Biyogaz

Biyogaz

01. Genel Bilgiler

02. Biyogaz Oluşumu

03. Metan Bakterileri

04. Biyogaz Üreteçleri

05. Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler

01. Genel Bilgiler

Biyogaz, başta hayvan dışkısı olmak üzere her türlü organik artıktan anaerop fermantasyon sonunda elde edilen yanıcı bir gazdır. Gazın bileşimi başlıca metan (CH₄) ve CO₂'den oluşur. Bataklık ve kanalizasyon sistemlerinde kendiliğinden ortaya çıkar. Özellikle kırsal kesimde enerji sağlanması, çevre yaklaşımı ile atıkların işlenmesi gibi nedenlerle yaklaşık 150 yıldan beri biyogaz üzerinde çalışılmaktadır. 1950'li yıllarda bol petrol arzı ve düşük petrol fiyatları gelişmiş ülkelerde biyogaz çalışmalarım azaltmış, buna karşın gelişmekte olan ülkelerde enerji sağlanması açısından çalışmalar yoğunlaşmıştır. 1960'lı yıllardaki petrol krizi ise, biyogaz üretimini yeniden uluslararası platforma getirmiştir. Bugün kırsal kesim nüfusu çok yüksek olan ülkelerde biyogaz tesisleri başarı ile çalıştırılmaktadır.

Günümüzde enerji kullanımı gelişmişliğin bir göstergesi olarak kabul edilmektedir. Kalkınmış ülkeler kalkınmakta olanlara oranla 15-20 kat daha fazla enerji kullanırlarken, petrol, kömür, doğal gaz gibi enerji kaynaklarının giderek ve hızla azaldığı da bir gerçektir. Nitekim 1980 yılında yapılan bir çalışmada dünya petrol rezervlerinin 24 yıl, kömür rezervlerinin 62 yıl ve doğal gaz rezervlerinin 30 yıl sonra tükeneceği ortaya konulmuş, güneş, rüzgâr, biyogaz, gel-git (med-cezir), dalga gibi yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları üzerinde önemle durulması gerektiği vurgulanmıştır.

Türkiye'de güneş enerjisi ve biyogaz konusunda büyük bir potansiyel vardır. Kırsal kesimde hayvan dışkısı halen büyük oranda samanla karıştırılarak tezek haline getirilmekte ve bu yakılarak enerji elde edilmektedir. 1982 verilerine göre Türkiye'de toplam enerji tüketiminin %9'u, konut sektörü enerji tüketiminin %25'i tezek ile karşılanmaktadır. Yaklaşık 20 milyon olan büyük baş hayvanlardan yılda 250 milyon ton kadar yaş ahır gübresi elde edilmekte, bunun %20-25'i tezek olarak kullanılmakta, %25-30'u tarlaya verilmekte, geri kalanı ise kaybolmaktadır.

Hayvan dışkısının tezek olarak yakılmak yerine biyogaz üretiminde kullanılması, sonra tarlaya verilmesi ile büyük yararlılıklar elde edilir. Örneğin tezek olarak yakım ile elde edilen faydalılık 100 birim kabul edilirse, dışkının doğrudan tarlaya verilmesi durumunda faydalılık 266'a, biyogaz üretimi ve bu üretimden sonra parçalanmış organik materyalin tarlaya verilmesi ile faydalılık 415 'e çıkmaktadır. Hayvan dışkısının doğrudan tarlaya verilmesi yerine biyogaz üretimi ve sonunda artan organik materyalin tarlaya verilmesi durumunda %30 kadar daha fazla verim elde edilmektedir. Bunun nedeni, biyogaz eldesi amacıyla uygulanan anaerobik işlem sırasında hayvan dışkısının bitkiler tarafından daha kolay kullanılabilir şekle dönüştürülmesidir.

Biyogaz üretiminin bir başka olumlu yönü ise patojen mikroorganizmaların elimine edilmesidir. Biyogaz üretim koşullarına, sıcaklık ve süreye göre değişmek üzere Salmonella %82-96, Salmonella typhosa %99, Mycobacterium tuberculosis %100 oranında ölmektedir.

02. Biyogaz Oluşumu

Metanogenesis olayını gerçekleştiren mikroorganizmalar 3 grup altında toplanabilir. Bu mikroorganizmalar anaerobik koşullarda protokooperatif bir yaşam sürdürürler. Dolayısı ile biyogaz oluşumu 3 aşamada meydana gelir.

İlk aşamada karışık fermantatif mikroorganizmalar grubu sellülozik madde, lipit ve proteinler gibi primer substratları sellülaz, lipaz, proteaz, amilaz gibi hücre dışı enzimleri ile hidrolize ederek küçük moleküllü şekerler, aminoasitler, yağ asitleri ve alkoller gibi suda çözünebilen ara ürünlere parçalarlar. Bu aşamaya sıvılaştırma aşaması denilir.

