2024 yılında yenilenebilir enerjiye doğru küresel yönelim yoğunlaşırken, biyogaz sürdürülebilir enerji çözümlerinde önemli bir oyuncu olarak ortaya çıkıyor.
Uluslararası Enerji Ajansı'na (IEA) göre; Biyogaz üretiminin 40 yılına kadar %2030 oranında artması öngörülüyorAnaerobik sindirim teknolojisindeki gelişmeler ve temiz enerjiye olan talebin artmasıyla yönlendirilen
Organik atık üretiminde dünyanın en büyük üreticilerinden biri olan Hindistan, Sürdürülebilir Alternatif Uygun Fiyatlı Taşımacılık (SATAT) planı gibi hükümetin sıkıştırılmış biyogaz (CBG) üretimini teşvik eden girişimleriyle, merkezi olmayan bir enerji çözümü olarak biyogaza odaklanıyor.
Atık yönetimi ve enerji güvenliği konusundaki endişeler artmaya devam ederken, organik maddelerin ayrışmasından enerji elde etmek güçlü bir çözüm sunuyor.
Enerji ne yaratılır ne de yok edilir; bir enerji biçiminden diğerine dönüşür.
Termodinamiğin bu yasasını herkes bilir.
Bu da organik maddelerin ayrıştığında ne olduğu konusunda bir dizi soruyu gündeme getiriyor.
Organik maddelerin ayrışması sonucu ortaya çıkan enerjiyi değerlendirmek için neler yapılabilir?
Basitçe söylemek gerekirse, organik maddelerin ayrışmasından enerji üretimi, atıkları en iyi şekilde değerlendirme stratejisinden beklenebilecek ideal sonuçtur!
Organik bir madde ayrışmaya uğradığında, havanın ve çevre koşullarının mevcudiyetine bağlı olarak aerobik veya anaerobik sindirim yollarını izler.
Aerobik, oksijenin varlığında, anaerobik ise oksijensiz anlamına gelir.
İkisi birbirinden tamamen farklı iki sindirim süreci olduğundan, her iki sindirim süreci de farklı bakteri grupları tarafından gerçekleştirilir ve farklı son ürünlerle sonuçlanır.
Organik atıkların biyolojik olarak parçalanması sırasında açığa çıkan enerji değerlendirilerek faydalı bir ürüne dönüştürülebiliyor.
Organik materyalin kontrollü aerobik sindirimi bize kompost olarak bilinen besin açısından zengin bir gübre sağlayabilir.
Benzer şekilde, Anaerobik sindirim süreci biyogaz üretimine yol açabilirçok çeşitli uygulamalara yönelik son derece faydalı bir enerji kaynağı olabilir.
Anaerobik sindirimin doğal süreci geviş getiren hayvanların midelerinde veya bataklıklarda gerçekleşir.
Anaerobik bir işlemde mikroorganizmalar organik maddeyi parçalayarak biyogaz üretirler. Biyogaz metan (CH4), karbondioksit (CO2), hidrojen sülfür (H2S), karbon monoksit (CO), hidrojen (H2), azot (N2) ve su buharının bir karışımıdır.
Anaerobik sindirimden elde edilen son ürünler arasında özellikleri nedeniyle en ilgi çekici gaz metandır.
Biyogazdan elde edilen metan yanıcı olup enerji kaynağı olarak kullanılabilir.
Biyogaz üretim süreci, her adımda farklı bir bakteri grubu tarafından gerçekleştirilen çok aşamalı bir işlemdir.
Organik madde hidroliz, asidojenez, asetojenez ve metanojenez gibi bir dizi bozunma adımından geçer.
Bu süreç zincirinin sonunda, Organik madde metan ve diğer son ürünlere dönüştürülür ve bu işlem biyogaz üretimi olarak bilinir.
Anaerobik çürütücülere eklenen organik madde doğası gereği karmaşık bir polimerdir.
Hidroliz işlemi esas olarak organik makromolekülün daha küçük bileşiklere parçalanmasını sağlar.
Hidrolitik bakteriler, karbonhidratları monosakkaritler ve disakkaritler gibi basit şekerlere parçalayan amilaz, selüloz, proteaz ve lipaz gibi enzimler salgılar ve proteinler amino asitlere, lipitler ise farklı yağ asidi zincirlerine dönüştürülür.
MKS hidroliz için optimum pH 6 ila 7'dir ve sıcaklık aralığı 30 ila 50 °C'dir.
Bu, biyogaz üretimine doğru atılan ilk adımdır ve kritik öneme sahiptir çünkü karmaşık maddelerin parçalanması ne kadar yüksek olursa, biyogaz üretimi için o kadar fazla substrat elde edilebilir.
