Biogas, hydrochar and biochemical production from spent coffee grounds with biorefinery approach integrating hydrothermal carbonization and anaerobic digestion
Hidrotermal karbonizasyon ve anaerobik sindirimi entegre eden biyorafineri yaklaşımıyla kullanılmış kahve telvesinden biyogaz, hidrokömür ve biyokimyasal üretimi
- Tez No: 897089
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TÜLAY GÜNGÖREN MADENOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ege Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 120
Özet
Biyoenerji, fosil yakıtlara bağımlılığın en aza indirilmesi, insanlığın artan enerji talebinin sera gazı emisyonlarını en aza indirerek karşılanması, iklim değişikliğinin etkilerinin azaltılması için sürdürülebilir bir büyüme ve döngüsel biyo-ekonomi kapsamında en uygun yol olarak kabul edilmektedir. Biyorafineriler, çeşitli biyokütle dönüşüm teknolojileri kullanılarak atık biyokütleden biyoyakıt, biyokimyasal ve katma değerli ürünler üretmeyi amaçlayan bir sistemdir. Biyoyakıtlar elektrik üretimi, sanayi, inşaat ve ulaşım sektörlerinde fosil yakıtların yerini alma ve platform kimyasal üretme potansiyeli sebebi ile Paris İklim Anlaşması'nın 1,5°C senaryosunun gerçekleştirilmesinde çok önemli bir rol oynamaktadır. Kahve, petrolden sonra dünyada ticareti yapılan en değerli ikinci emtiadır ve dünya çapında yılda ~10 Mt tüketilmesi sonucu yılda ~6 Mt atık kahve telvesi (SCG) açığa çıkmaktadır. Dünya çapında ve ülkemizde kahve tüketiminin önceki yıllara göre arttığı görülmektedir. Bu tez çalışmasında çevresel kaygılar, küresel ve ulusal ölçekte bol miktarda bulunabilirliği, kolay ulaşılabilirliği, lignoselülozik içeriği, katma değerli biyokimyasal ve biyoyakıt üretme potansiyeli göz önüne alınarak, atık kahve telvesi biyorafineri yaklaşımı yoluyla değerlendirilmek üzere hammadde olarak seçilmiştir. Bu yaklaşımla biyokütlenin dönüşümü için sırasıyla termokimyasal bir yöntem olan hidrotermal karbonizasyon (HTC) ve biyokimyasal bir yöntem olan anaerobik sindirimi (AD) kullanılmıştır. HTC, biyokütle/su oranı 0.2 olacak şekilde, 1 saat süreyle 180, 220 ve 260°C'de gerçekleştirilmiştir. Biyorafineri yaklaşımı ile atık kahve telvesinden hidrokömür, biyokimyasallar (karboksilik asitler, furfurallar, fenoller ve ketonlar) ve biyogaz üretilmiştir. Mezofilik AD deneylerinde, maya fabrikasının AD tanklarından alının atık çamur (WS) inokulum olarak değerlendirilirken, SCG, HTC ile elde edilen hidrokömürler ve proses suları da substrat olarak kullanılmıştır. MATLAB yardımıyla kümülatif biyometan verimini modelleyen en uyumlu kinetik model Gaussian Process Regression Matern 5/2 olarak bulunmuştur. Substrat ve inokulumun uçucu katı oranının 3.6 olduğu, 50 gün süren AD deneyleri sonucunda en yüksek kümülatif biyogaz ve biyometan verimi SCG ile sırasıyla 278.63 mL/g TVS ve 180.52 mL CH4/g TVS olarak elde edilmiştir. SCG'den sonra en yüksek kümülatif biyogaz ve biyometan verimine 180°C'de elde edilen hidrokömürleri ile, sırasıyla 182.82 mL/g TVS ve 126.35 mL CH4/g TVS olarak ulaşılmıştır. 44 gün süren HTC proses sularının substrat olarak kullanıldığı AD deneylerinde, en yüksek kümülatif biyogaz ve biyometan verimine 220°C'de elde edilen proses suyu ile, sırasıyla 174.79 mL/g TVS ve 117.83 mL CH4/g TVS olarak ulaşılmıştır. Proses suyu örneklerinin AD'sinden elde edilen biyokimyasallar analiz edildiğinde, hidrokömürün AD'sinden elde edilenlere kıyasla daha yüksek konsantrasyonlarda karboksilik asit ve furfural içerdikleri gözlendi. Proses suyu numunelerinin AD öncesi ve sonrası toplam organik karbon içeriği karşılaştırıldığında, organik ürünlerin gaz ürünlere dönüşmesi nedeniyle AD ile birlikte bu içeriğin azaldığı görüldü. Hidrokömürlerin yüzey morfolojisi incelendiğinde 220 ve 260°C de üretilen hidrokömürlerin 180 °C'deki hidrokömüre göre daha porlu bir yapıda oldukları gözlemlenmiştir. 