Önsöz

Dünya nüfusunun hızlı bir şekilde artmaya devam etmesi, sanayileşmenin yeni boyutlar kazanması ve insanoğlunun geleneksel yaşam şartlarından kurtularak yaşama standardını yükseltmek istemesi, enerji ihtiyacını hızlı bir şekilde artırmaktadır. Bu nedenle, yeni enerji kaynaklarının bulunması, enerji teknolojisinin geliştirilmesi gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde çalışmaların yoğunlaştığı alanlar olmuştur. Bugün dünyada nükleer enerjinin yanı sıra yeni ve temiz enerji kaynakları olarak adlandırılan jeotermal, güneş, rüzgar ve biyogaz enerjileri son yıllarda üzerinde en çok durulan ve araştırılan konuları oluşturmaktadır.

Hayvansal ve bitkisel gıda artıklarının temiz enerji olarak geri dönüşümü çevre kirliliği ve enerji kaynaklarının geliştirilmesi açısından önemlidir. Elde edilen bu temiz enerji, gıda artıklarının oksijensiz ortamda metan gazına dönüşümü ile mümkündür. Geriye kalan kısım ise zenginleştirilmiş bir gübre kaynağı olmaktadır.

..:: Dünya’da Biyogaz Uygulamaları ::..

Organik maddelerden oksijensiz ortamda metan üretimi VOLTA tarafından on sekizinci yüzyılda tanımlanmıştır. İlk biyogaz üretimi, kayıtlara 1895 yılında İngiltere’de geçmiştir. II. Dünya Savaşı sırasında küçük çaplı üreteçler Almanya ve Fransa’da kullanılmaya başlanmıştır. Bu enerji sistemlerine III. Dünya ülkeleri büyük bir önem vermiş ve ilk üretim 1939 yılında Hindistan tarafından yapılmıştır. Halen Hindistan’da 80.000’in üzerinde biyogaz üretim ünitesi bulunmaktadır. Dünyada en çok biyogaz üretecine sahip ülke Çin’dir.

..:: Biyogaz Üretiminin Mikrobiyolojisi ::..

Biyogaz, organik maddelerin oksijensiz şartlarda biyolojik parçalanması sonucu oluşan metan ve CO₂ gazıdır. Çeşitli organik maddelerin metan ve CO₂’e dönüşümü karışık mikrobiyolojik flora tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu oksijensiz bozunma sonucunda metan gazı dört aşamalı bir işlem sonucunda oluşur.

i. Hidroliz : Çözünemeyen kompleks organik moleküllerin çözünebilen organik moleküllere enzimler tarafından dönüşümü.

ii. Asetogenesis : Çözünebilen organik moleküllerin asit üreten mikroorganizmalar tarafından alkol ve organik asitlere dönüşümü.

iii. Fermentasyon : Organik asit ve alkollerin, asetat, CO₂, ve H₂ ‘ne dönüşümleri

iv. Metanogenesis : Metan üreten bakterilerin H₂, CO₂ve asetatı metana dönüştürmesi.

Biyogaz üretimi oksijensiz bozunmanın bir sonucu olup, biyolojik olarak aktif artıklar, işkembe suyu veya lağım suyu ile birlikte sulu katı artığı içeren kapalı kaplarda gerçekleşir. Bu işlem sonucunda ortaya çıkan biyogaz verimliliği sistemdeki üretece de bağlıdır. Genelde yarı kesikli sistemler uygulanmakta olup, ortam sıcaklığının sağlanması için güneş enerjisinin de yardımcı olarak kullanıldığı görülmektedir.

Methanogenic Bakteri

Bu dört aşamalı metan gazının üretimini etkileyecek birçok parametre vardır. En yüksek metan üretim verimliliğinin, ortam sıcaklığı için, mezofilik bakterilerde 37 °C ve termofilik bakterilerde ise 55 °C olduğu, optimum pH değerlerinin ise 6.5 ile 8.0 arasında olduğu ifade edilmiştir

..:: Biyogaz Üretiminin Ekonomisi ::..