İkinci aşamada rol alan asetogenik mikroorganizmaların tür ayrımları bitirilmemiştir. Bunlar asetattan daha uzun zincirli organik asitleri asetat ve hidrojene çevirirler. Bu sırada düşük molekül ağırlıklı alkoller (etanol, metanol, bütanol) ve çeşitli gazlar (CO₂, H₂, H₂S) meydana gelir. Bu aşamaya asitleştirme aşaması adı verilir.

Son aşama biyogaz oluşumudur ve metanogenik bakteriler tarafından gerçekleştirilir. Bu bakteriler asetatı ve CO₂ + H₂ 'i gelişmeleri için substrat olarak kullanan, elektron iletim sistemlerinde CO₂'i elektron alıcısı olarak kullanıp son ürün olan metana indirgeyen zorunlu anaerob bakterilerdir. Biyogaz oluşumunun temeli asetatın metan bakterileri tarafından CO₂ 'e oksidasyonu, CO₂ 'in ise tümünün ya da bir kısmının CH₄ 'e redüksiyonudur.

CH₃COOH + 2H₂O ——> 2CO₂ + 8H (oksidasyon)

8H + CO₂                ——> CH₄ + 2H₂O (redüksiyon)

-----------------------------------------------------------------

CH₃COOH             ——> CH₄ + CO₂ (toplam)

03. Metan Bakterileri

Methanobacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium, Methanospirillium, Methanobrevibacterium, Methanosarcina cinslerine ait bakteriler metan bakterileri olarak bilinir. Bunların izole edildikleri yerler, morfolojik şekilleri, Gram reaksiyonları, metan üretiminde kullandıkları substratlar, beslenme istekleri, sıcaklık ve pH toleranslarında büyük farklılıklar görülür.

Metan bakterilerinin hemen tümü CO₂ ve H₂'i kullanabilirler. Azot kaynağı olarak NH₄'a gerek duyarlar, aminoasitleri ve moleküler azotu kullanamazlar. Suşlara göre değişmek üzere kükürt kaynağı olarak sülfit, H₂S ve sisteine gerek duyulabilir. Genellikle kompleks vitamin kaynaklarına gereksinirler. Bununla beraber, vitamine ihtiyaç duymayan, ancak, substratta vitamin bulunması halinde gelişmeleri hızlanan suşlar da vardır.

04. Biyogaz Üreteçleri

Biyogaz üreteçleri kesikli ve sürekli şekillerde inşa edilebilir. Kesikli sistemde üretece taze hayvan dışkısı doldurulur ve tank hava almayacak şekilde kapatılır. Anaerobik fermantasyon sonunda meydana gelen biyogaz "gazometre" denilen ikinci bir kapta toplanır. Bu sistemde dolumdan yaklaşık 15 gün sonra biyogaz üretimi başlar ve yaklaşık 60 gün sürer. Bu süreden sonra verim düşmeye başlar. Daha sonra tesis açılarak geriye kalan parçalanmış organik madde boşaltılır, tesis yeniden doldurulur.

Sürekli sistemde ise biyogaz üretece bir kez doldurulur, yaklaşık 20 gün beklenir, bu süreden sonra sisteme belirli miktarda dışkı verilir, aynı miktarda parçalanmış organik materyal dışarı alınır. Materyalin giriş-çıkışı basit olarak birleşik kaplar sistemiyle sağlanır. Şekilde sürekli sistemle çalışan bir biyogaz tesisi görülmektedir.

Şekilden de görüldüğü gibi biyogaz tesisi toprak altında inşa edilir. Bunun başlıca nedeni sıcaklığın kontrolüdür. Metan bakterileri aşağıda açıklanacağı gibi düşük sıcaklıklarda faaliyet gösteremezler.

Şekil : Sürekli sistemle Çalışan Biyogaz Üreteci

Sürekli sistemde en önemli hususlardan birisi beslemedir. Hava sıcaklığı, organik madde bileşimi gibi diğer önemli parametrelere göre besleme miktarı hesaplanır. Besleme miktarında, tesise verilen organik materyalin ne kadar süre ile üreteçte kalacağı dikkate alınır. Şekilden de görüldüğü gibi besleme borusundan giren organik materyal tüm tesisi dolaşacak ve sonra çıkış borusundan çıkacak şekilde üreteç duvar ile ortadan bölünür.

20 gün bekleme (retantion time) süresinden sonra günlük beslemeler ile sürekli çalıştırılan 1000 kg (1 m³) fermentör hacmindeki biyogaz tesisi için besleme miktarı aşağıdaki örneklerde olduğu gibi hesaplanabilir.

