ŞEKER ENDÜSTRİSİ ATIKLARINDAN BİYO-HİDROJEN ÜRETİMİNDE KÜLTÜR TİPİNİN ETKİSİ

Transkript

1 ŞEKER ENDÜSTRİSİ ATIKLARINDAN BİYO-HİDROJEN ÜRETİMİNDE KÜLTÜR TİPİNİN ETKİSİ Leyla Özkan*, Göksel N. Demirer Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Ankara * İletisim kurulacak yazar leylaozkn@gmail.com, Tel: , Fax: ABSTRACT Bio-hydrogen generation potential of sugar industry wastes was investigated in batch acidogenic anaerobic reactors. Reactors, at 35 o C±2 operation temperature, were continuously stirred at 175 rpm with the mechanical stirrer. Two different experimental set-ups were conducted. In the first set-up, acidogenic anaerobic culture was enriched from mixed anaerobic culture through acidification of glucose in fed-batch continuously mixed acidogenic reactor having a sludge retention time of 3 days. In the second set-up, glucose acclimated acidogenic seed was used along with the indigenous microorganisms (unseeded reactors), mixed anaerobic culture, 2-bromoethanesulfonate added mixed anaerobic culture and heat treated mixed anaerobic culture to investigate the effect of culture type on bio-hydrogen production. For each culture type, two different COD levels (4.5 and 30 g/l COD) were investigated. Reactors with initial COD concentration of 4.5 g/l had higher hydrogen yields ( ml H 2 / g COD) than the reactors with initial COD concentration of 30 g/l ( ml H 2 / g COD). These results indicate that, 30 gr /L COD concentration caused substrate inhibition. The 2-bromoethanesulfonate inhibition and heat treatment of mixed anaerobic culture decreased the methanogenic activity but did not increase the hydrogen production yield. On the other hand, maximum hydrogen production yield (87.7 ml H 2 /g COD) and minimum methanogenic activity were observed in the unseeded reactor which had 4.5 g/l of initial COD. Keywords: Sugar industry, bio-hydrogen, culture types, fermentation ÖZET Çalışmanın amacı, kesikli asidojenik anaerobik reaktörler kullanılarak şeker endüstrisi atıklarının biyohidrojen üretimi potansiyelinin belirlenmesidir. Reaktörler, 35±1 o C işletme sıcaklığında, mekanik çalkalayıcı yardımıyla 175 rpm de sürekli çalkalanmıştır. İki adet deneysel düzenek hazırlanmıştır. İlk deney düzeneğinde, glikozun asidifikasyonu ile ortamdaki asit üreten bakteriler baskın hale getirilmiştir. Bunun için, yarı kesikli reaktörlerin katı bekletme süreleri 3 gün olarak belirlenmiştir. Daha sonra, ikinci düzenekte, şeker endüstrisi atıklarından (atıksu ve küspe) biyo-hidrojen üretimi kesikli reaktörler kullanılarak araştırılmıştır. Glikozun asidifikasyonu aşamasında elde edilen asidifikasyon bakterileri, karışık bakteri kültürü, 2-bromethansulfonat eklenmiş karışık bakteri kültürü ve sıcaklığa maruz bırakılmış karışık bakteri kültürünün biyo-hidrojen üretimine etkileri araştırılmıştır. Bunlara ek olarak, atık su içerisinde halihazırda bulunan mikroorganizmaların biyo-hidrojen üretimine yatkınlıklarını belirlemek için kültür eklenmemiş reaktörler hazırlanmıştır. Her kültür tipi için, iki farklı KOİ konsantrasyonu (4,5 ve 30 gr /L KOİ) kullanılmıştır. 4,5 gr /L KOİ içeren reaktörlerde (20,3 87,7 ml H 2 / g KOİ), 30 gr /L KOİ içeren reaktörlere (0,9 16,6 ml H 2 / gr KOİ) oranla daha fazla biyo-hidrojen üretimi gözlenmiştir. Bu sonuçlar, 30 gr /L lik KOİ konsantrasyonunun substrat inhibisyonuna neden olduğunu göstermektedir. 