Biyogaz üretiminin ekonomik uygunluğunu belirleyen birçok faktör vardır. En önemli faktörlerden bir tanesi kullanılacak olan atıkların ekonomik değerleri ve bu atıkların biyogaz verimlilikleridir. Ayrıca bölgesel olarak kullanılan diğer enerji kaynaklarının miktarları ve maliyetleri biyogaz üretim ekonomisini etkileyen faktörlerden bir tanesidir. Seçilen teknoloji yatırım maliyetlerini etkilediği gibi üretim verimliliğini dolayısı ile maliyetleri belirleyen unsurdur. Bölgesel olarak kullanılan enerji kaynakları fuel, elektrik, odun-kömür, hava gazı ve diğerleri olabilir. Yerel yönetimlerin bu enerji kaynakları üzerindeki indirimleri veya kısıtlamaları biyagaz ekonomisinin uygunluğunu değiştirir. Kırsal kesimlerde, köylerde kurulacak biyogaz tesisleri hayvansal atıkların daha sağlıklı bir şekilde değerlendirilmesini sağladığı gibi yemek pişirme, ısınma, aydınlatma gibi kullanım alanlarının daha ekonomik bir şekilde değerlendirilmesini sağlar. Sanayi kesimlerinde ise fabrika artıklarının doğaya verebileceği çevresel zararların önlenmesinin yanı sıra enerji ihtiyaçlarına da belirli oranlarda katkı sağlamaktadır. Tüm bu değerlerin yatırım maliyetlerine nasıl yansıyacağı ve bu yatırımların kendini ne kadar sürede sıfır noktasına taşıyacağının hesaplanması gerekir.

..:: Biyogaz Üreteç Tasarımı ::..

Gelişmekte olan ülkelerde biyogaz üretecinin tasarımı iki farklı şekilde yapılmaktadır. Eldeki atıklar başlangıç olarak alınmakta ve bundan elde edilen biyogaz miktarı bulunarak kullanım alanları bulunmaktadır. İkinci durumda ise ihtiyaç duyulan biyogaz ihtiyacına göre tasarım gerçekleştirilmektedir. Tasarımda üreteç ölçülerinin bağımlı olduğu parametreler:

· Uygun hammadde miktarı

· Hammaddenin cinsi ve özellikleri

· Isıtma ihtiyaçları

· Karıştırma ihtiyaçları

· Üreteç için kullanılacak malzemenin cinsi

şeklinde sıralanabilir. Hammaddenin miktarının tespiti ve özelliklerinin belirlenmesinden sonra üreteç çeşidinin belirlenmesi gerekir. Burada dikkat edilmesi gereken en önemli unsur; en yüksek verimliliğin en uygun maliyete ve kolay bir uygulama sistemine sahip olan üretecin bulunmasıdır.

Kırsal kesimlerde ağırlıklı olarak yarı kesikli dikey üreteçler kullanılmaktadır. Bu üreteçlerde günlük besleme yapılmaktadır. Bu üreteçlerin kullanılabilmesi için her gün üretecin kapasitesine göre besleme yapılması gerekir. Günlük besleme sağlanamıyorsa, kesikli üreteçler kullanılabilir. Bu üreteçlerde ilk dolumdan sonra tekrar besleme yapılmaz ve biyogaz üretiminin sonuna kadar beklenir. Biyogaz üretimi durduktan sonra üreteç boşaltılır ve temizlenir. Temizlendikten sonra yeni bir üretim için üreteç doldurulur. Ortam sıcaklığının istenilen düzeyde tutulabilmesi için güneş enerjisinden yararlanılabilir. Bu sistemlerde güneş enerjisi hem karışım suyunun istenilen düzeye getirilmesinde kullanılır, hem de sera etkisinin olduğu üsten kapalı tasarımlarda ısı kayıplarının azaltılmasında kullanılabilir.

Sistem Özellikleri

Üreteç ölçülerinin hesaplanmasında gerekli olan hayvan dışkısı özellikleri ve operasyon parametreleri Çizelge 1.’de verilmiştir.

