BİYOKÜTLEDEN FOTOSENTETİK BAKTERİLERLE HİDROJEN ÜRETİMİ

Transkript

1 BİYOKÜTLEDEN FOTOSENTETİK BAKTERİLERLE HİDROJEN ÜRETİMİ Inci Eroglu, Kimya Mühendisliği Bölümü ve Biyoteknoloji EABD, ODTÜ Meral Yücel, Biyoloji Bölümü ve Biyoteknoloji EABD, ODTÜ Ufuk Gündüz, Biyoloji Bölümü ve Biyoteknoloji EABD, ODTÜ Harun Koku, Kimya Mühendisliği Bölümü ve Biyoteknoloji EABD, ODTÜ ODTÜ Biyoloteknoloji 25. Yıl Etkinliği ODTÜ/Ankara 1

2 İÇERİK Fotosentezi taklit eden bir enerji dönüşüm sistemi keşfedebilir miyiz? Hidrojen enerji sistemi nedir? Biyo-benzer stratejilerle sürdürülebilir enerji geleceği ODTÜ de hidrojen enerji sistemi araştırmaları Fotosentetik PNS bakterilerle hidrojen üretimi HYVOLUTION projesi Pilot ölçekli fotobiyoreaktör geliştirilmesi Beklentiler

3 FOTOSENTEZİ TAKLİT EDEN BİR ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMİ KEŞFEDEBİLİR MİYİZ? HİKAYEMİZ 30 HAZİRAN1981 de ODTÜ DİPLOMA TÖRENİNDEN SONRA, ÜÇ DOKTORA MEZUNUNUN bu soruyu sormasıyla başladı. Üçünün de aklında farklı bir çözüm vardı. Dr Meral Yücel BİTKİLERDEKİ FOTOSENTEZ Dr. Ufuk Gündüz FOTOSENTETİK BAKTERİ Dr İnci Eroğlu YAPAY FOTOSENTEZ

4

5 PROF. MELVIN CALVIN le BERKELEY Üniversitesinde Aralık1987 de Randevu Prof. Melvin Calvin kimdir? Melvin Calvin 1961 de Kimya dalında Nobel ödülü almıştır. Fotosentez tepkimelerinde Calvin döngüsü olarak da anılan karbon dioksit indirgenme mekanizmasını keşfetmiştir. Bana İnanıyorum ki geleceğin enerji sorununun çözümü yapay fotosentez de yatmaktadır. Ama malesef bunu ben göremiyeceğim. Sizin de göreceğinizi sanmıyorum, ama çalışmaya devam edin. dedi. Ben Biz bitkiler çok karmaşık olduğu için fotosentetik bakterilerle çalışmayı düşünüyoruz dedim. O Bakteriler de çok karmaşık. dedi Prof. Calvin 8 Nisan 1911 doğdu ve 8 Ocak1997 de vefat etti.

6 HİDROJEN ENERJİ SİSTEMİ IAHE International Association of Hydrogen Energy Uluslararası Hidrojen Araştırma Vakfı Elektrik Üretimi SU Taşıma SU ÖN ENERJİ KAYNAKLARI ENERJİ TAŞIYICI Ev Ofis Endüstri ENERJİ TÜKETİCİLER

7 Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücresi Kimyasal Energy (H 2 and O 2 ) Elektrik + Isı + Su Kaynak:

8 Biyo-H 2 : Yenilenebilir Enerji Taşıyıcı Dünya Nüfusu 9 milyar 7 milyar (Kaynak: The UN) Yenilenebilir Enerji Biyo-H 2 (Source:SRI Consulting) 8

9 Biyokütleyi Enerjiye Çeviren Teknolojiler

10 ODTÜ de Hidrojen Enerji Sistemi Araştırmaları Güneş Enerjisi Elektrik Enerjisi Biyokütle /Atık Biyoreaktör Depolama H 2 H 2 Yan ürünler PEM Yakıt Pili Sistemi SU Air TEŞEKKÜR: Prof. Dr Nejat Veziroglu Alternative Energy Symposium,Miami USA, 1987 de BİYOLOJİK HİDROJEN ÜRETİMİ ile ilgili çalışmamızı önerdi.

11 Hidrojen Üreten Mikroorganizmalar Alg: Siyanobakteri: Biyofotoliz 2H 2 O+ light 2H 2 + O 2 Fermentetif bakteri: ( fermentasyon) şeker + H 2 O H 2 + CO 2 + organik asitler Fotosentetik bakteri:(fotofermentasyon organik asitler + H 2 O+ ışık H 2 + CO 2

12 Rhodobacter Türleriyle Hidrojen Üretim Mekanizmasına Bakış Geri-alım hydrogenase çıkarılarak hup- mutantlar elde edildi H 2 2H + + 2e [Ni-Fe] hydrogenase Polihidroksibutirat(PHB) Karotenoid gibi yan ürünler üretilir [Fe-Mo] ve [Fe-Fe] nitrogenase 2H + + 2e - + 4ATP H 2 + 4ADP + 4Pi Engelleyenler: O 2 ve NH 3 Koku et al International Journal of Hydrogen Energy,27;

