Anaerobic digestion of lignocellulosic waste using alkali pretreatment method interms of performance, microbial community, and cost analysis
Lignoselülozik atıkların alkali ön arıtım yöntemi ile anaerobik arıtımı, performans, mikrobiyal topluluk ve maliyet analizi
- Tez No: 899644
- Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN İNCE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Lignoselülozik yapıya sahip tarımsal atıklar, dünya genelinde sürdürülebilir enerji üretimi ve çevresel yönetim açısından oldukça önemli bir kaynak olarak kabul edilmektedir. Bu atıklar, özellikle tarımsal üretim süreçlerinden geriye kalan organik materyalleri temsil eder ve içerdiği lignin, selüloz ve hemiselüloz gibi polimerler nedeniyle biyolojik olarak zor bozunurlar. Bu yapısal zorluk, lignoselülozik atıkların geleneksel biyokimyasal süreçlerle enerjiye veya değerli yan ürünlere dönüştürülmesini güçleştirir. Ancak, modern biyoteknolojik yöntemler, bu atıkların daha verimli bir şekilde işlenebilmesini mümkün kılmaktadır. Lignoselülozik atıkların uygun ön arıtım süreçlerinden geçirilmesiyle, biyokimyasal olarak daha kolay parçalanabilmesi sağlanarak, biyolojik dönüşüm süreçlerinde daha yüksek verimlilikler elde edilebilmektedir. Bu çerçevede, lignoselülozik biyokütlenin ön arıtım süreçleriyle işlenmesi, biyokimyasal ürünlerin elde edilmesi için kritik bir adımdır. Bu tez çalışmasında, lignoselülozik tarımsal atıkların alkali ön arıtım yöntemi kullanılarak anaerobik sindirimi detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Çalışmanın temel hedefi, bu atıkların biyolojik olarak daha kolay sindirilebilir hale getirilmesi ve anaerobik sindirim sürecinde uçucu yağ asitleri (VFA) üretiminin artırılmasıdır. VFA'lar, biyokimya ve biyoyakıt endüstrilerinde kullanılan değerli yan ürünlerdir ve bu nedenle, biyogaz üretimi yerine VFA üretimi çalışmanın ana odağını oluşturmuştur. VFA üretiminin optimize edilmesi, biyoyakıt üretiminde önemli bir hammadde kaynağı sağlarken, aynı zamanda çeşitli biyo-kimyasalların üretimi için de önemli fırsatlar sunmaktadır. Lignoselülozik biyokütlenin bu amaçla işlenmesi, çevresel sürdürülebilirlik ve ekonomik fayda sağlama açısından önemli bir potansiyel taşımaktadır. Ayçiçeği sapları ve başları gibi lignoselülozik atıklar, dünya genelinde geniş ekim alanlarına sahip olan ayçiçeği bitkisinin tarımsal üretim süreçlerinden geriye kalan önemli bir biyokütle kaynağıdır. Bu atıklar, tarımsal faaliyetlerin bir yan ürünü olarak ortaya çıkmakta ve çoğunlukla tarlalarda yakılarak veya çürümeye bırakılarak bertaraf edilmektedir. Ancak, ayçiçeği sapları ve başları yüksek miktarda organik madde içermekte olup, uygun işlemlerle değerlendirildiğinde biyokimyasal süreçlerde değerli ürünlere dönüştürülebilecek potansiyele sahiptir. Bu çalışmada, ayçiçeği sapları ve başları kullanılarak lignoselülozik biyokütlenin alkali ön arıtım yöntemi ile biyolojik olarak daha kolay parçalanabilmesi sağlanmış ve anaerobik sindirim sürecinde VFA üretimi üzerine odaklanılmıştır. Alkali ön arıtım sürecinde potasyum hidroksit (KOH) kullanılmış ve çeşitli dozajlarda (%0, %6, %8, %10) uygulanan bu ön arıtım sonucunda elde edilen VFA verimi kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Deneysel süreçte kullanılan alkali ön arıtım yöntemi, biyokütlenin yapısındaki dirençli bağları kırarak mikroorganizmaların bu biyokütleyi daha kolay parçalamasını sağlamıştır. Özellikle lignin gibi biyolojik olarak zor bozunabilen bileşenlerin yapısının bozulmasıyla, biyokütlenin biyokimyasal süreçlerde daha hızlı ve verimli bir şekilde işlenmesi mümkün hale gelmiştir. Bu durum, VFA üretimi açısından son derece kritik bir rol oynamaktadır. Elde edilen sonuçlar, %8 KOH dozajının VFA üretiminde en yüksek verimi sağladığını ve lignoselülozik atıkların biyolojik olarak daha kolay parçalanmasını sağladığını göstermiştir. Bu bulgular, alkali ön arıtımın lignoselülozik biyokütlenin işlenmesinde ne kadar etkili bir yöntem olduğunu ortaya koymaktadır. Anaerobik sindirim sürecinde, mikroorganizmalar biyokütleyi oksijensiz ortamda parçalayarak enerji ve çeşitli yan ürünler elde eder. Bu süreçte aktif olan mikrobiyal topluluklar, biyokimyasal süreçlerin gerçekleşmesinde ve son ürünlerin oluşmasında kritik bir rol oynar. Çalışmada, mikroorganizmaların süreç üzerindeki etkilerini anlamak amacıyla, alkali ön arıtım sonrası aktif olan mikrobiyal toplulukların taksonomik yapısı incelenmiştir. Oxford Nanopore MinION dizileme teknolojisi kullanılarak yapılan analizler, mikrobiyal toplulukların süreç boyunca nasıl değiştiğini ve farklı KOH dozlarının mikrobiyal çeşitliliğe etkisini ortaya koymayı amaçlamıştır. 