Biyogaz

Biyogaz terimi temel olarak organik atıklardan kullanılabilir gaz üretilmesini ifade eder. Diğer bir ifade ile Oksijensiz ortamda mikrobiyolojik floranın etkisi altında organik maddenin karbondioksit ve metan gazına dönüştürülmesidir. Biyogaz elde edinimi temel olarak organik maddelerin ayrıştırılmasına dayandığı için temel madde olarak bitkisel atıklar ya da hayvansal gübreler kullanılabilmektedir. Kullanılan hayvansal gübrelerin biyogaza dönüşüm sırasında fermante olarak daha yarayışlı hale geçmesi sebebiyle dünyada temel materyal olarak kullanılmaktadır. Aynı zamanda tavuk gübrelerinden de oldukça verimli biyogaz üretimi sağlanabilmektedir. Tavuk gübresinin kullanımı tarım için önemlidir. çünkü bu gübre topraklarda verim amaçlı kullanılamaz. Topraklarda tuzluluğa sebep olurlar. Kullanılamayan bu gübre biyogaza dönüştürüldüğünde yarayışlı bir hal almış olur. Günümüzde biyogaz üretimi çok çeşitli çaplarda; tek bir evin ısıtma ve mutfak giderlerini karşılamaktan, jeneratörlerle elektrik üretimine kadar yapılmaktadır.

Biyogazı oluşturan metan molekülü

Araçlarda kullanılan özel yakıtlar
Biyodizel Biyogaz Biyoyakıt Bitkisel yağ yakıtı Bütanol yakıtı Etanol yakıtı

Biyogazın oluşumu

Kompleks organik maddenin basit maddeye dönüşümü

Biyogaz üç evrede oluşur Bunlar,

1. Hidroliz
2. Asit oluşturma
3. Metan oluşumu dur.

Birinci aşama atığın mikroorganizmaların salgıladıkları enzimler ile çözünür hale dönüştürülmesidir. Bu aşamada polisakkaritler monosakkaritlere, proteinler peptidlere ve aminoasitlere dönüşür. Bundan sonraki aşamada asit oluşturucu bakteriler devreye girerek bu maddeleri asetik asit gibi küçük yapılı maddelere dönüştürürler. Asit oluşumu üretim esnasında pH'nın düşmesine neden olabilir bu durum metan oluşumunu sağlayacak bakteriler üzerinde olumsuz etki yaratabilir. Son aşamada ise bu maddeleri metan oluşturucu bakteriler biyogaza dönüştürürler. Görüldüğü gibi biyogaz oluşumu mikrobiyolojik etmenler ile gerçekleşmekte ve doğal olarak bu mikrobiyolojik organizmaların etkileneceği her türlü koşul biyogaz üretimini de etkilemektedir.

Hidroliz aşaması: İlk aşamada mikroorganizmaların salgıladıkları selular enzimler ile çözünür halde bulunmayan maddeler çamur içerisinde çözünür hale dönüşürler. Uzun zincirli kompleks karbonhidratları, proteinleri yağları ve lipidleri kısa zincirli yapılara dönüştürürler. Bu basit organiklere dönüşüm sonucunda birinci aşama olan hidroliz tamamlanmış olur.

Asit oluşturma aşaması: Çözünür hale dönüşmüş organik maddeleri asetik asit, uçucu yağ asitleri, hidrojen ve karbondioksit gibi küçük yapılı maddelere dönüşür. Bu aşama anaerobik bakteriler ile gerçekleştirilir. Bu bakteriler metan oluşturucu bakterilere uygun ortam oluştururlar.

Metan oluşumu: Bakterilerin asetik asidi parçalayarak veya hidrojen ile karbondioksit sentezi sonucunda biyogaza dönüştürülmesi işlemdir. Metan üretimi diğer süreçlere göre daha yavaş bir süreçtir. Metan oluşumundaki etkili bakteriler çevre koşullarından oldukça fazla etkilenirler.

