolysis cell (AD-MEC). AD-MEC systems are a combination of MECs and conventional AD reactors and have recently been used for enhanced methane production from waste materials, however, there is limited information on the start-up procedures. Further, the choice of reactor medium (buffer) is significant in the performance of bioelectrochemical systems; therefore, in this work, the performance of AD-MEC reactors fed with CM using two different buffer solutions, 100 mM phosphate-buffered saline (PBS) solution and a salt media without phosphate has been compared. Using the salt buffer solution in the AD reactor resulted in a 4 times higher net methane yield and 5.8 times lower lag time than the same reactor with 100 mM PBS media. The highest methane production rate of 12.03±0.01 mL/d and methane yield of 318.1±1.4 mLCH4/g volatile solids added (VSadded) were attained in the presence of salt medium with the amendment of biofilm-attached GAC, named, BioGAC when bare electrodes were used in AD-MEC. The yield attained in AD-MECs was around 25% higher than conventional AD.
Benzer Tezler
- 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
EMİNE GÖZDE ÖZBAYRAM
Doktora
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN İNCE
- Aerodynamic mechanisms of flapping flight
Çırpan kanatlı uçuşun aerodinamik mekanizmaları
MUSTAFA PERÇİN
Doktora
İngilizce
2015
Havacılık MühendisliğiTechnische Universiteit Delft (Delft University of Technology)Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FULVIO SCARANO
- Lantani̇t metal i̇yonlarinin i̇letkenli̇k dedektörü kullanılarak kapi̇ler elektroforez yöntemi̇ i̇le ayrilmasi
Separation of lanthanides ions by capillary electrophoresis with contactless conductivity dedection
HAYRİYE ECEM YELKENCİ
- Somuttan soyuta: Temel tasarım stüdyosunda bir başlangıç pratiği olarak yaparak tasarlama
From concrete to abstract: Designing by doing as an initial practice in basic design studio
BERİL GÖK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Eğitim ve Öğretimİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YÜKSEL DEMİR