Çizelge 1. Operasyonel parametreler

Hayvan

Günlük dışkılama

(kg/gün.hayvan)

Biyogaz verimliliği

(m³/kg dışkı)

HRT

(gün)

Sulandırma

(kg:kg)

Sıcaklık

(°C)

İnek-Buzağı

0.3

1:1

30-50

Tavuk

0.08

0.3

1:1

30-50

Ortam sıcaklığı alı konma süresi ile doğrudan ilişkilidir. Ortam sıcaklığı arttıkça alı konma süresi de düşmektedir. Yüksek sıcaklıklar kç ölçekli köy ve mezralarda uygulanamamaktadır. Ayrıca elde edilen enerjinin de belirli bir kısmı ısıtma için kullanılmaktadır. O yüzden iyi bir izolasyon ve güneş enerjisi yardımı ile ortam sıcaklığı 30-40 derece arasında tutulabilir. Bu durumda alı konma süresi 20 güne kadar düşmektedir. Çizelge 2. de alı konma süreleri ve sıcaklık ilişkisi görülmektedir.

Çizelge 2. Sıcaklık Alı Konma Süresi (HRT) ilişkisi

Sıcaklık (°C)	HRT (gün)
10-20	100 gün üzeri
20-35	20 gün
50-60	8 gün

Çizelge 3. Hayvan dışkısının ve metan gazının bazı özellikleri

Dışkı Yoğunluğu (kg/m³)	560
Biyogaz enerji değeri (kj/m³)	22,000

..:: Gıda Artıklarından Biyogaz Üretimi ::..

Başta çevre kirliliği kimya sanayi ve diğer sanayilerin yanı sıra gıda sanayinin de bir sonucudur. Çevre kirliliğinin yanı sıra artıklardan elde edilebilecek enerji de ekonomik olarak önemli bir kaynaktır. Çizelge bu alandaki değişik çalışmaların bir özetidir. Bu çizelgede değişik gıda artıklarından metan gazının hangi şartlarda üretildiği ve metan gazının verimini göstermektedir. Çalışmaların çoğunluğu yağlı artıklar üzerine yoğunlaşmaktadır. Bunlar hem metana dönüşmesi daha kolay olan uçucu yağ asitleri içermekte hem de çevre için daha fazla kirlilik yaratmaktadır.

Biyogaz üretimi ağırlıklı olarak yarı kesikli üreteçlerde yapıldığı görülmektedir. Sıcaklıklara gelince; 30-55 °C arasında sıcaklıkların kullanıldığı görülür. Çizelge de belirtilen HRT (Hidrolik alıkoyma süresi), katı maddenin üreteç içerisinde kalma süresidir. Bu terim yarı kesikli üreteçler için söz konusudur. Metan verimliliklerine bakıldığında yağlı artıkların verimliliklerinin daha yüksek ve biyogaz için çok daha uygun olan hayvansal artıklara yakın olduğu görülür.

Hayvansal artıkların metan verimliliklerini ise Çizelge de görmek mümkündür. Çizelgede görüldüğü gibi en yüksek verimliliği tavuk gübresi vermektedir. Dışkılanan gübre miktarları hayvanların ağırlıkları ile doğru orantılı olup her hayvana düşen biyogaz miktarları gerçek verimliliği göstermez.

Çizelge de değişik alıkoyma sürelerine karşın artıkların farklı verimlilikler verdiği görülür. En uygun alıkoyma süresi artığın içeriğine bağlı olarak değişir. Saman ve inek gübresi karışımı ile ay çiçek artıkları en yüksek verimliliği 8 gün alıkoyma süresi ile verir iken; saman, inek gübresi karışımı olmaksızın 15 günde en yüksek verimliliği verir. Ayrıca zeytinyağı değirmen suyu en yüksek verimliliği 11-12 günde vermesine karşın zeytin küspesi en yüksek verimliliği 20 günde verir.