Hidroliz aşaması, asit oluşturan bakterilerin hücre zarından geçebilen küçük moleküler bileşiklerin son ürün olarak elde edilmesini sağlar.
Asidojenik bakteriler, öncül bileşikleri, asit olarak bilinen ara bileşiklere dönüştürür. Uçucu yağ asitleri (UYA'lar), metanol, etanol ve aldehitler gibi alkoller ve CO2.
Uçucu yağ asitleri (VFA), asetatlar gibi organik asitlerden ve propiyonat, bütirat ve pentanoat gibi daha büyük organik asitlerin değişen oranlarda bir araya gelmesiyle oluşur.
Asetat doğrudan metanogenezde substrat olarak kullanılır, ancak yüksek organik asitlerde durum böyle değildir.
Asetojenez, propiyonat ve bütirat gibi yüksek organik asitlerin asetoklastik bakteriler tarafından asetat ve hidrojene dönüştürülmesi işlemidir.
Asetojenez sürecinden, asetat üretimi yaklaşık %25 iken, hidrojen üretimi yaklaşık %11'dir.
Metanogenez, anaerobik sindirimin son aşamasıdır.
Metan üreten bakteriler, asetatlar, hidrojen, metanol ve metilamin gibi önceki aşamalardan gelen ara maddeleri metan ve H2O'ya dönüştürür.
Asetat, asetoklastik metanojenler tarafından tüketilerek metana dönüştürülür.
Hidrojenotrofik metanojenlerin bir başka grubu CO2'yi azaltır2 asetojenez aşamasında hidrojen kullanarak metan üretmek ve onu metana dönüştürmek.
Metanojenez süreci daha yüksek pH'ta gerçekleşir. Üretilen metanın 2/3'ü asetoklastik metanojenez yoluyla, 1/3'ü ise hidrojenotrofik metanojenez yoluyla üretilir.
Hidroliz işlemi, Streptococcus ve Enterobacterium gibi fermentatif bakteriler olarak da bilinen bir grup anaerobik bakteri tarafından gerçekleştirilir.
Sindirime uğrayan atıklara adsorbe edilen hücre dışı enzimleri salgılarlar.
Hidrolize edilmiş atık, bakteri türleri tarafından daha sonra organik asitlere dönüştürülür. Psödomonas, Basil, Clostridium, Mikrokokya da flavobakteri.
Mikroorganizma popülasyonunun çeşitliliğine bağlı olarak, asidogenez süreci hidrojenasyon işlemi, doğrudan son ürünlerin asetatlar, hidrojen ve CO2 olduğu bir hidrojenasyon işlemi veya atığın daha yüksek organik asitlere dönüştürüldüğü bir dehidrojenasyon işlemi ile gerçekleştirilebilir.
Fakültatif asidojenik bakterilerin bir diğer fonksiyonu ise aşağıdaki proseslerde zorunlu anaeroblar için çalışma ortamı yaratmaktır.
Fakültatif anaeroblar, sindiricide bulunan oksijeni kullanarak tam bir anaerobik ortam yaratırlar.
Asetojenez süreci, bütirat ve propiyonatı asetat ve hidrojene dönüştüren Syntrophomonas ve Syntrophobacter cinsleri tarafından gerçekleştirilir ve Methanobacterium suboxydans gibi bazı bakteriler pentanoik asidi propiyonik aside dönüştürürken, Methanobacterium propionicum propiyonik asidi asetata dönüştürür.
Asetojenez sonucu açığa çıkan hidrojen, asetojenik bakteriler için inhibitördür; bu durumda hidrojenotrofik bakteriler, açığa çıkan hidrojeni metana dönüştürmek için simbiyotik olarak çalışırlar ve bu işleme de sintrofi adı verilir.
Metanogenezisin son adımı da metan üretimi için kullanılan substrata bağlı olarak iki farklı bakteri grubu tarafından gerçekleştirilir.
Methanosarcina ve Methanosaeta gibi asetotrofik bakteriler, asetattan metanı dönüştüren en yaygın asetotrofik bakteri cinsleridir; buna karşın Methanobacteriaceae ve Methanoculleus cinsleri, metan üretimi için ara madde olarak hidrojen kullanan yaygın hidrojenotrofik bakterilerdir.
Anaerobik sindirim genel olarak hassas bir proses olduğundan, özel bir malzeme türü kullanılmalıdır.
İnsan ve hayvanların beslenmesinde kullanılan yemler veya bunların yan ürünleri biyogaz üretiminde hammadde olarak kullanılabilmektedir.
Biyogaz üretimi için hammadde seçimi yapılırken hammaddenin su içeriği, toplam katı madde ve uçucu katı madde miktarlarının dikkate alınması gerekmektedir.
Herhangi bir malzemede su ve kuru madde bulunur.