Biyogaz üretiminde kullanılan materyaller

Biyogaz üretiminde organik atık

Biyogaz üretimi için kullanılan materyaller, hayvansal gübreler, organik atıklar ve endüstriyel atıklar olarak üç başlık altında incelenebilir. Bu bağlamda kullanılan materyaller,

1. Hayvansal atıklar
   1. Hayvancılık ile elde edilen atıklar,
   2. Hayvan gübreleri,
2. Bitkisel atıklar
   1. Bahçe atıkları,
   2. Yemek atıkları,
3. Endüstriyel atıklar
   1. Zirai atıklar,
   2. Orman endüstrisinden elde edilen atıklar,
   3. Deri ve tekstil endüstrisinden ele edilen atıklar,
   4. Kağıt endüstrisinden elde edilen atıklar,
   5. Gıda endüstrisi atıkları,
   6. Sebze, tahıl, meyve ve yağ endüstrisinden elde edilen atıklar,
   7. Şeker endüstrisi atıkları,
   8. Evsel katı atıklar,
   9. Atıksu arıtma tesisi atıkları.

Biyogaz üretimi tarımsal atıklardan yararlanılarak yapılabileceği gibi endüstriyel atıklardan yararlanılarak da yapılabilmektedir. Kentsel atıkların ayrı ayrı toplanılması ve kanalizasyon atıklarının arıtma tesislerinde toplanılmasıyla önemli ölçüde biyogaz üretim imkânı vardır. Bu çerçevede Türkiye'de İzmir Büyükşehir Belediyesi'nin Büyük Kanal Projesi çerçevesinde yaptığı bazı çalışmalar bulunmaktadır.

Biyogaz üretimini etkileyen faktörler

Biyogaz boruları

Genel olarak biyogaz oluşumuna etki eden mikrobiyolojik bakterilerin etkileneceği her faktör biyogaz üretimini de etkiler. Bir bakterinin yaşamsal faaliyetlerini devam ettirebilmesi için belirli sıcaklık ve pH değerlerine ihtiyacı vardır. Aynı zamanda toksisite de bakterilerin faaliyetlerini direkt olarak etkiler. C/N oranı (Karbon / Azot) bir bakterinin ayrıştırma hızına etkisi bulunduğu için önemlidir. C/N oranın dar olması bakterilerin o atığı daha hızlı ayrıştırması anlamına gelir. Son olarak da biyogaz üretiminin yapıldığı reaktörde organik yükleme hızı ve hidrolik bekleme süresi de biyogaz üretimine direkt olarak etkiler.

Sıcaklığın biyogaz üretimine etkileri:
Metanojenik bakteriler çok yüksek ve çok düşük sıcaklık değerlerinde aktif olmamaktadır. Bu yüzden biyogaz üretiminin gerçekleşeceği reaktör sıcaklığı biyogazın üretimine veya hızına direkt olarak etki etmektedir. Bu bakteriler sıcaklık değişimlerine karşı da oldukça hassastırlar. Reaktörün içerisindeki sıcaklık bekleme süresini ve reaktör hacmini de belirler. Sıcaklığın düzeyine göre sınıflandırılması üç şekilde yapılabilir.

1. Psikofilik sıcaklık aralığı = 12-20 Derece
2. Mesofilik sıcaklık aralığı = 20-40 Derece
3. Termofilik sıcaklık aralığı = 40-65 Derece

pH'nın biyogaz üretimine etkileri:
Metan oluşturucu bakteriler için en uygun pH değerleri nötr veya hafif alkali değerlerdir. Anaerobik şartlarda fermantasyon işlemi devam ederken 7-7.5 arasında değişir. pH değerinin 6.7 düzeylerine düşmesi durumunda bakteriler üzerinde toksit etki yapar. Asit oluşturucu bakterilerin ise sayısı artarak pH'nın düşmesine ve metan oluşumunun durmasına sebep olabilirler. Bu gibi durumlarda reaktöre organik madde yüklenmesi kesilerek asit oranının düşmesi sağlanır. pH'nın kararlı bir hale gelebilmesi için kimyasal da kullanılabilmektedir. Bu kimyasallardan bir tanesi sönmüş kireç olarak bilinen kalsiyum hidrooksittir.