2-bromethansulfonat eklenmiş ve sıcaklığa maruz bırakılmış karışık bakteri kültürleri metanojenik aktiviteyi azaltmış ancak biyohidrojen üretim veriminde bir artışa neden olmamıştır. Öte yandan, 4,5 gr/l KOİ içeren kültür eklenmemiş reaktörlerde maksimum hidrojen üretim verimi (87,7 ml H 2 /gr KOİ) gözlenirken metanojenik aktiviteye rastlanmamıştır. Anahtar Kelimeler: Şeker endüstrisi, biyo-hidrojen, kültür tipleri, fermantasyon

2 1. GİRİŞ Şeker endüstrisi, istihdam ettiği iş gücü ve ekonomik kazanç bakımından düşünüldüğünde Türkiye endüstrisi içerisinde dikkate değer bir endüstri konumundadır. Ancak şeker endüstrisi prosesleri, eğer önlem alınmazsa olumsuz çevresel etkiler yaratabilmektedirler. Şeker endüstrilerinde atık oluşumunun çok fazla olmasının yansıra bu endüstriler büyük miktarda enerji tüketmektedirler. Dolayısıyla, bu sektörde atık oluşumunu ve enerji tüketimini azaltmak için bazı önlemler almak gerekmektedir. Şeker fabrikalarının üretim sürecinde su gereksinimi çok fazladır ve bunun sonucunda oluşan atıksu miktarı da yüksek olmaktadır. 100 ton şeker pancarının işlenmesi sonucunda m 3 atıksu oluşmaktadır. İçerlerinde küçük pancar parçacıklarını, çözünmüş kimyasalları, pancar üzerindeki toprak gibi maddeleri içeren yıkama ve yüzdürme suları şeker endüstrisi atıksularının önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. Bu atıksular pancarlardan çözünen şekerler nedeniyle, yüksek oranda organik kirlilik içermesi nedeniyle anaerobik biyolojik arıtım için çok uygundur (1). Şeker endüstrisinden kaynaklanan diğer bir atık ise pancar küspesidir. Genellikle hayvan yemi olarak kullanılan bu atık içerdiği selüloz, hemi-selüloz ve pektin gibi maddeler nedeniyle biyolojik bozunmaya çok elverişlidir (2). Bu atıklar aynı zamanda yenilenebilir enerji kaynaklarıdır ve bu nedenle değerli biyo-ürün eldesine yönelik çeşitli çalışmalarda besi maddesi olarak kullanılmışlardır (2,3). Bu çalışmada, şeker endüstrisi atıklarından kaynaklanan çevre problemlerini azaltmak ve elde edilen enerji ile şeker endüstrisinde kullanılan enerji tüketimini azaltmak amacıyla, şeker endüstrisi atıklarından (atıksuyu ve pancar küspesi), değerli bir biyo-ürün olan biyohidrojen üretimi amaçlanmıştır. Şeker endüstrisi atıklarından biyo-hidrojen eldesinde, farklı KOİ değerlerinin ve kültür tiplerinin etkisi araştırılmıştır. 2. YÖNTEM 2.1. Atık karakterizasyonu Deneysel çalışmalarda kullanılan, şeker endüstrisi atıkları (atıksu ve preslenmiş pancar küspesi) Amasya yakınlarındaki bir şeker fabrikasından alınmıştır. Tablo 1 ve 2 de atıksu ve preslenmiş pancar küspesinin karakterizasyonu yer almaktadır. Atıklar deneylerde kullanılmadan önce derin dondurucuda -20 o C de dondurularak muhafaza edilmiştir. Şeker endüstrisi atıksuyu karakterizasyonu yapılmadan ve deneylerde kullanılmadan önce, 1 saat bekletilmiştir. Bu sayede şeker endüstrisi atıksularında yoğun olarak gözlenen inorganik askıda katı maddeler (kum, toprak vs.) sistemden uzaklaştırılmıştır. Deneylerden önce donmuş pancar küspesinin, oda sıcaklığında çözülmesi beklenmiş ve daha sonra 105 o C de 24 saat süreyle kurumaya bırakılmıştır. Daha sonra homojenliği sağlamak amacıyla kurumuş pancar küspesi havan yardımıyla küçük parçalara ayrılmıştır.