16S ve 18S rRNA gen bölgeleri hedef alınarak yapılan dizileme çalışmaları sonucunda, metanojenik arkeaların baskılandığı ve VFA üreten bakterilerin baskın hale geldiği gözlemlenmiştir. Bu durum, metan üretimi yerine VFA üretimini ön plana çıkaran asit üretici bakterilerin süreç sonunda baskın hale gelmesiyle elde edilmiştir. Alkali ön arıtımın mikrobiyal topluluklar üzerindeki bu etkisi, lignoselülozik biyokütlelerin anaerobik sindirimi sürecinde önemli bir avantaj sağlamaktadır. Geleneksel biyogaz üretim süreçlerinde, metanojenik arkealar baskın türler arasında yer alır ve bu mikroorganizmalar metan gazının üretiminden sorumludur. Ancak, bu çalışmada metan üretimi yerine VFA üretimi hedeflenmiştir. Bu nedenle metanojenik arkeaların baskılanması ve VFA üreten bakterilerin baskın hale gelmesi sağlanmıştır. Metanojenik arkeaların baskılanmasıyla birlikte, VFA üretimi sürecin ana odağı haline gelmiş ve bu mikroorganizmaların faaliyetleri süreç sonunda asidik ortamın oluşmasına ve VFA üretiminin artmasına olanak tanımıştır. Özellikle %8 KOH dozajında, mikrobiyal toplulukların VFA üretimini destekleyecek şekilde evrildiği ve metanojenik türlerin süreç boyunca baskılandığı gözlemlenmiştir. Mikrobiyal toplulukların dinamiklerinin yanı sıra, süreç boyunca çeşitli performans parametreleri de değerlendirilmiştir. Çözünebilir kimyasal oksijen ihtiyacı (sCOD), toplam katı madde (TS) ve uçucu katı madde (VS) giderimi gibi parametreler, alkali ön arıtımın lignoselülozik atıkların biyolojik olarak daha kolay parçalanmasına nasıl katkı sağladığını göstermektedir. Deneysel veriler, alkali ön arıtımın lignoselülozik biyokütlelerin biyokimyasal süreçlerde daha verimli kullanılmasını sağladığını ve bu süreçlerde elde edilen VFA miktarını artırdığını açıkça ortaya koymaktadır. Bu bulgular, lignoselülozik atıkların biyokütle bazlı enerji üretimi ve biyo-kimyasal ürünlerin üretimi için nasıl optimize edilebileceğine dair önemli ipuçları sunmaktadır. Bu çalışmada elde edilen bulgulara dayanarak, alkali ön arıtım yönteminin ekonomik olarak uygulanabilirliği de değerlendirilmiştir. Yapılan maliyet analizleri, %8 KOH dozajının hem VFA üretimi açısından en verimli sonuçları verdiğini hem de maliyet etkinliği açısından en uygun seçenek olduğunu göstermiştir. Lignoselülozik atıkların bu şekilde işlenmesi, geleneksel atık bertaraf yöntemlerine kıyasla çok daha sürdürülebilir ve ekonomik bir çözüm sunmaktadır. Maliyet etkinliği, özellikle endüstriyel ölçekli uygulamaların yaygınlaştırılması için kritik bir faktör olarak öne çıkmaktadır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, lignoselülozik tarımsal atıkların biyokimyasal proseslerle nasıl daha verimli bir şekilde değerlendirilebileceğine dair önemli ipuçları sunmakta ve bu süreçlerin büyük ölçekli uygulamalara entegrasyonu için önemli bir potansiyel barındırdığını ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma lignoselülozik yapıya sahip tarımsal atıkların alkali ön arıtım yöntemi kullanılarak anaerobik sindirimi üzerine kapsamlı bir inceleme sunmaktadır. Elde edilen bulgular, alkali ön arıtım yönteminin lignoselülozik atıkların biyolojik olarak daha kolay bozunabilir hale getirilmesi ve VFA üretimi açısından ne kadar etkili olduğunu göstermektedir. Aynı zamanda, mikrobiyal toplulukların süreç boyunca nasıl değiş tiği, alkali ön arıtımın bu topluluklar üzerindeki etkileri ve süreç verimliliğini artıran mekanizmalar da detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bu bulgular, atık yönetimi, biyokimyasal üretim süreçleri ve çevresel sürdürülebilirlik açısından önemli katkılar sunmakta olup, lignoselülozik atıkların daha etkin bir şekilde değerlendirilmesi için gelecekte yapılacak araştırmalara önemli bir temel sağlamaktadır. Gelecekteki