Kuru madde, toplam katı madde içeriği, yani katının toplam kütlesi ve uçucu katı madde içeriği, yani parçalanabilir organik maddenin toplam miktarı olarak sınıflandırılır.
Uçucu katı içeriği yüksek malzeme kullanılması önerilir.
Gıda yan ürünleri biyogaz üretimi için hammadde olarak kullanılabilirPiyasa atıklarından, gıda işleme tesislerinden ve restoranlardan kolaylıkla ve düşük maliyetle temin edilebilir.
Gıda yan ürünleri kolayca bozulabilir.
Biyogaz üretiminde hammadde olarak tutarlı bir malzeme elde etmek amacıyla tek bir tutarlı gıda kaynağının kullanılması tavsiye edilir.
Gübre, ilave su ve yataklık ile sindirilmemiş hayvan yemidir. Aynı zamanda iyi bir mikroorganizma kaynağıdır.
Sığır gübresi çoğunlukla tercih edilirken, domuz ve kümes hayvanı gübresi yüksek azot içeriğine sahiptir; bu nedenle düşük bir azot içeriğine yol açabilir. C: N oranı tepki sisteminin.
Taze gübre anaerobik sindirim için en iyi sonucu verir.
İkincil hammadde olarak enerji bitkilerinin eklenmesi biyogaz çıktısını artırabilir.
Enerji bitkileri arasında otlar, mısır silajı ve silajlık otlar yer almaktadır.
Enerji ürünlerinin genellikle piyasadan satın alınması gerekiyor; dolayısıyla enerji üretiminin hammadde maliyetini karşılaması gerekiyor.
Anaerobik çürütücü, organik materyalin kontrollü koşullar altında anaerobik olarak çürütülerek sindirim ürünü oluşumuna ve biyogaz üretimine yardımcı olan bir işleme ünitesidir.
Anaerobik çürütücü, kapalı ve hava geçirmez bir yapıdır.
Sindiriciye hammaddenin eklenmesini sağlamak için giriş borusu bulunmaktadır.
Giriş borusu sindiriciye ulaşır. Sindirici tüm anaerobik sindirimin gerçekleştiği yerdir.
Biyogaz üretimi sırasında gerekli çamur ve gaz birikimi için gerekli boşluk miktarını sağlayacak şekilde sindirici hacmi bölünür.
Sindiricinin üstünde, biyogaz üretimi başladığında gaz çıkışını kontrol etmek için vanalı bir gaz borusu bulunmaktadır.
Aşırı bulamacın toplanıp gerektiğinde taşmasına olanak sağlayan bir çıkış alanı ve bir taşma alanı bulunmaktadır.
Anaerobik sindirim ve biyogaz üretiminde en çok kullanılan işletme parametresi, mezofilik koşullar altında çalışan, tek kademeli, sürekli bir sistemdir; burada ıslak atığın hammadde olarak kullanılması idealdir.
Bu parametreler göz önünde bulundurulduğunda ve ölçeklenebilirliğe bağlı olarak biyogaz üretimi için ideal teknolojiler sabit kubbeli reaktör, yüzer tambur reaktör ve balon tipi reaktördür.
Sabit kubbeli çürütücü, tuğla ve çimentodan inşa edilmiş kapalı bir sistemdir.
Çürütücü alanı yer altına inşa edilmiş olup, giriş, gaz kontrol vanası ve çıkış yer üstünde yer almaktadır.
Bu tip çürütücüler biyogaz üretiminde kullanılan reaktörler arasında nispeten uzun ömürlüdürler.
Yeraltı inşaatı hem yerden tasarruf sağlar hem de dışarıda meydana gelen sıcaklık dalgalanmalarını ortadan kaldırır.
Yüzen tambur, sabit kubbeli tambura benzer bir prensiple çalışır; ancak aralarındaki temel fark, sindirici tankın yer altına inşa edilmesi, gaz biriktiren tamburun ise yer üstünde yüzer halde olmasıdır.
Biyogaz üretimi sırasında gaz basıncı arttıkça tambur yukarı doğru hareket eder, gaz tüketildiğinde ise kendi ağırlığıyla su ceketi veya bulamaç üzerinde yüzerek aşağı doğru iner.
Gaz tutan variller metal, plastik veya fiberglas kullanılarak yapılabilir.
Plastik veya kauçuktan yapılmış boru şeklindeki bir balona benzeyen, biyogaz üretimi için kullanılan düşük maliyetli bir biyogaz sindiricidir.
Sindiricinin tabanı, çukur benzeri bir alanda, yerin altına yerleştirilir.
Giriş ve çıkış aynı malzemeden yapılmış olup balona bitişiktir.