3 Tablo 1. Atıksu (1 saat çöktürülmüş) Tablo 2. Pancar Küspesi Parametre * Değer (mg/l) Parametre * Değer TKM 6062±53,0 Nem (%) 85±0,1 AKM 665±21,2 TKM (%) 15±0,1 UAKM 335±7,1 UKM (%TKM) 94±0,01 tuya 1115±20 as H-Ac tkoi (g/g kuru ağırlık) 1,22±0,15 H-Ac 394±5 TKN (%TKM) 7,28 H-Pr 610±12 P Toplam (%TKM) 0,8-1,2 H-Bu 46±1 tkoi 6621±113,2 çkoi 6165±517,1 ph 6,82 Alkalinite 1760 (CaCO 3 cinsi) TKN 10 P Toplam 2, Besiyer Çözeltisi Besiyer çözeltisi (BÇ) anaerobik mikroorganizmaların büyümesi için gerekli tüm makro ve mikro besinleri içermektedir. Bu çalışmada kullanılan BÇ nin içeriği şöyledir (mg/l): NH 4 Cl (1200), MgSO 4 7H 2 O (400), KCl (400), Na 2 S 9H 2 O (300), CaCl 2 2H 2 O (50), (NH 4 ) 2 HPO 4 (80), FeCl 2 4H 2 O (40), CoCl 2 6H 2 O (10), KI (10), (NaPO 3 ) 6 (10), MnCl 2 4H 2 O (0,5), NH 4 VO 3 (0,5), CuCl 2 2H 2 O (0,5), ZnCl 2 (0,5), AlCl 3 6H 2 O (0,5), NaMoO 4 2H 2 O (0,5), H 3 BO 3 (0,5), NiCl 2 6H 2 O (0,5), NaWO 4 2H 2 O (0,5), Na 2 SeO 3 (0,5), Cysteine (10) (4) Aşı kültürü Deneylerde kullanılan dört faklı aşı kültürü şunlardır: Anaerobik karışık bakteri kültürü (KBK), sıcaklığa ön işlemi uygulanmış karışık bakteri kültürü (SKBK), 2- bromethansulfonat eklenmiş karışık bakteri kültürü (BKBK) ve glikozun asidifikasyonu aşamasında elde edilen asidifikasyon bakterileri (AB). Karışık bakteri kültürü Ankara Büyükşehir Belediyesi Merkezi Atıksu Arıtma Tesisi nin anaerobik çamur çürütme tanklarından alınmıştır. Karışık bakteri kültürü, aşı kültürü olarak kullanılmadan önce konsantrasyonunun arttırılabilmesi için 24 saat çöktürülmüştür, bu sayede kültürün uçucu askıda katı madde konsantrasyonu (UAKM) mg/l ye çıkarılmıştır. Hidrojeni tüketen bakterilerin, metanojenlerin, inhibisyonunu sağlayarak; spor oluşturabilenhidrojen üreten asidojenleri ortamda baskın hale getirmek için, karışık bakteri kültürü 100 o C de 15 dak. boyunca ısıtılmıştır (5) ve SKBK elde edilmiştir. BKBK için karışık bakteri kültürüne 10 mm 2-bromethansulfonat (BES) eklenmiştir (6) bu sayede metanojenik aktivite önlenmeye çalışılmıştır. Asidifikasyon bakterilerini ortamda baskın hale getirmek için kullanılan yöntem aşağıda ilk deneysel prosedürde anlatılmıştır. Deneylerden once, asidifikasyon bakterilerinin 620 mg/l olan UAKM si çöktürme metoduyla 6630 mg/l a çıkarılmıştır. * tkoi: kimyasal oksijen ihtiyacı(toplam); çkoi: kimyasal oksijen ihtiyacı(çözünmüş); TKN: toplam kjeldahl azotu TKM: toplam katı madde AKM: askıda katı madde; UAKM: uçucu askıda katı madde; tuya: uçucu yağ asidi (toplam); H-Ac: asetik asit; H-Pr: propyonik asit; H-Bu: bütrik asit;

4 2.4. Deneysel prosedür Asidifikasyon bakterilerinin zenginleştirilmesi Karışık bakteri kültüründeki asidifikasyon bakterilerinin zenginleştirilmesi amacıyla yapılan çalışma, 1500 ml lik etkin sıvı hacmine sahip 2000 ml lik reaktörde gerçekleştirilmiştir. Başlangıç için reaktöre, Ankara Büyükşehir Belediyesi Merkezi Atıksu Arıtma Tesisi nden alınan 1200 ml KBK ve hazırlanan BÇ den 300 ml eklenmiştir. Reaktör günlük besleme-boşaltma yoluyla günlük 250 ml BÇ ve 250 ml glikoz solüsyonu ile beslenmiştir. 