araştırmalar, farklı tarımsal atık türlerinin benzer ön arıtım yöntemleriyle değerlendirilmesi, bu süreçlerin endüstriyel ölçekte uygulanabilirliğinin incelenmesi ve lignoselülozik biyokütlenin enerji üretimi dışındaki biyokimyasal ürünler için nasıl optimize edilebileceğine dair daha geniş kapsamlı çalışmaların yapılması gerekmektedir. Aynı zamanda, mikroorganizmaların bu süreçlerdeki rolü ve etkilerinin daha derinlemesine araştırılması, anaerobik sindirim süreçlerinin verimliliğini artırmak açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışma, lignoselülozik tarımsal atıkların enerji üretimi ve biyo-kimyasallar elde etmek için optimize edilmesine yönelik önemli bir temel oluşturarak, sürdürülebilir biyoekonomi ve çevresel yönetim stratejileri açısından değerli bir katkı sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Agricultural residues with lignocellulosic structures play a crucial role among renewable bioenergy sources and are abundantly available in nature. Anaerobic digestion (AD) is considered an ideal technology for agricultural waste stabilization/treatment and the production of renewable energy carriers. However, the overall economic value of the produced methane remains low, especially when compared to the potential value of waste streams. In this project, the aim is to facilitate the transition to anaerobic fermentation using agricultural waste, specifically sunflower stalks and heads with lignocellulosic structures, to increase the production of volatile fatty acids (VFA). An alkali pretreatment method will be employed as a chemical pretreatment process to investigate the yield from the selected agricultural waste and assess its impact on acidification efficiency. The purpose of using a pretreatment process is to make lignocellulosic material which is difficult to biologically degrade, more easily digestible thereby enhancing process efficiency. Wastes subjected to pretreatment with Potassium Hydroxide (KOH) at various dosages will be thoroughly examined for VFA yield. During the research process, the taxonomic classification of the microbial community active throughout the process will be conducted using the third-generation sequencing technology provided by Oxford Nanopore MinION, targeting the 16S and 18S rRNA gene regions. Finally, a cost analysis will be developed based on the obtained data. This analysis aims to contribute significantly to research in this field by providing practical guidelines to enhance the effectiveness of anaerobic treatment systems and transform organic waste into a sustainable energy source.
Benzer Tezler
- Biogas recovery during anaerobic treatment of lignocellulose-rich pollutants with high sulphate content: an investigation via innovative applications
Yüksek sülfat içerikli lignoselüloz bakımından zengin kirleticilerin havasız arıtımı sırasında biyogaz geri kazanımı: yenilikçi uygulamalarla bir araştırma
EDA YARSUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ
- Sera atıklarından metan üretim veriminin artırılması için alkali hidrojen peroksit (AHP) ön arıtma prosesinin optimizasyonu
Optimization of pre-treatment process with alkaline hydrogen peroxide to improve the efficiency of methane production from greenhouse wastes
SEZEN GÖKGÖL
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
EnerjiAkdeniz ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ
- Pamuk sapı ve selülozik katı atıkların sıvılaştırılmasında NABH4, MgCL2; MgCO3 ve kükürt'ün etkisinin araştırılması
Başlık çevirisi yok
ALİEKBER SOYSÜREN
- Anaerobic digestion of lignocellulosic waste usingphysico-chemical pretreatment methods interms of performance, microbial community, and cost analysis
Fizikokimyasal ön arıtım yöntemi ile lignoselülozik atıkların anaerobik çürütülmesi optimizasyonu, mikrobiyal topluluğu ve maliyet analizi
İREM GÜVEN BEYAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN İNCE
- Lignoselülozik içerikli biyokütle ile beslenen anaerobik çürütücülerde Clostridium thermocellum'un biyogaz üretimine etkisi
Bioaugmentation with Clostridium thermocellum in the anaerobic digestion of lignocellulosic biomass
BÜŞRA ECEM ÖNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN İNCE