Toksisite'nin biyogaz üretimine etkileri:
Mineral iyonları, ağır metaller ile deterjan gibi maddeler bakterilerin gelişimi üzerinde olumsuz etkiler oluştururlar. Bu maddelerin biyoreaktörlere sızması ile üretimin yavaşlaması veya durması söz konusu olabilmektedir. Tavuk yetiştiriciliğinde yemlere antibiyotik katılması, gaz üretiminde tavuk gübrelerinin kullanıldığı sistemlerde toksisite etkisi yapmaktadır. Bu şekildeki yemlerle beslenen tavukların gübrelerinde de antibiyotikler bulunmakta ve bu antibiyotikler metan oluşturucu bakteriler üzerinde olumsuz etki yapmaktadır.

C/N oranı'nin biyogaz üretimine etkileri:
Anaerobik bakteriler karbonu enerji elde edebilmek için kullanmaktadırlar. Azot ise bakterilerin büyümesi ve çoğalması için gerekli olan diğer maddedir. C/N oranı biyogaz elde edilecek olan atık için uygun değerlerde olmalıdır. Oran 23/1 düzeyinden fazla ve 10/1 oranından az olmamalıdır. Azot oranının fazla olması amonyak oluşumu sebebiyle biyogaz üretimini olumsuz etkilemektedir.

Organik yükleme hızı'nın biyogaz üretimine etkileri:
Organik yükleme hızı, birim hacim(m³) bioreaktörlere günlük olarak beslenen organik madde miktarıdır. Organik yükleme hızının mümkün oldukça optimumda tutulması gereklidir Aksi halde pH seviyesi düşerek gaz oluşumunu tamamen durabilmektedir.

Atık Materyali	Yükleme miktarı/Gün
Sığır gübresi	2.5-3.5 kgUM/m3.gün
İlave besin maddeli sığır gübresi	5.0-7.0 kgUM/m3.gün
Domuz Gübresi	3.0-3.5 kgUM/m3.gün

Mesofilik şartlarda çalışan reaktörler için optimum organik yükleme hızı.

Biyoreaktörler

Biyogaz deposu

Biyogazın üretimi için tasarlanmış yapıların genel ismidir. Küçük hacimli ve büyük hacimli olarak ikiye ayrılabilir. Küçük hacimli reaktörler hacim olarak 3 ton a kadar olabilmektedir. Ancak yapılan araştırmalarda 10 tonun altında istenilen verimlilikte olmamaktadır. Biyoreaktörün tasarımında üretimin kesik kesik mi yoksa sürekli mi olacağı da belirleyici bir unsurdur. Dünyada biyoreaktörü ve biyogazı en çok kullanan ülke Çin dir. Bu ülkenin kendine has küçük kapasiteli reaktörleri de vardır. Son dönemlerde ucuz maliyeti nedeniyle torba tipi ya da balon tipi reaktör modelleri de yaygınlaşmaktadır. Ancak bu model reaktörlerin verimli hizmet süreleri takriben 2 - 3 yıl kadardır. Biyogaz üretiminde ise kullanılan en yaygın üç reaktör aşağıdaki gibidir,

1. Sabit kubbeli (Çin tipi) reaktörler,
2. Hareketli kubbeli (Hint tipi) reaktörler
3. Torba tipi (Tayvan tipi) reaktörler

Türkiye'de biyogaz

1980 - 86 yılları arasında Türkiye'de Toprak-Su araştırma enstitüleri tarafından yoğun olarak araştırılmıştır. Daha sonra ise bu konudaki araştırmalar üniversiteler bünyesinde bireysel olarak devam etmiştir. Biyogaz üretimi herkesin kendi başına yapabileceği bir şey değildir. Bu üretim için eğitimli ve gerekli donanımı olan kişiler tarafından desteklenmesi gerekmektedir. Türkiye'de bu konuda yeterli bilgiye sahip kişilerin bulunması hususunda sorunlar bulunmaktadır. Türkiye'deki pilot uygulamalardan birisi Tübitak destekli Kocaeli Belediyesinin iştiraki olan İzaydaş bünyesinde kurulmuş olan biyogaz tesisidir. (www.biyogaz.org.tr) 2400 metre küplük 2 ana fermanterden oluşan tesis 350 kW kapasitesindedir.