35±1 o C işletme sıcaklığında 81 gün süreyle işletilmiştir ve mekanik çalkalayıcı yardımıyla 175 rpm de sürekli çalkalanmıştır. Reaktörün hidrolik bekletme süresi (HBS), başlangıçtaki organic yükleme hızı (OYH) ve başlangıç ph ı sırasıyla 3 gün, 2,5 gr/l-gün glikoz ve 8,03 tür. Biyo-hidrojen üreten bakteriler için en uygun ph 5,5 olduğu için (7), OYH 2,5-4 gr glikoz/l-gün aralığında değiştirilerek ph ayarlanmıştır. Reaktörün günlük beslemesi sırasında; ph hergün, AKM ve UAKM iki günde bir ölçülmüştür. Reaktördeki uçucu yağ asitlerinin konsatrasyonları ise ilk 5 gün için hergün, sonrası için iki günde bir ölçülmüştür Biyo-hidrojen üretimi Çalışmada kültür tipinin, KOİ miktarının, ph ve BÇ nin, şeker endüstrisi atıklarından biyo-hidrojen üretimine etkisi araştırılmıştır. Efektif hacmi 60 ml olan, 110ml lik anaerobik kesikli reaktörler kullanılmıştır ve reaktörlerin UAKM miktarı 1800 mg/l olarak ayarlanmıştır. Tablo 3 de de görüldüğü üzere 4 farklı deney düzeneği kurulmuştur. Her düzenek, kültür tipinin etkisini gözlemlemek için 4 farklı kültür içeren 4 reaktör (KBK, SKBK, BKBK, AB) ve atıksu içerisindeki yerel mikroorganizmaların etkisini gözlemlemek için kurulan kültür eklenmemiş reaktörden (YM 1) oluşmaktadır (Tablo 3). Sonuç olarak, bu çalışmada toplam 20 tane kesikli reaktör bulunmaktadır. KOİ nin biyo-hidrojen üretimindeki etkisini belirlemek için birinci düzenekteki reaktörler 4,5 gr/l KOİ içerirken, diğer düzenekler 30 gr/l KOİ içermektedir (Tablo 4). Biyo-hidrojen üretiminde BÇ nin etkisini gözlemliyebilmek için 1. ve 4. düzeneklere BÇ eklenmiştir (Tablo 4). ph ayarlamasının etkisini belirlemek için ise 3. düzeneğin ph ı 2M NaOH ve 2M HCI solüsyonları kullanılarak ph 5,4 e ayarlanmıştır (Tablo 4). Tablo 3. Deney düzeneklerindeki biyo-hidojen verimleri Deneysel düzenek 1 Biyo-hidrojen üretim verimi (ml H 2 /gr KOİ) Deneysel düzenek 2 Deneysel düzenek 3 Deneysel düzenek 4 YM 87,7 16,6 13,0 7,6 KBK 48,9 3,1 11,8 1,8 BKBK 40,5 3,4 7,8 0,9 AB 29,5 9,2 6,0 5,2 SKBK 20,3 2,6 7,6 5,4

5 Deneysel Düzenek Tablo 4. Deney düzeneklerinin işletme protokolleri * ph ayarlaması: 2M NaOH ve 2M HCI çözeltileri kullanılarak reaktörlerin ph değerleri 5,4 e düşürülmüştür. Reaktörlere gerekli eklemeler yapıldıktan sonra, 3 dak. azot gazı uygulanarak anaerobik ortam şartları sağlanmaya çalışılmıştır. Daha sonra plastik kapaklarla reaktörlerin ağzı sıkıca kapatılılarak, sıcak odada (35±2 o C) mekanik çalkalayıcıya (175 rpm) yerleştirilmişlerdir. Deney biyo-hidrojen üretimi azalana kadar devam etmiştir ve 215 saat sürmüştür. Reaktörlerdeki biyo-gaz kompozisyonu özellikle biyo-hidrojen olmak üzere hergün ölçülmüştür. Ayrıca deneyin başında ve sonunda ph ölçümleri yapılmıştır Analitik Yöntemler Atıksu (4.5 gr/l KOİ) Alkalinite, TKN, P Toplam, TKM, AKM, UAKM, ve küspenin tkoi ölçümleri standart metoda göre yapılmıştır (8). ph ölçümlerinde, ph metre (HI 8314, Hanna Instruments) ve probu (HI 1230, Hanna Instruments) kullanılmıştır. Atıksu için tkoi ve çkoi ölçümleri spektrofotometre (SN 05827, PC Multidirect) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Gaz kompozisyonu, gaz kromatografisi (Thermo Electron Co., Thailand) termal kondüktivite dedektörü ile günlük olarak ölçülmüştür. Giriş ve dedektör sıcaklıkları 50 o C ve 80 o C olarak ayarlanmıştır. Hidrojen (H 2 ), karbondioksit (CO 2 ), oksijen (O 2 ), metan (CH 4 ) ve azot (N 2 ) gazlarının ölçümleri, seri bağlı iki dedektör (CP-Moliseve 5A and CP-Porabond Q) ile