Maliyet açısından uygun bir çözüm olmasına rağmen, mekanik hasarlara karşı hassas olduğundan kullanım ömrü daha kısadır.
Tatmin edici metan üretimi sağlamak için yalnızca iyi bir altyapı yeterli değildir.
Karmaşık bir sistem olduğundan iyi bir biyogaz üretimi elde etmek için başlangıçtan sonuna kadar birçok parametrenin korunması gerekmektedir.
Hammadde içerisindeki organik atık fraksiyonunun uçucu katı madde oranı yüksek olmalıdır.
Hammaddenin parçacık boyutu çok küçük olmalı, yaklaşık 2 cm.
Büyük yüzey alanı hızlı bozunmayı artırdığından, homojen boyutta bir hammadde elde etmek için bir parçalayıcı kullanılabilir.
Biyogaz üretim sürecini bu mikroorganizmalar gerçekleştirir.
İnek gübresi gübresinin, özel mikrobiyal konsorsiyumlarla birlikte eklenmesi, verimli biyogaz üretimine yardımcı olur.
A Biyogaz üretim sürecini başlatmak için reaktör hacminin en az %10 ila %15'i kadar inek gübresi gereklidir.
Mezofilik mikroorganizmanın devreye alınması, termofilik mikroorganizmalara göre daha uzun sürmektedir.
Biyogaz üretiminde üretilen metanın miktarı ve saflığı girdi materyalinin C:N oranına bağlıdır.
Biyogaz üretimi için optimum C:N oranı 30:1'dir.
Yani, Bakteriler tarafından tüketilen her 30 birim için, besin kaynağı olarak 1 birim azota ihtiyaç duyarlar.
Karbon ve azotun doğru oranı, anaerobik sindirim yoluyla optimum biyogaz üretimini sağlayabilir.
Organik yükleme oranı, günde eklenmesi gereken substrat kütlesi anlamına gelirReaktör hacmine bağlı olarak optimize edilmiş biyogaz üretiminin sağlanması.
OLR, günlük metreküp başına düşen toplam uçucu katıların kilogramı olarak ölçülür.
Karıştırılmayan bir tank reaktörü için ideal OLR <2 kg VS/m3/gün iken, karıştırılan bir tank reaktörü için günlük yaklaşık 4 – 7 kg VS/m3 gereklidir.
Mezofilik bakteriler için uygun sıcaklık aralığı 30-40 °C, termofilik bakteriler için ise 45-60 °C arasındadır.
15 °C'nin altındaki daha soğuk sıcaklıklar işlemi yavaşlatır. Biyogaz üretiminin daha soğuk havalarda engellendiği bilinmektedir.
MKS Biyogaz üretimi için optimum sıcaklık nötr olup 6.5 ila 7.6 arasındadır.
Asidojenez süreci pH'ı asidik seviyeye düşürür.
pH değeri 7 ile 7.5 arasında olduğunda gaz fazındaki CO2, uçucu yağ asitlerinin (VFA) neden olduğu pH değişimini tamponlamak için gerekli alkaliniteyi sağlar.
Asidojenez nedeniyle pH şok yükü oluşması durumunda OLR düşürülmeli veya kireç veya sodyum hidroksit ilavesi pH'ı normale yükseltebilir.
Sistemin pH değeri, optimum biyogaz üretimi için en kritik parametredir.
Malzemenin reaktörde kalma süresi reaktörün büyüklüğüne ve bozunma hızına bağlıdır.
Mezofilik reaksiyon süreci genellikle 10 ila 40 gün arasında sürerken, termofilik reaksiyon süreci 10 ila 25 gün arasında sürmektedir.
Biyogaz üretimi, sadece organik maddelerin yakıt kaynağı olarak kullanılabilen metana dönüştürülmesi işlemi olarak görülebilir; ancak biyogaz üretim sürecinin çevresel ve finansal açıdan daha büyük etkileri vardır.
Sonuç olarak, Biyogaz üretimi, biyolojik katı atık yönetiminin maliyetini ülkeler için gelir elde etme fırsatına dönüştürebilir.
Biyogaz üretimi, ısıtma, ulaştırma yakıtı ve elektrik üretimi için alternatifler yaratabilir ve dolayısıyla sera gazı oluşumunu ve fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltabilir ve dünya genelinde giderek daha istikrarsız hale gelen ekonomilerde istihdam yaratabilir.
Sadece bunlarla da kalmayıp, biyogaz üretimi sonucu ortaya çıkan sindirim ürünü, tarımda toprağın gübrelenmesinde kullanılan kimyasal girdilere alternatif olarak da kullanılabiliyor.
Biyogaz üretimi, sağladığı birçok avantaj göz önüne alındığında daha yeşil ve daha iyi bir geleceğin anahtarıdır.
