Su sümbülü (Eichhornia crassipes) bitkisinden anaerobik sindirimle biyogaz üretiminde mikrobiyal topluluğa çalışma koşullarının etkisi
Yükleniyor...
Dosyalar
Tarih
2022
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Küresel ısınmaya karşı alınan önlemlerin başında, farklı ekonomik sektörler için sera gazı emisyonu kontrolü gelmektedir. Türkiye’nin de taraf olduğu Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi’ne göre; taraflar ekonomik sektörlerden salınan sera gazı miktarlarını yıllık olarak raporlamakla yükümlüdürler. Atık sektörü, insan kaynaklı sera gazı emisyonunun %3’ünü, atık su arıtımı ise atık sektöründen kaynaklanan sera gazı emisyonunun %20’sini oluşturmaktadır. Anaerobik Sindirim (AS) organik materyallerden enerji üretimi ve atık bertarafı için olumlu sonuçları kanıtlanmış bir teknolojidir. Organik katı atıklar, arıtma çamurları ve lignoselülozik atıklar biyogaz üretimi amacıyla kullanılmaktadır. Bu çalışmada substrat olarak yüksek mahsul verimine sahip istilacı bir lignoselülozik biyokütle olarak su sümbülü (Eichhornia crassipes) ve evsel atık çamuru (aşı) AS ile laboratuvar ölçekli deneysel biyogaz üretimi gerçekleştirilmiştir. Optimum biyogaz üretimi ve yüksek verimde metan oluşumunu gerçekleştirmek için substrat konsantrasyonunun (0, 10, 20, 30, 40 ve 50 g/L), atık çamur konsantrasyonunun (33,4 g/L) etkileri farklı sindirim sıcaklıklarında (35, 40, 45, 50 ve 55°C) incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre 35°C’de 30 g/L substrat ve 33,4 g/L atık çamur konsantrasyonunda en yüksek biyogaz verimine ulaşılmıştır (metan içeriği: %81,1 ve biyogaz üretimi: 163,2 mL/g TUK (toplam uçucu katı). Substrat ve aşı konsantrasyonları ve sıcaklık su sümbülü ve atık çamur ile gerçekleştirilen metan üretiminin kinetik analizi için önemli parametrelerdir. Kinetik analiz sonuçları, reaktör tasarımında, ölçek büyütmede ve optimum koşulların belirlenmesinde kullanılabilir. Metan üretim potansiyelini karşılaştırmak için kullanılan kinetik modeller arasında en iyi uyumu modifiye Gompertz modeli göstermiştir. Maksimum metan üretimi için optimum sindirim sıcaklığı belirlemek için kullanılan Ratkowsky modelinde optimum sıcaklık yaklaşık 43°C olarak bulunmuştur. Elde edilen verilere bakıldığında yüksek metan üretim hızı için su sümbülünün atık çamur ile anaerobik sindirilmesinin optimum substrat ve aşı konsantrasyonlarında ve sıcaklıkta gerçekleştirilmesi gerektiği anlaşılmıştır. Anaerobik sindirim, mikroorganizmalar tarafından yürütülen biyokimyasal bir süreçtir ve süreç kararsızlığı, mikrobiyal metabolizmanın bozulmasından kaynaklabilmektedir. Mikroorganizmaların organizasyonunu ve davranışını birden çok ölçekte incelemek, proses istikrarsızlığının mikrobiyolojik mekanizmalarını aydınlatmaya yardımcı olabilmektedir. Mikrobiyota analizi sonuçları incelendiğinde, beklenildiği üzere arke sayısının bakteri sayısından yaklaşık olarak 1 log (10 kat) fazla olduğu görülmüştür. Deneysel çalışmalarda, farklı substrat (0, 10, 20, 30, 40 ve 50 g/L), sabit atık çamur konsantrasyonun (33,4 g/L) etkilerine ve sabit substrat + atık çamur konsantrasyonunda farklı sindirim sıcaklıklığında (35, 40, 45, 50 ve 55°C) mikrobiyal florada büyük ölçekte değişim görülmüştür. PCoA plot grafiğine göre tür çeşitliliği en fazla 35°C’de 30 g/L substrat ve 33.4 g/L atık çamur ve 50°C’de 30 g/L substrat ve 33,4 g/L atık çamur konsantrasyonunda olmuştur. En az tür çeşitliliği ise 35°C’de 0 g/L substrat ve 33,4 g/L atık çamur konsantrasyonunda görülmüştür. Bu sonuçlar kümülatif biyogaz ve metan verimiyle örtüşmektedir.