yapılmıştır. Reaktördeki uçucu yağ asitlerinin (UYA) ölçümleri için, alınan örnekler once por genişliği 2,2 µm lik filtre kağıtlarından süzülmüş ve formik asitle ph değerleri 2,5 in altına düşürülmüştür. Asidifiye edilmiş örneklerin UYA (asetik, bütirik, propiyonik, iso-butirik, valerik, iso-valerik, kaproik, iso-kaproik ve heptanoik asit) konsatrasyonu, gaz kromatografisi (Thermo Electron Co., Thailand) ile ölçülmüştür. Giriş ve dedektör (FID) sıcaklıkları 250 o C ve 280 o C olarak ayarlanmıştır. 3. BULGULAR VE TARTIŞMA Küspe (25.5 g/l KOİ) 3.1. Asidifikasyon bakterilerinin zenginleştirilmesi Besiyer Çözeltisi ph Ayarlaması* Çalışmanın bu bölümünde anaerobik asidifikasyon yöntemiyle karışık bakteri kültürü içerisindeki metanojenik bakteriler yok edilerek, asidojenik bakteriler zenginleştirilmeye çalışılmıştır. Hidrojen üreten bakteriler, metanojenlere göre daha hızlı büyüdükleri için reaktörün HBS si 3 gün seçilmiştir. Asetik asit (H-Ac), bütirik asit (H-Bu) ve propiyonik asit (H-Pr), reaktörde gözlenen başlıca uçucu yağ asitleridir [Şekil 1(a)]. Literatüre göre bu üç UYA, asidifikasyonun gerçekleştiği reaktörlerde baskın olarak bulunmaktadır (9). Asetat, metanojenlerin besin maddesi oldu için, metanojen aktivitesinin bulunduğu reaktörlerde, yüksek değerlerde asetat beklenmemektedir. Bu nedenle, reaktörde gözlenen yüksek asetik asit miktarı

6 ( mg/l H-Ac), metanojenik aktivitenin inhibe olduğunu göstermektedir. Bunun yanında, 3 günlük HBS nedeniyle, metanojenlerin reaktörden büyüyemeden uzaklaşması başlangıçtaki mg/l olan UAKM miktarının, deney sonunda 620 mg/l ye düşmesine sebep olmuştur. [Şekil 1(c)]. Başlangıçta 8,03 olan reaktor ph ı asidifikasyon nedeniye azalmıştır [Şekil 1(b)]. Reaktörün ph ını 5-5,5 civarında tutmak için, OYH kullanılmıştır [Şekil 1(d)]. UYA (mg/l) ph ,4 7,7 7,0 6,3 5,6 4,9 4,2 H-Ac H-Pr H-Bu Zaman (gün) a) AKM ve UAKM (mg/l) b) 5,0 d) 4,5 OYH (g / L.gün ) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 c) MLSS MLVSS Zaman (gün) Şekil 1. Asidifikasyon bakterilerinin zenginleştirilmesi reaktörünün a) UYA, b) ph, c) AKM ve UAKM, d) OYH değerleri Biyo-hidrojen üretimi KOİ nin etkisi Deneysel düzeneklerden elde edilen sonuçlara göre, maksimum biyo-hidrojen verimleri (20,3 87,7 ml H 2 / gr KOİ) yalnızca atıksu içeren (4,5 gr/l KOİ) birinci deneysel düzenekteki reaktörlerde gözlenmiştir (Tablo 3). Diğer deneysel düzeneklerde (Deneysel düzenek 2, 3 ve 4) atıksuyun yanısıra pancar küspesi de katılarak KOİ nin 30 gr/l ye çıkartılması, biyo-hidrojen verimlerinin önemli ölçüde azalmasına neden olmuştur (Tablo 3). Yüksek besi maddesi içeren reaktörde, biyo-hidrojen verimlerinin azalmasının, yüksek oranda biyo-hidrojen ve/veya asit üremesinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Yüksek biyo-hidrojen üretiminin, reaktördeki hidrojenin parsiyel basıncını artırarak, biyo-hidrojen üretiminin alkol üretimine kaymasına neden olduğu ya da artan asit üretiminin reaktördeki ph ı düşürerek, ph inhibisyonuna neden olduğu düşünülmektedir (10). Kurulan Deneysel düzeneklerde en çok biyo-hidrojen verimi Deney düzeneği 1 de gözlendiği için, kültür tiplerinin biyo-hidrojen verimine etkisini araştırmak için birinci deney düzeneğindeki reaktörler (KBK 1, BKBK 1, AB 1, SKBK1 ve YM 1) kullanılmıştır.