1000 kg fermentör kapasitesi olduğuna, günlük besleme yapılacağına ve 20 gün bekleme süresi olduğuna göre 1000/20= 50 kg/gün besleme yapılmalıdır.

Sadece sığır dışkısı kullanılıyorsa; sığır dışkısında katı madde oranı %20'dir. Biyogaz üretecine verilecek organik materyalde %10 katı madde olması gerektiğine göre 50 kg'lık kısmın 25 kg'ı (%50'si) sığır dışkısından gelmeli, 25 kg ise su katılmalıdır.

05. Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler

Biyogaz oluşumuna katılan 3 grup mikroorganizmadan üreme hızı en yavaş olanı metan bakterileridir. Anaerobik fermantasyonda metan oluşumu doğrudan metan bakterilerinin aktivitelerine bağlıdır. Dolayısı ile bir biyogaz tesisi kurulurken ve bu tesis çalıştırılırken metan bakterilerinin faaliyetlerini en üst düzeye eriştirecek olan koşulların sağlanması gerekir. Bu koşullar; fermantasyon tankı, hammadde ve çevre faktörleri olmak üzere başlıca 3 grup altında toplanabilir.

Metanogenik bakteriler biyogaz tesisinde en önemli grubu oluşturmakla beraber diğer 2 grubun ihmali söz konusu değildir. Bu 3 grup mikroorganizma yukarıda da belirtildiği gibi protokorperatif şekilde yaşarlar. Bu 2 grubun gereksinme duyduğu optimum koşullar yerine getirilmeden metan bakterilerinin faaliyeti için gereken asetat ve CO₂ yeterince sağlanamaz. Ortamda metan bakterileri yoksa oluşan parçalanma ürünleri orijinalinden çok daha kötü olur. Metan bakterileri ilk parçalanma sonunda oluşan asetatları yeteri kadar hızlı olarak metana dönüştüremezse bu kez de oluşan fazla asitlik her 3 mikroorganizma grubu için inhibe edici etki yapar.

Şu halde optimum gaz üretimi ve elde edilen gaz içindeki metan oranının yüksekliği öncelikle bu 3 grup mikroorganizmanın uyum halinde etkinlik gösterebilecekleri koşulların sağlanmasına bağlıdır.

Sıcaklık: Biyogaz üretecindeki verimi etkileyen en önemli faktörlerin başında sıcaklık gelir. Genel olarak anaerobik fermantasyon 5-60 °C gibi geniş bir sıcaklık sınırı arasında gerçekleşir. 5-25 °C sınırında verim en düşüktür. 25-37 °C arasındaki mezofilik bölgede verim artar ve 37 °C‘ta maksimuma erişir. 37-50 °C arası kararsız bölge olarak tanımlanır. 50-60 °C arasında verim yine yükselerek maksimuma ulaşır. Biyogaz tesislerinde en önemli sorunlar arasında "hava sıcaklığının çok düştüğü kış aylarında üretecin ısıtılması" önde gelir. Tesisin elden geldiği kadar toprak altında derine yapılması, ucuz yalıtım malzemesi kullanılması, tercihen sera veya ahırın altında inşa edilmesi önerilebilir. Ancak gaz toplama kısmı mutlaka toprak üzerinde olmalıdır. Optimum gaz verimi için üreteçte özellikle ani sıcaklık düşmelerinin önlenmesi gerekir. Metan bakterilerinin sıcaklık değişim toleransları çok azdır. Bazı pratik uygulamalar ile üreteç içindeki sıcaklık düşmesi önlenebilir. Bunlardan en kolayı güneş enerjisinden faydalanmaktır. Kırsal kesim için siyaha boyanmış bir kapta tutulan su dışkının seyreltilmesinde kullanılabilir. Havaların çok soğuk gittiği günlerde ise biyogaz şofbenlerinde ısıtılan sudan yararlanılabilir. Şofben yakmak için enerji tüketilirse de bu şekilde elde edilen yüksek verim ile kazanılan enerji miktarı daha yüksektir. Büyük biyogaz üretim tesislerinde elektrikli ısıtıcılar kullanılır.

pH: pH'nın düşük olması metan bakterilerinin etkinliğini, buna bağlı olarak sistemin verimini azaltır. Biyogaz üretiminde optimum pH 6,8-7,5 'dur. pH, sığır dışkısında 8,0; koyun dışkısında 8,6; tavuk dışkısında 6,3; altlıklı tavuk dışkısında 8,2 kadardır.

Kurumadde: Fermantasyon ortamındaki katı madde oranı çok düşük ise biyogaz üretim miktarı düşük olur. Katı madde oranının çok fazla olması ise fermantasyon verimini düşürür. Optimum katı madde oranı %8-11'dir.