Greenhouse gas emission control for different economic sectors comes first among the measures taken against global warming. To which Turkey is a signatory to the United Nations Framework Convention on Climate Change based, the parties are obliged to report annually the number of greenhouse gases emitted from the economic sector. The waste sector accounts for 3% of human-induced greenhouse gas emissions, and wastewater treatment accounts for 20% of greenhouse gas emissions from the waste sector. Anaerobic Digestion (AD) is a proven technology for energy production and waste disposal from organic materials. Organic solid wastes, treatment sludges and lignocellulosic wastes are used for biogas production. In this study, laboratory-scale biogas production was carried out with AD of water hyacinth (Eichhornia crassipes) as invasive lignocellulosic biomass with high crop yield and AD of domestic waste sludge (inoculum). The effects of substrate concentration (0, 10, 20, 30, 40 and 50 g/L TS (total solid)) and waste sludge concentration (33.4 g/L TS) to achieve optimum biogas production and efficient methane formation at different digestion temperatures (35, 40, 45, 50 and 55°C). In this study, the highest biogas yield was achieved at 35°C with 30 g/L TS of substrate and 33,4 g/L TS of waste sludge concentration (81,1% of methane content and biogas production of 163,2 mL/g TVS (total volatile solid). Substrate and inoculum concentrations and temperature are important parameters for the kinetic analysis of methane production by water hyacinth and waste sludge. Kinetic analysis results can be used in reactor design, scale-up and for determining optimum conditions. Among the kinetic models used to compare methane production potential, the modified Gompertz model showed the best fit. In the Ratkowsky model used to determine the optimum digestion temperature for maximum methane production, the optimum temperature was approximately 43°C. Considering the obtained data, it was revealed that anaerobic digestion of water hyacinth with waste sludge should be performed at optimum substrate and vaccine concentrations and temperatures for high methane production rate. Anaerobic digestion is a biochemical process carried out by microorganisms, and process instability is due to the disruption of microbial metabolism. Examining the organization and behavior of microorganisms at multiple scales can help elucidate the microbiological mechanisms of process instability. When the results of microbiota analysis were examined, it was observed that the number of archaea was approximately 1 log (10 times) more than the number of bacteria, as expected. In experimental studies, different substrates (0, 10, 20, 30, 40, and 50 g/L) were affected by the effects of fixed waste sludge concentration (33.4 g/L) and constant substrate + waste sludge concentration at different digestion temperatures (35, 40, 45, 50 and 55 °C), a large-scale change in microbial community was observed. According to the PCoA plot, the species diversity was highest at 30 g/L substrate and 33.4 g/L waste sludge at 35°C, and 30 g/L substrate and 33,4 g/L waste sludge at 50°C. The least species diversity was observed at 35°C at 0 g/L substrate and 33,4 g/L waste sludge concentration. These results are consistent with the cumulative biogas and methane yields.
Greenhouse gas emission control for different economic sectors comes first among the measures taken against global warming. To which Turkey is a signatory to the United Nations Framework Convention on Climate Change based, the parties are obliged to report annually the number of greenhouse gases emitted from the economic sector. The waste sector accounts for 3% of human-induced greenhouse gas emissions, and wastewater treatment accounts for 20% of greenhouse gas emissions from the waste sector. Anaerobic Digestion (AD) is a proven technology for energy production and waste disposal from organic materials. Organic solid wastes, treatment sludges and lignocellulosic wastes are used for biogas production. In this study, laboratory-scale biogas production was carried out with AD of water hyacinth (Eichhornia crassipes) as invasive lignocellulosic biomass with high crop yield and AD of domestic waste sludge (inoculum). The effects of substrate concentration (0, 10, 20, 30, 40 and 50 g/L TS (total solid)) and waste sludge concentration (33.4 g/L TS) to achieve optimum biogas production and efficient methane formation at different digestion temperatures (35, 40, 45, 50 and 55°C). In this study, the highest biogas yield was achieved at 35°C with 30 g/L TS of substrate and 33,4 g/L TS of waste sludge concentration (81,1% of methane content and biogas production of 163,2 mL/g TVS (total volatile solid). Substrate and inoculum concentrations and temperature are important parameters for the kinetic analysis of methane production by water hyacinth and waste sludge. Kinetic analysis results can be used in reactor design, scale-up and for determining optimum conditions. Among the kinetic models used to compare methane production potential, the modified Gompertz model showed the best fit. In the Ratkowsky model used to determine the optimum digestion temperature for maximum methane production, the optimum temperature was approximately 43°C. Considering the obtained data, it was revealed that anaerobic digestion of water hyacinth with waste sludge should be performed at optimum substrate and vaccine concentrations and temperatures for high methane production rate. Anaerobic digestion is a biochemical process carried out by microorganisms, and process instability is due to the disruption of microbial metabolism. Examining the organization and behavior of microorganisms at multiple scales can help elucidate the microbiological mechanisms of process instability. When the results of microbiota analysis were examined, it was observed that the number of archaea was approximately 1 log (10 times) more than the number of bacteria, as expected. In experimental studies, different substrates (0, 10, 20, 30, 40, and 50 g/L) were affected by the effects of fixed waste sludge concentration (33.4 g/L) and constant substrate + waste sludge concentration at different digestion temperatures (35, 40, 45, 50 and 55 °C), a large-scale change in microbial community was observed. According to the PCoA plot, the species diversity was highest at 30 g/L substrate and 33.4 g/L waste sludge at 35°C, and 30 g/L substrate and 33,4 g/L waste sludge at 50°C. The least species diversity was observed at 35°C at 0 g/L substrate and 33,4 g/L waste sludge concentration. These results are consistent with the cumulative biogas and methane yields.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
Anaerobik Sindirim, Su Sümbülü, Biyogaz, Metan, Kinetik Modelleme, Enerji Dönüşüm Verimliliği, Yeni Nesil Sekanslama, Mikrobiyal Flora, Anaerobic Digestion, Water Hyacinth (Eichhornia Crassipes), Kinetic Models, Methane Production, Energy Conversion Efficiency, Next Generation Sequencing, Microbial Community