7 Farklı kültür tiplerinin etkisi Birinci deneysel düzeneğe ait reaktörlerde (KBK 1, BKBK 1, SKBK 1, AB 1, YM 1) gözlenen toplam biyo-hidrojen ve metan üretimleri şekil 2 (a) ve (b) de gösterilmiştir. Yüksek miktarlardaki biyo-hidrojen üretim oranları, besin kaynağının biyolojik bozunmaya çok elverişli olması nedeniyle ilk 2-3 günde gözlenmiştir. Biyo-hidrojen Üretimi (ml) a) YM 1 30 KBK 1 BKBK 1 SKBK 1 20 AB 1 10 Metan Üretimi (ml) 2,0 1,5 1,0 0,5 0 0, Zaman (saat) 3,0 a) b) 2,5 YM 1 KBK 1 BKBK 1 SKBK 1 AB Zaman (saat) Şekil 2. Deney düzeneği 1 de gözlenen biyo-hidrojen (a) ve metan üretimi (b) Atıksu içerisindeki yerel mikroorganizmalar (YM) YM 1 reaktöründe, yalnızca şeker endüstrisi atıksuyu kullanılarak, aşı kültürü eklenmesi yapılmadan birinci deneysel düzenekteki maksimum biyo-hidrojen verimi (87,7 ml H 2 /gr KOİ) elde edilmiştir (Tablo 3). Şeker endüstrilerindeki kullanılan yıkama ve taşıma suları, şeker içeren çözünebilir kimyasallar ve pancar parçaları içermektedir (11). Atıksuyun içindeki bu küspe parçaları sükroz içermektedir ve bakteriyel aktivite sonucunda atıksudaki sükroz yağ asitlerine dönüşerek, atıksuyun asiditesinin artmasına neden olmaktadır. Tablo 1 de de görülebileceği gibi, çalışmada kullanılan atıksu asetik, bütirik ve propiyonik asit içermektedir yani atıksu içerisindeki yerel mikroorganizmalar, atıksuyun asidifiye olmasına neden olmuştur. YM 1 reaktöründe gözlenen maksimum biyo-hidrojen verimine, biyo-hidrojenin atıksuya aklime olmuş bakteriler tarafından üretilmesinin neden olduğu düşünülmüştür. Bunun yanında üretilen biyo-hidrojen verimi, sürekli reaktörlerde, besi maddesi olarak sükrozun kullanıldığı ve karışık bakteri kültürü içeren başka bir çalışmadaki biyo-hidrojen verimi (89,2 ml H 2 /gr KOİ) ile karşılaştırılabilecek miktardadır (5). YM 1 reaktöründe metan üretimi saptanmamıştır [Şekil 2(b)], bu da reaktördeki metanojenik aktivitenin inhibe olduğunu göstermektedir. Karışık bakteri kültürü (KBK) KBK 1 reaktöründe, diğer kültür tiplerini içeren reaktörlere göre (BKBK 1, SKBK 1, AB 1) daha fazla biyo-hidrojen verimi (48,9 ml H 2 /gr KOİ) sağlanmıştır (Tablo 3). KBK 1 reaktörlerinde kullanılan kültüre kullanım öncesinde metanojenleri engellemek adına herhangi bir ön işlem yapılmamıştır. Bu nedenle, KBK 1 reaktörlerindeki yüksek biyohidrojen miktarı, içerisindeki mikroorganizma çeşitliliğine bağlanmaktadır (12). Bunun yanında, KBK 1 reaktöründe biyo-hidrojen üretimi (13,2 ml) ile karşılaştırıldığında çok az

8 miktarda metan üretimi (2,6 ml) gözlenmiştir [Şekil 2 (a), (b)]. Bunun anlamı, KBK 1 reaktöründe, metanojenlerin aktivitesini inhibe eden ve biyo-hidrojen üretimine uygun bir ortam sağlayan ön işlemler dışında bazı faktörler bulunmaktadır. Bu çalışmada, asidik ortamı sağlamak için reaktörlere alkalinite eklenmemiştir. Şekil 3 ten de görülebileceği gibi, deneyin sonunda KBK 1 reaktörünün ph ında önemli ölçüde azalma gözlenmiştir. Reaktörlerde alkalinite bulunmaması nedeniyle yani üretilen asiti kompanse edecek bir kaynak olmadığı için, asit üretimi ph ı düşürmüştür. Optimum ph aralığı metanojenler için 6,8 7,2 ken, asitojenler için 5,0 6,0 dır (13, 14). Dolayısıyla, bu doğal ph düşüşü, KBK 1 reaktöründe metanojenik aktiviteyi engellemiştir ve biyo-hidrojen üretimine uygun bir ortam hazırlamıştır Başlangıç ph'ı Bitiş ph'ı ph değerleri YM 1 KBK 1 BKBK 1 SKBK 1 AB 1 Reaktör Şekil 3. Deney Düzeneği 1 de gözlenen başlangıç ve bitiş ph değerleri 2-bromethansulfonat eklenmiş karışık bakteri kültürü (BKBK) Metanojenler, diğer bakterilerde olmayan koenzim M adında bir enzim içermektedir ve bu koenzim metanojenlerin yaşamsal fonksiyonlarını sürdürebilmeleri açısından çok önemlidir (12). BES, koenzim M in yapısal analoğudur ve koenzim M e bağlı aktiviteleri inhibe ettiği için, metanojenlerin aktivitelerini yok etmek için kullanılmaktadır (12). Bu çalışmada da metanojenlerin aktivitesini engellemek amacıyla 10mM BES kullanılmıştır. Şekil 2(b) de görüldüğü gibi 10mM BES, metan üretimini tamamen durdurmaya yetmemiştir ancak diğer kültür tiplerini (KBK, SKBK ve AB) içeren reaktörler arasında en az metanojenik aktivite (0,25 ml) BKBK içeren reaktörde gözlenmiştir [Şekil 2(b)]. Herhangi bir ön işlem yapılmamış KBK yı içeren KBK 1 reaktörünün metan üretimiyle (2,58 ml) kıyaslandığında, BES eklenmiş reaktörün, BKBK 1, metan üretiminde % 90 azalma gözlenmiştir. Bu sonuca göre, 10mM BES metan üretimini önemli ölçüde azaltmaya yetmiştir. Diğer taraftan, BKBK 1 reaktöründe yüksek miktarda biyo-hidrojen üretimi gözlenmemiştir. BKBK 1 in biyo-hidrojen üretimi (40,5 ml H 2 /gr KOİ), SKBK 1 ve AB 1 e göre daha fazla; KBK 1 ve YM 1 göre azdır [Şekil 2(a)]. BKBK 1 deki biyohidrojenin KBK 1 dekine göre az olması, aşı kültürüne BES eklenmenin, biyo-hidrojen üretimini olumsuz yönde etkilediğini göstermiştir.