Uygulama sıcaklıkları da önemli bir faktördür. Buğday samanı 55 °C' de 15 gün alıkoyma süresinde 0.49 m³metan/m³ üreteç hacmi.gün verimliliğine karşın buğday samanı ve inek gübresi karışımı 35 °C' de 8 gün alıkoyma süresinde 0.88 m³metan/m³ üreteç hacmi.gün gibi iki kata varan bir verimlilik göstermektedir.

KOİ(Kimyasal oksijen ihtiyacı) giren değerleri ile çıkan değerlerine bakıldığında yine benzer durumları görmek mümkündür. En yüksek verimliliklerde çıkan KOİ değerlerinin daha düşük olduğu görülür. Bu da mikroorganizmalar tarafından daha çok kimyasalın biyogaza dönüştüğünü gösterir.

En yüksel verimliliklerin hayvansal dışkılar ile yapılan karışımlardan elde edildiği görülmektedir. En yüksek verimliliğin tavuk gübresinde olduğu ve bunun inek gübresi ile peynir altı suyu karışımından elde edilen biyogaz verimliliği olduğunu söylemek mümkündür.

Çizelge 4. Yarı kesikli üreteçlerde gıda artıklarının biyogaz verimlilikleri

Gıda artığı	HRT (gün)	T (°C)	Giren				Çıkan				Metan
Gıda artığı	HRT (gün)	T (°C)	PH	TK	KOİ	UKM	PH	TK	KOİ	UKM	%	Verim
Saman ve inek gübresi karışımı	15						6.98	53.2	30.2	44.4	31.1	0.42
	10	35	5.72	78	102.8	66	6.72	45.9	32.1	38.5	37.4	0.73
	8						6.98	52.6	28.8	40.8	40.0	0.88
Peynir altı suyu, Sığır gübresi ve tavuk artığı karışımı	10	40	-	6	-	-	-	-	-	-	62.0	2.2
Palm yağı	6-7	50						62.0	57.0		70.0
Buğday samanı	15						7.3	48	20.0	21.0	31.2	0.49
	10	55	7.2	50	59.33	35.32	7.3	49.1	26.0	21.3	33.7	0.42
	8						7.3	48.7	29.8	21.8	25	0.45
Ayçiçek artıklar	15						7.0	18.48	17.08	10.54	62	0.18
	10	55	6.8	20	21.32	13.54	6.9	18.34	17.25	9.10	58	0.28
	8						6.9	17.29	16.9	10.24	48	0.37
Meyve ve sebze	24						7.1	-	-	341*	61.2	0.82
	16	30	-	40	-	94.3	7.1	-	-	610*	51.1	1.09
	8						4.6	-	-	6430*	22	0.62
Bisküvi ve çukolata	40	20					6.7	-	-	480*	57	1.45
	30	to	6.5	100		195*	5.3	-	-	9200*	42	0.78
	20	40					4.8	-	-	-	-	-
Zeytinyağı değirmen suyu	44.8						7.4	-	1.6	-	-	0.25
	22.4	-	5.0	37.6	40	28	7.3	-	2.4	-	-	0.47
	11.2						7.4	-	3.5	-	-	0.87
Zeytinyağı değirmen suyu	50						-	-	7.9	-	-	0.25
	12.5	37	5.1	46	47.1	34.2	-	-	15.8	-	-	0.80
	5						-	-	39.3	-	-	0.50
Zeytin küspesi	10		-	10	182.5	-	6.79	4.84	148.5	-	79	0.38
	20	37	-	10	182.5	-	7.85	4.08	101.3	-	82	0.55
	30		-	10	182.5	-	7.65	6.49	86.5	-	84	0.39
	40		-	10	182.5	-	7.82	6.78	82.9	-	83	0.32

-TK : Toplam katı kg/m³

-KOİ : Kimyasal oksijen ihtiyacı, kg/m³

-UKM : Uçucu katı madde miktarı kg/m³

-HRT : Alıkoyma süresi (gün)

*Uçucu yağ asidi (UYA mg/lt)

**Verim (m³ metan/m³ üreteç hacmi.gün)