180, 220 ve 260°C sıcaklıkta üretilen hidrokömürlerin üst ısıl değerleri (HHV) hesaplandığında her birinin katı yakıt olarak değerlendirilebileceği görüldü. HHV'si 32.41 MJ/kg olan, 260°C'de üretilen hidrokömür H/C ve O/C oranları ile kömüre daha çok benzerken, HHV'si 29.97 MJ/kg olan 220°C'de üretilen hidrokömürün linyite benzediği ve HHV'si 27.25 MJ/kg olan 180°C'de üretilen hidrokömürün ise turbaya benzer özellik gösterdiği gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Bioenergy is considered the most appropriate way within the scope of sustainable growth and circular bioeconomy to minimize dependence on fossil fuels, meet humanity's increasing energy demand by reducing effects of climate change. Biorefineries aims to produce biofuel, biochemical and value-added products from waste biomass using various biomass conversion technologies. Biofuels play a significant role in the 1.5°C scenario of Paris Climate Agreement to replace fossil fuels in electricity generation, industry, construction and transportation. Coffee is the second most valuable commodity traded in the world after petroleum, and ~10 Mt are consumed annually worldwide, resulting in annual ~6 Mt of spent coffee grounds (SCG). Coffee consumption has increased worldwide and in our country compared to previous years. In this thesis study, SCG was selected as raw material by considering environmental concerns, its abundancy and accessibility, its lignocellulosic content, and potential to produce value-added biochemicals and biofuels. Hydrothermal carbonization (HTC), a thermochemical method, and anaerobic digestion (AD), a biochemical method, were integrated in biorefinery approach to utilize SCG. HTC was carried out at 180, 220 and 260°C for 1 hour, with biomass/water ratio of 0.2. Hydrochar, biochemicals (carboxylic acids, furfurals, phenols and ketones) and biogas were produced from SCG. In mesophilic AD, waste sludge (WS) from AD tanks of a yeast plant was used as inoculum, while hydrochar, SCG and HTC process water were used as substrates. By using MATLAB, the most compatible kinetic model for cumulative biomethane yield was found as Gaussian Process Regression Matern5/2. For AD lasting 50 days, where volatile solid ratio of substrate and inoculum was 3.6, the highest cumulative biogas and biomethane yields were obtained with SCG as 278.63 mL/gTVS and 180.52 mL CH4/gTVS, respectively. After SCG, the highest cumulative biogas and biomethane yields were achieved with hydrochars obtained at 180°C, as 182.82 mL/g TVS and 126.35 mL CH4/gTVS, respectively. For AD lasting 44 days, in which HTC process water was used as a substrate, the highest cumulative biogas and biomethane yield was achieved with process water obtained at 220°C, as 174.79 mL/gTVS and 117.83 mL CH4/gTVS, respectively. Higher concentrations of carboxylic acids and furfural were detected for liquid digestates from AD of process water samples compared to those from AD of hydrochar. When total organic carbon content of process water samples before and after AD was compared, it was seen that it decreased with AD due to transformation of organic products into gaseous products. When surface morphology of hydrochars was examined, it was observed that hydrochars produced at 220 and 260°C had a more porous structure than hydrochar at 180 °C. When higher heating values (HHV) of hydrochars produced at 180, 220 and 260°C were calculated, each of them was found to be considered as a solid fuel. While H/C and O/C ratios of hydrochar at 260°C, with HHV of 32.41 MJ/kg, was more similar to coal, hydrochar at 220°C with HHV of 29.97 MJ/kg was similar to lignite, and hydrochar at 180°C, with HHV of 27.25 MJ/kg, had properties similar to peat.
Benzer Tezler
- Biogas production by anaerobic co-fermentation of organic wastes
Organik atıklardan anaerobik Ko-fermentasyon yolu ile biyogaz üretimi
NİHAN ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Çevre MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DAVUT ÖZDAĞLAR
- Biyogaz enerjisi yakıt prosesi ve optimal tesis büyüklüğü uygulamaları
Biogas energy fuel process and optimal plant size applications
ADİL TURAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
EnerjiKTO Karatay ÜniversitesiEnerji Yönetimi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SIRRI UYANIK
- İnek, at, deve gübresi ve mısır silajından biyogaz üretimi
Biogas production from cow, horse, camel manures and maize silage
NURLAN AKHMETOV
- Muğla ili biyogaz potansiyelinin belirlenmesi
Determination of biogas potential of muğla province
SÜLEYMAN SAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
EnerjiMuğla Sıtkı Koçman ÜniversitesiEnerji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMET HAMDİ KARAOĞLU
DR. SEMA ASLAN
- Biyogaz akımı içerisindeki siloksan bileşiklerinin giderimi
Removal of siloxane compounds from biogas stream
YAĞMUR MELTEM AYDIN KIZILKAYA
Doktora
Türkçe
2021
Çevre MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT UYAK