9 Asidifikasyon bakterileri (AB) AB 1 reaktöründe, zenginleştirilen asidifikasyon bakterilerinin biyo-hidrojen üretim potansiyelleri araştırılmıştır. Zenginleştirilen asidifikasyon bakterileri kullanıldığı için AB 1 reaktörü, KBK 1 ve YM 1 reaktörlerine göre daha az metan üretmiştir [Şekil 2 (b)]. AB 1 reaktörlerinde metanojenik aktivitenin yanısıra asidojenik aktivite de inhibe olmuştur ve az miktarda biyo-hidrojen verimi (29,5 ml H 2 /gr KOİ) sağlanmıştır. Şekil 3 e bakıldığında, deneysel düzenek 1 deki reaktörlerin başlangıç ph ları 6,5 7,0 civarındayken, deney sonunda 5,0 civarına düşmüştür. AB 1 reaktörünün, asidifikasyon ön işlemi nedeniyle, başlangıç ph ı diğer reaktörlere göre düşüktür. Deney sonunda AB 1 reaktöründeki ph ın, asit üretimi nedeniyle biyo-hidrojen aktivitesini inhibe edecek seviyelere düşmesinin (ph 4,5), az miktarda biyo-hidrojen veriminin (29,5 ml H 2 /gr KOİ) gözlenmesine sebep olduğu düşünülmüştür. Bunun yanısıra, asetojenik bakterilerin aktivitesi de, AB 1 reaktöründeki düşük biyo-hidrojen veriminin başka bir sebebi olarak düşünülebilir. Asetojenler hidrojen ve karbondioksitten asetat üretirler, dolayısıyla ortamdaki biyohidrojen miktarını azaltırlar. Sıcaklık ön işlemi uygulanmış karışık bakteri kültürü (SKBK) Aşı kültürüne ısı uygulanması, spor oluşturamayan bakterilerin aktivitesini durdurmaktadır (5). SKBK 1 reaktör ünün içerdiği aşı kültürüne sıcaklık ön işlemi yapılmış, spor oluşturamayan metanojenlerin aktivitesi kısıtlanarak, üretilen biyo-hidrojenin metana dönüşmesi engellenmeye çalışılmıştır. KBK 1 den sonra en yüksek metan üretimi SKBK 1 reaktöründen elde edilmiştir [Şekil 2(b)]. Bunun yanı sıra metanojenik aktiviteyi inhibe etmek için gerçekleştirilen diğer ön işlemler (BKBK 1, AB 1) ile karşılaştırıldığında en düşük biyo-hidrojen verimi (20,3 ml H 2 /gr KOİ) bu reaktörde gözlenmiştir (Tablo 3). Sonuç olarak, sıcaklık ön işlemi metanojenik aktiviteye çok etki etmezken, biyo-hidrojen üretimini önemli ölçüde azaltmıştır [Şekil 2(a), (b)]. SKBK 1 reaktöründe biyo-hidrojen veriminin az olmasında spor oluşturma özelliğine sahip asetojenlerin etkili olduğu, reaktörde üretilen biyo-hidrojen in bu bakteriler tarafından asetata çevrildiği düşünülmektedir. 4. SONUÇLAR Reaktörlerde besi miktarı ve biyo-hidrojen üretimi arasında ters orantılı bir ilişki gözlenmiştir. Besi miktarının, pancar küspesi eklenmesi ile 4,5 gr KOİ/L den 30 gr KOİ/L çıkarılması biyo-hidrojen üretiminin ciddi oranda düşmesine neden olmuştur. 4,5 dan 30 gr KOİ/ L çıkarılan besi miktarı, biyo-hidrojen üretiminin 20,3 87,7 ml H 2 / gr KOİ den 0,9 16,6 ml H 2 / gr KOİ ye düşmesine sebep olmuştur. Deney düzeneğinde 1 de, 2-bromethansulfonat eklenmiş karışık bakterileri, sıcaklık ön işlemi uygulanmış karışık bakterileri ve asidifikasyon bakterilerini içeren reaktörlerdeki biyo-hidrojen üretimi sırasıyla 40,5, 20,3, 29,5 ml H 2 /gr KOİ dir. Herhangi bir ön işlem yapılmayan karışık bakteri kültürünü içeren reaktördeki biyo-hidrojen üretimi ise 48,9 ml H 2 /gr KOİ dir. Elde edilen sonuçlara göre, metanojenik aktiviteyi elgellemek için yapılan ön işlemler, biyo-hidrojen üretiminde etkili olmamıştır. Anaerobik fermantasyon yöntemiyle, şeker endüstrisi atıksuyundan elde edilen maksimum biyo-hidrojen (87,7 ml H 2 /gr KOİ), kültür içermeyen reaktörlerde gözlenmiştir. Bu çalışmada gözlenen

