Upload
vuongminh
View
253
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
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
14.11.2014 – ODTÜ/Ankara
1
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
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”
FOTOSENTEZİ TAKLİT EDEN BİR ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMİ
KEŞFEDEBİLİR MİYİZ?
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.
HİDROJEN ENERJİ SİSTEMİ
IAHE International Association of Hydrogen Energy
Uluslararası Hidrojen Araştırma Vakfı
SU
ÖN ENERJİ
KAYNAKLARI
ENERJİ
TAŞIYICI
Ev Ofis Endüstri
Elektrik Üretimi
Taşıma
SU
ENERJİ
TÜKETİCİLER
Polimer Elektrolit Membran Yakıt Hücresi
Kimyasal Energy (H2 and O2) Elektrik + Isı + Su
Kaynak: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/imgheat/fuelcell.gif
Biyo-H2: Yenilenebilir Enerji Taşıyıcı
Yenilenebilir Enerji
8
Biyo-H2
(Source:SRI Consulting)
7
milyar
9
milyar
2014 2050
Dünya
Nüfusu
(Kaynak: The UN)
Biyokütleyi Enerjiye Çeviren Teknolojiler
ODTÜ’de Hidrojen Enerji Sistemi Araştırmaları
Depolama
Güneş Enerjisi Elektrik Enerjisi
Biyokütle
/Atık SU H2 H2
Air
Biyoreaktör Yan ürünler
PEM
Yakıt Pili Sistemi
TEŞEKKÜR: Prof. Dr Nejat Veziroglu “Alternative Energy Symposium”,Miami USA , 1987 de BİYOLOJİK HİDROJEN ÜRETİMİ ile ilgili çalışmamızı önerdi.
Hidrojen Üreten Mikroorganizmalar
Alg:
Siyanobakteri:
Fermentetif bakteri: ( fermentasyon)
şeker + H2O H2 + CO2 + organik asitler
Fotosentetik bakteri:(fotofermentasyon
organik asitler + H2O+ ışık H2 + CO2
2H2O+ light 2H2 + O2
Biyofotoliz
Rhodobacter Türleriyle Hidrojen Üretim Mekanizmasına Bakış
Koku et al. 2002. International Journal of Hydrogen Energy,27;1315-29.
H2 2H+ + 2e –
[Ni-Fe] hydrogenase
[Fe-Mo] ve [Fe-Fe] nitrogenase
2H+ + 2e - + 4ATP H2 + 4ADP + 4Pi Engelleyenler: O2 ve NH3 Polihidroksibutirat(PHB)
Karotenoid gibi yan ürünler üretilir
Geri-alım hydrogenase
çıkarılarak hup- mutantlar
elde edildi
Fermentative Hydrogen Production
13
ATP
Fotosentetik bakteri
Nitrojenaz
8H2 -33 kJ
Işık Enerjisi
ADP Fd ox
Fd red
Fotofermentasyon
10H2
Karanlık Fermentasyon
2 Asetat
C6H12O6 12H2 + 6CO2
Bütrat
-184 kJ
-255 kJ
Δ°G
0
Hidrojenaz
Anaerobik bakteri
4H2
3H2
Organik atıklar
Fotofementasyon
- Işık
- Anaerobik
- Yüksek substrat dönüşümü
-Substrat çeşitliliği
Biyokütleden Isısal İşlem Yapılmadan Saf Hidrojen Eldesi
“Non-thermal Production of Pure Hydrogen from Biomass” EU 6TH FRAME PROJECT SES6-019825, HYVOLUTION PROJECT (2006-2010)
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.
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).
Mali Destek
AB Katkısı: 10.4 milyon Avro
ODTÜ’nün payı: 650 000 Avro
Webpage: www.hyvolution.nl
Patates kabuğu, şeker pancarı melası,
şeker pancarı koyu şerbeti, arpa
samanı
Karanlık
Fermentasyon
Işıklı
Fermentation
AB 6. Çerçeve Projesi SES6-019825, HYVOLUTION PROJESİ (2006-2010)
tioIntegration
Claassen et al. Non-thermal Production of Pure Hydrogen from Biomass. In Hydrogen and fuel cells. Ed. Stolten D. Wiley CH. 2010
Birbirini takip eden karanlık ve ışıklı fotofermentasyon
ile biyokütleden hidrojen üretimi
16
Mevsimsel Değişikliklerin Fotofermentatif Hidrojen Üretimine Etkisi
Verim güneş ışınımıyla doğru orantılı artmaktadır.
Kışın elde edilen verimin 4 katı Yazın elde edilmiştir.
Androga et al.2011. International Journal of Hydrogen Energy;36-17:11369-78.
Günlük verim (Y) = Üretilen H2 (mol)/Biyokütle (gdcw)
Y = 3E-06x
R² = 0.87
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Daily Solar Radiation (Wh/m2.d)
YH
2(m
ol)
/ B
iom
ass
(g
dcw
)
Winter (December), 2008 Summer (July), 2009
R.capsulatus YO3 (hup-) Besiyeri: Asetat- Glutamat
İşleyiş: Kesikli beslemeli
July, 2009
December, 2008
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, 31/150-157, 2012.
-Androga vd. Int. Journal of Hydrogen Energy (IJHE), 39/ 2472-2480, 2014.
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.)
H2 üretim hızındaki ilerlemeler
Beklentiler
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.
Üretim Hızı Arttıkça Alan gereksinimi ve maliyet
azalacaktır
ODTÜ Biyohidrojen Grubuna Katkıda Bulunan Araştırmacılar
Prof. Dr. Lemi Türker
Dr. Adnan Aydemir
Dr. Başar Uyar
Dr. Bekir Zabut
Dr. Dominic Deo Androga
Dr. Ebru Özgür
Dr. Ela Eroglu
Dr. Gökhan Kars
Dr. Kamal Elkahlaout
Dr. Nilüfer Afşar
Dr. Vedat Sediroğlu
Dr. Tarık Elbashiti
Dr. Tüzün Arık
Altan Tabanoğlu
Efe Boran
Burcu Özsoy
Pelin Sevinç
Gülşah Pekgöz
Endam Özkan
Nihal , Sevilay ve diğerleri
Banu Kaya
Demet Çetin
Deniz Yiğit
Elif Genç
Gökçe Avcıoğlu
Kadir Aslan
Mehmet Yetiş
Özgür Çakıcı
Muazzez Gürgan
Emrah Sağır
Emine Kayahan
2002
2010