13 Fermentative Hydrogen Production Organik atıklar Karanlık Fermentasyon Fotofermentasyon Δ G 0 C 6 H 12 O 6 12H 2 + 6CO 2 8H 2-33 kj Fotofementasyon - Işık - Anaerobik - Yüksek substrat dönüşümü -Substrat çeşitliliği 4H 2 2 Asetat -184 kj 3H 2 Bütrat -255 kj Hidrojenaz Anaerobik bakteri 10H 2 Işık Enerjisi ADP Fd ox ATP Fd red Nitrojenaz Fotosentetik bakteri 13

14 Biyokütleden Isısal İşlem Yapılmadan Saf Hidrojen Eldesi Non-thermal Production of Pure Hydrogen from Biomass EU 6TH FRAME PROJECT SES , HYVOLUTION PROJECT ( ) AMAÇ -Yöresel bitkiler, zirai ve gıda atıklarından elde edilen biyokütleden, biyolojik yöntemlerle hidrojen üretilmesine yönelik endüstriyel proses geliştirmektir. -TASARIM KAPASİTESİ:50 kg/h (2 MWe). Bu proje, Avrupa Birliği Altıncı Çerçeve programında 6.1 Sürdürülebilir Enerji Sistemleri Tematik Alanı nda desteklenmiştir. HYVOLUTION projesine 11 Avrupa Birliği ülkesi, Türkiye, Rusya ve Güney Afrika katıldı. Mali Destek AB Katkısı: 10.4 milyon Avro ODTÜ nün payı: Avro Webpage:

15 AB 6. Çerçeve Projesi SES , HYVOLUTION PROJESİ ( ) tiointegration Patates kabuğu, şeker pancarı melası, şeker pancarı koyu şerbeti, arpa samanı Karanlık Fermentasyon Işıklı Fermentation Claassen et al. Non-thermal Production of Pure Hydrogen from Biomass. In Hydrogen and fuel cells. Ed. Stolten D. Wiley CH. 2010

16 Birbirini takip eden karanlık ve ışıklı fotofermentasyon ile biyokütleden hidrojen üretimi 16

17 Mevsimsel Değişikliklerin Fotofermentatif Hidrojen Üretimine Etkisi YH2(mol) / Biomass (gdcw) Y = 3E-06x R² = Daily Solar Radiation (Wh/m 2. d) Winter (December), 2008 Summer (July), 2009 July, 2009 Günlük verim (Y) = Üretilen H2 (mol)/biyokütle (gdcw) Verim güneş ışınımıyla doğru orantılı artmaktadır. Kışın elde edilen verimin 4 katı Yazın elde edilmiştir. R.capsulatus YO3 (hup-) Besiyeri: Asetat- Glutamat İşleyiş: Kesikli beslemeli December, 2008 Androga et al International Journal of Hydrogen Energy;36-17:

18 Fotobiyoreaktör Ölçek Büyütme Araştırmaları Küçük ölçekli laboratuvar denemeleri 55 ml lik cam reaktörlerde (A) soğutmalı inkübatörlerde yapılmaktadır. Fotobiyoreaktör ölçeği açıkhava denemelerinde içten soğutmalı (B) Panel reaktörlerde 4-40 L (C) Borusal reaktörlerde 90 L ye kadar büyütülmüştür. 3 aya varan sürekli hidrojen üretimi gerçekleştirilmiştir. -Boran vd., Journal of Cleaner Production, 31/ , Androga vd. Int. Journal of Hydrogen Energy (IJHE), 39/ , 2014.

19 HYVOLUTION Projesinde, Biyohidrojen Üretim tesisinin borusal reaktörlerin alan gereksinimiyle, biyogaz tesisi ve fotovoltaik tesisat yerleştirme alanlarının karşılaştırılması. ( Almanya daki biyogaz ve fotovoltaik tesisler ve 1kg/h hydrojen üretimi baz alınmıştır.)

20 H 2 üretim hızındaki ilerlemeler

21 Beklentiler Üretim Hızı Arttıkça Alan gereksinimi ve maliyet azalacaktır Gelecekte üretim hızını arttırmaya yönelik stratejiler nelerdir? i) Genetik modifikasyon ii)reaktör tipi ve tasarımını geliştirmek ( Immobilizasyon) iii) Mikrobiyal fizyoloji ve besiyeri gereksinimini daha iyi anlamak iv) Karışık kültür kullanımı ve metabolik çok yönlülük yaratmak.

22 ODTÜ Biyohidrojen Grubuna Katkıda Bulunan Araştırmacılar Prof. Dr. Lemi Türker Banu Kaya Dr. Adnan Aydemir Demet Çetin Dr. Başar Uyar Deniz Yiğit Dr. Bekir Zabut Elif Genç Dr. Dominic Deo Androga Gökçe Avcıoğlu Dr. Ebru Özgür Kadir Aslan Dr. Ela Eroglu Mehmet Yetiş Dr. Gökhan Kars Özgür Çakıcı Dr. Kamal Elkahlaout Muazzez Gürgan Dr. Nilüfer Afşar Emrah Sağır Dr. Vedat Sediroğlu Emine Kayahan Dr. Tarık Elbashiti Dr. Tüzün Arık Altan Tabanoğlu Efe Boran Burcu Özsoy Pelin Sevinç Gülşah Pekgöz Endam Özkan Nihal, Sevilay ve diğerleri