10 maksimum biyo-hidrojen miktarı, sürekli anaerobik reaktör ve karışık bateri kültürü kullanılarak elde edilen 89,2 ml H 2 /gr KOİ ile karşılaştırılabilir miktardadır (5). Bunun anlamı, şeker endüstrisi atıksuyunun içindeki anaerobik bakterileri baskın hale getirerek, önemli ölçüde biyo-hidrojen elde edilebilmektedir, çünkü atıksu hem besi maddesi hem de kültür olarak kullanılabilmektedir. Şeker endüstrisi atıksuyunun yüksek oranda biyohidrojen üretim potansiyeline sahip olduğu gözlenmiştir. KAYNAKLAR 1. Narman, E., (2000), Şeker Endüstrisi Atıksularının Katakterizasyonu ve Arıtabilrliği, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Elazığ. 2. Hutnan, M., Drtill, M., Mrafkova, L., (2000), Anaerobic Biodegradation of Sugar Beet Pulp, Biodegradation, vol:11, Ueno, Y., Otauka, S.,and Morimoto, M., (1996), Hydrogen production from industrial wastewater by anaerobic microflora in chemostat culture, J Ferment Bioeng, vol:82, Güngor-Demirci, G., Demirer G.N., (2004), Effect of İnitial COD Concentration, Nutrient Addition, Temperature and Microbial Acclimation on Anaerobic Treatability of Broiler and Cattle Manure Bioresour. Technol., vol:93, Sung, S., Raskin, L., Duangmanee, T., Padmasiri S., Simmons J. J., (2002), Hydrogen Production By Anaerobic Microbial Communities Exposed To Repeated Heat Treatments, Proceedings of the 2002 U.S. DOE Hydrogen Program Review NREL/CP Chidthaisong, A., and Conrad, R., (2000), Specificity of chloroform, 2- bromoethanesulfonate and fluoroacetate to inhibit methanogenesis and other anaerobic processes in anoxic rice field soil, Soil Biol. Biochem., vol:32, no:7, Fang, H. H. P., Liu, H., (2002), Effect of ph on hydrogen production from glucose by mixed culture, Bioresour. Technol., vol:82, American Public Health Association/American Water Works Association/Water Pollution Control Federation (APHA/AWA/WPCF) (2005), Standard methods for the examination of water and wastewater., 21th Ed., APHA, Washington, D.C. 9. Yu, H. Q., and Fang, H. H. P., (2002), Acidogenesis of dairy wastewater at various ph levels, Water Sci. Technol., vol:45, no:10, Yu, H., Zhu, Z., Hu, W., and Zhang, H., (2002), Hydrogen production from rice winery wastewater in an upflow anaerobic reactor by using mixed anaerobic cultures, Int. J. Hydrogen Energy, vol:27, Iza, J., Palencia, J. I., and Fdz-Polanco, F., (1990), Waste water management in a sugar beet factory: a case study of comparison betweenanaerobic technologies,wat. Sci. Tech., vol:22, no:9, Zhu, H., Béland, M., (2006), Evaluation of alternative methods of preparing hydrogen producing seeds from digested wastewater sludge, Int. J. Hydrogen Energy, vol:31, Gerardi, M. H., (2003), The Microbiology of Anaerobic Digesters, John Wiley & Sons. Inc., Hoboken, New Jersey, Ginkel, V. S., Sung, S., and Lay, J. J., (2001), Biohydrogen production as a function of ph and substrate concentration, Environ Sci Technol, vol:35, no:24,