Dünya'da biyogaz

Ülkeler	Tesis Sayısı
Çin	7,000,000
Hindistan	2,290,000
Nepal	49,500
Kore	29,000

Dünyada biyogaz üretim ve kullanımı giderek gelişmektedir. Hayvan gübresinden elde edilen biyogazın tesis oranları dikkate alınırsa dünyadaki tesislerin %80'i Çin'de %10'u Hindistanda, Nepal ve Tayland'ta bulunmaktadır. Tesis sayısına göre ise ülkelerin sıralaması yanda tabloda verilmiştir.

Avrupa'nın hayvan gübresi ile elde ettiği biyogaza ve tesis sayısına bakılacak olursa bu noktada Almanya 2,200 tesis ile en fazla üretim yapan ülke konumundadır. Bu ülkeyi 70 tesis ile İtalya takip etmektedir. Almanya'da biyogaz tesislerinin yapımı 1993 yılından itibaren artmış ve yine aynı yıldan günümüze kadar 139 tesisten 2,200 tesise kadar artmıştır.

Biyogazın kullanım alanları

Biyogaz ile çalışan otobüs / Bern, İsviçre

Biyogaz doğalgazın kullanım alanlarıyla paralel olarak kullanılabilen bir enerji kaynağıdır. Biyogaz kullanım alanları aşağıdaki gibi sıralanabilir,

1. Doğrudan yakarak ısınma ve ısıtma,
2. Motor yakıtı olarak kullanımı suretiyle ulaşım,
3. Türbin yakıtı olarak kullanımı ile elektrik üretimi,
4. Yakıt pillerinde kullanımı,
5. Mevcut doğalgaza katılarak maliyetlerin düşürülmesi,
6. Kimyasal maddelerin üretimi sırasında biyogaz kullanımı.

Tüm bu kullanım alanlarının yanı sıra biyogaz çevreye karşı duyarlı bir enerji kaynağıdır. Bu yüzden gelişen koşullarda çevre kirliliğinin önlenmesinde yeşil yakıt olarak bilinen organik madde kökenli biyogaz kullanımı daha önemlidir. Biyogaz üretimi için kullanılan ham maddeler tarımsal arazilerde üretildiği için, tarımsal işletmelerde gerek seraların ve iskan yapılarının ısıtılmasında gerekse traktörlerin yakıtı olarak kullanılmasında önemli bir fayda sağlayabilmektedir. Bu şekilde kullanılan biyogaz işletme maliyetlerini önemli ölçüde azaltmaktadır.

Diğer yenilenebilir enerji sistemlerine göre farkı

Biyogaz, diğer yenilenebilir enerjiler ile karşılaştırıldığında birçok boyutta avantajlara sahiptir.

Çevresel Boyut

Hayvan gübresinin herhangi bir işleme tabi tutulmaksızın doğaya salıverilmesi halinde yaratmış olduğu kirlilik oldukça yüksek seviyededir. 80 inekli bir çiftlikten çıkan gübre kaynaklı oluşan CH₄ emisyonu yılda 110 ton CO₂ (sürekli yolda olan 110 aracın oluşturduğu karbon emisyonu)'e eşittir. Böyle bir çiftliğe biyogaz tesisi kurulması ile bu zarar çiftlikte kullanılabilecek bir yeşil enerjiye dönüştürülebilir.

İşlenmemiş hayvan gübresinin toprağa verilmesi ile birlikte toprağın tuzluluk oranı artar, gübrenin içinde bulunan zararlılar ekilen toprağa karışır ve yeraltı sularının kirlenmesine neden olur.

Ekonomik Boyut

1MW güce sahip bir Rüzgâr tribünü yılda ortalama 3066MWh elektrik üretebilir; 1MW güce sahip bir güneş enerji santrali yalnızca ışıma saat aralığında yani yılda ortalama 2300 saat çalışarak 2300MWh elektrik üretebilir. 1MW güce sahip bir biyogaz tesisi yılda 8200 saat elektrik üretimi gerçekleştirebilir.

Elektrik üretiminin yanı sıra kojenerasyon tesisinin çalışması esnasında ortaya çıkan termal enerji birçok alanda kullanılabilir.

Fermentasyon sonrası elde edilen atık iyi bir toprak şartlandırıcısıdır, zenginleştirilerek biyogübre olarak kullanıma sunulabilir.