Prof. Dr. İnci Eroğlu

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