biyokütleden fotosentetik bakterilerle hidrojen üretimi

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
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”
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
Elektrik Üretimi
SU
Taşıma
SU
Ev
ÖN ENERJİ
KAYNAKLARI
ENERJİ
TAŞIYICI
Ofis
ENERJİ
TÜKETİCİLER
Endüstri
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
Dünya
Nüfusu
9
milyar
7
milyar
2014
2050
(Kaynak: The UN)
Yenilenebilir Enerji
8
(Source:SRI Consulting)
Biyo-H2
Biyokütleyi Enerjiye Çeviren Teknolojiler
ODTÜ’de Hidrojen Enerji Sistemi Araştırmaları
Güneş Enerjisi
Biyokütle
/Atık
Biyoreaktör
Elektrik Enerjisi
Depolama
H2
H2
Yan ürünler
PEM
Yakıt Pili Sistemi
Air
TEŞEKKÜR: Prof. Dr Nejat Veziroglu “Alternative Energy
Symposium”,Miami USA , 1987 de BİYOLOJİK HİDROJEN ÜRETİMİ ile ilgili
çalışmamızı önerdi.
SU
Hidrojen Üreten Mikroorganizmalar

Alg:

Siyanobakteri:
Biyofotoliz
2H2O+ light 2H2 + O2
 Fermentetif bakteri: ( fermentasyon)
şeker + H2O  H2 + CO2 + organik asitler
 Fotosentetik bakteri:(fotofermentasyon
organik asitler + H2O+ ışık  H2 + CO2
Rhodobacter Türleriyle Hidrojen Üretim Mekanizmasına Bakış
Geri-alım hydrogenase
çıkarılarak hup- mutantlar
elde edildi
Polihidroksibutirat(PHB)
Karotenoid gibi yan ürünler üretilir
H2  2H+ + 2e –
[Ni-Fe] hydrogenase
[Fe-Mo] ve [Fe-Fe] nitrogenase
2H+ + 2e - + 4ATP  H2 + 4ADP + 4Pi
Engelleyenler: O2 ve NH3
Koku et al. 2002. International Journal of Hydrogen Energy,27;1315-29.
Fermentative Hydrogen Production
Organik atıklar
Karanlık Fermentasyon
Fotofermentasyon
Δ°G
0
C6H12O6
12H2 + 6CO2
8H2
-33 kJ
4H2
2 Asetat
-184 kJ
10H2
Bütrat
-255 kJ
ADP
Işık Enerjisi
3H2
Fotofementasyon
- Işık
- Anaerobik
- Yüksek substrat dönüşümü
-Substrat çeşitliliği
13
Hidrojenaz
Anaerobik bakteri
Fd ox
ATP
Fd red
Nitrojenaz
Fotosentetik bakteri
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)
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: 650 000 Avro
Webpage: www.hyvolution.nl
AB 6. Çerçeve Projesi SES6-019825, HYVOLUTION PROJESİ (2006-2010)
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
Birbirini takip eden karanlık ve ışıklı fotofermentasyon
ile biyokütleden hidrojen üretimi
16
Mevsimsel Değişikliklerin Fotofermentatif Hidrojen Üretimine Etkisi
YH2(mol) / Biomass (gdcw)
0.030
0.025
0.020
0.015
0.010
Y = 3E-06x
R² = 0.87
0.005
0.000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
2.
July, 2009
Daily Solar Radiation (Wh/m d)
Winter (December), 2008
Summer (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.2011. International Journal of Hydrogen Energy;36-17:11369-78.
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
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.
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
2010
Nihal , Sevilay ve diğerleri
2002