Doldurma Kapasitesi: Katı madde oranı, fermantasyon tankının büyüklüğü, bekleme süresi ve dış çevre sıcaklığı dolum kapasitesini etkiler. Örneğin çevre sıcaklığı yüksek ise fermentör fazla doldurulmamalıdır.

Hammadde: Sığır, tavuk, koyun, insan dışkıları, lağım suları, kültür bitkilerinin artıkları, gıda işleme ve kâğıt fabrikaları atıkları, yabani otlar ve su bitkileri başta olmak üzere pek çok organik materyal biyogaz üretiminde kullanılabilir. Bunlardan hangisinin daha ekonomik olarak kullanılabileceği, bu maddelerin toplama, taşıma, koruma, işleme ve geriye kalan artığın çevre sorunu yaratmadan ve tercihen tarımsal üretimde organik gübre olarak kullanılabilmesi gibi faktörler dikkate alınarak belirlenir. Hammaddenin çeşidi özellikle CH₄:CO₂ oranını etkiler. Örneğin glikoz esaslı hammaddeden elde edilecek biyogazda bu oran 1:1 dir. Ancak biyogazda metan %55'ten az olduğunda yanmaz. Tristearin esaslı organik yağlardan elde edilen biyogazda CH₄:CO₂ oranı ise 2,36:1'dir ve bu biyogaz 5970 kcal/m³ ısı değeri verir. Glisin esaslı proteinlerde ise bu oran 3:1 olup ısı değeri 6375 kcal/m³ ‘tür. Biyogaz üretiminde kullanılacak hammaddedeki C:N oranı en önemli faktörler arasındadır. Bu oranın 30:1 olması istenir. Anaerobik bakteriler karbonu enerji kaynağı olarak, azotu ise yeni hücre oluşumunda yapı malzemesi olarak kullanırlar. C, N 'a göre 25-30 kat daha fazla kullanılır. Materyal bu orana sahip değilse diğer organik maddeler ile karıştırılarak istenen C:N dengesi sağlanır. Çeşitli organik maddelerdeki C:N oranı, buğday sapında 87:1; çeltik sapında 67:1; mısır sapında 53:1; dökülmüş yaprakta 41:1 ; soya fasulyesi sapında 32:1; otta 27:1; yerfıstığı sapında 19:1; koyun dışkısında 29:1; sığır dışkısında 25:1; at dışkısında 24:1; domuz dışkısında 13:1; tavuk dışkısında 17:1; insan dışkısında 3:1 kadardır. Organik materyal azot bakımından zengin ise (C:N oranı 10:1 ve daha altı) fermantasyon sırasında NH₃ oluşur. NH₃ bakteri gelişmesini inhibe eder. Özellikle yüksek pH'larda bu toksik etki yükselir. Azotun çok az olması halinde ise (C:N oranı 50:1 ve daha yüksek) bu kez azot eksikliği ortaya çıkar. Biyogaz üretiminde hammaddenin C:N oranı, kurumadde oranı ve pH'sı beraberce düzenlenir. C:N oranının 30:1 civarında olması pH (6,8-7,5)'nın dengeli olmasını sağlar. Ortam asitliği yüksek ise NaOH, NaHCO₃, Ca(OH)₂ katılarak pH yükseltilebilir.

Karıştırma: Katı maddeler zamanla üstte toplanarak kitle oluşturmakta, bu durum ise gaz çıkışını önlemektedir. Bu nedenle biyogaz üreteçlerine alt ve üst katmanları karıştıracak mekanik sistemler ilave edilmelidir. Günde 2 kez 15-20 dakika karıştırma yeterli olur.

Besleme Sıklığı ve Miktarı: Tümüyle organik materyalin bileşimi ve sıcaklığa bağlıdır. Besleme sıklığının artması organik maddenin parçalanma hızım yükseltmektedir. Sığır dışkısında 5 günde bir besleme, günlük ve 7 günlük beslemeye göre daha fazla biyogaz verimi sağlar. Kuşkusuz fermentör kapasitesi ve bekleme süresine göre hesaplanan günlük besleme miktarı 5 gün de bir besleme yapılacaksa 5 ile çarpılmalıdır. Tavuk dışkısında kullanımında ise günlük ya da 7 günde bir besleme yapılması ile iyi sonuç alınır.

Toksik Maddeler: Fermentöre verilen organik materyal içinde bulunabilecek ağır metal tuzları, NH₃, NO₃, deterjanlar, pestisitler, antibiyotikler ve organik çözücüler bakterilere ve dolayısıyla biyogaz üretimine olumsuz etki yaparlar.