HAZIRLAYAN

PROF.DR. OSMAN YALDIZ

AKDENİZ ÜNİVERSİTESİ

TEMİZ ENERJİ ARAŞTIRMA VE UYGULAMA MERKEZİ

BİYOGAZ ÜRETİMİNDE ETKİLİ FAKTÖRLER

Hammadde

CinsiİçeriğiKuru madde ve organik kuru madde oranıİçerdiği yataklık miktarıPartikül büyüklüğüYabancı madde oranı

Üreteç

HacimYapımda kullanılan materyal (beton, metal vs)KarıştırmaYükleme ve boşaltma sistemiIsıtma düzeneğiİzolasyonBulunduğu yer

Proses parametreleri

Yükleme oranıKuru madde ve organik kuru madde oranlarıBekleme süresiFermentasyon sıcaklığı

• Bekleme Süresi (BS)• Her gün üretece yüklenen

materyalin teorik olarak üreteç içerisinde kalma süresidir ve toplam fermentasyon hacminin günlük yüklenen materyal miktarına bölümü ile bulunmaktadır.

• BS = VR / S• Burada;• BS = Bekleme süresi (d),• VR= üreteç hacmi (m3), S=günlük

yüklenen materyal miktarı (m3)

• Yükleme Oranı (YO)• Üretece yüklenen günlük organik kuru

madde miktarının toplam üreteç hacmine bölümü ile hesaplanmaktadır. Materyalin içerdiği organik kuru madde oranı, günlük yüklenen materyal miktarı ile çarpılarak yüklenen organik kuru madde miktarı bulunur. Daha sonra bu değer toplam fermentasyon hacmine bölünerek yükleme oranı hesaplanır.

• YO= (S x OKM) / VR• Burada;• YO=Yükleme oranı (kg.okm/m3.d),• OKM= materyalin organik kuru madde oranı (%)

• Hammadde Özgül Metan Üretim Oranı (Mokm)• Günlük yüklenen organik kuru madde

miktarının birim ağırlığı için günlük üretilen metan miktarıdır. Üreteç değerlendirmelerinde ve araştırmaların karşılaştırılmasında kullanılan en önemli parametrelerden birisidir. Biyogaz çalışmalarında fermentasyonu etkileyen tüm etkenlerin değerlendirilmesinde karşılaştırılabilecek bir değerdir.

• Mokm= M / OKMg• Burada; • Mokm = Hammadde özgül metan üretim

oranı • (m3/kg. okm),• M = Günlük üretilen metan miktarı (m3),

OKMg=Üretece günlük yüklenen organik kuru madde miktarı (kg)

• Üreteç Özgül Metan Üretim Oranı (Mv)

• Birim üreteç hacminden günlük üretilen metan miktarıdır. Mokm değerinde olduğu gibi karşılaştırma değeri olarak önemli bir anlama sahiptir.

• Mv= M / VR• Burada; • Mv: Üreteç özgül metan üretim

oranı (m3/m3.d)

Bazı metan bakterilerinin saf kültürlerde ve belirli sıcaklıklarda davranış biçimleri (Maurer ve Winkler, 1982)

Bakteri Besi ortamı Hareketlilik pHSıcaklık (0C)

Besin maddesi

Methanobacterium ruminanintum

Mide içeriğiAtık su

çamuruBağırsak

Hareketsiz 6-8 39

Amino asitler,sirke asidi, tereyağı asidi, koenzim M

Methanobacterium Stamm MoH

Atık su çamuru

Göl ve deniz çamuru

Hareketsiz 7 37-40Sirke asidi, B

vitamini, sülfidler

Methanobacteirum fomicicumAtık su

çamuruMide içeriği

Hareketsiz 38-45 Asit formik

Methanobacteriım Stamm AZAtık su

çamuruHareketsiz 7 33-40 Maya ekstrakları

Methanobacterium mobile Mide içeriği Hareketli 6,1-6,9 40Asit formik, koenzim

M (mide suyu)

Methanobacterium thermoautotrophicum

Atık su çamuru

Hareketsiz 7,2-7,6 40-75

Methanobacterium arbophilicum

Yaş odunToprak

Hareketsiz 7,5-8 30-37 Maya ekstratları

Methanosarcina barkeriiAtık su

çamuruÇamur

Hareketsiz 7 Sirke asidi, methanol

Mathanococcus vannieli ÇamurHareketli ve

hareketsiz8 30-40 Sirke asidi

Mathanosprillum hungatiiiAtık su

çamuruHareketli 6,6-7,4 30-37

Asit formik, maya ekstratları,

Temel olarak sıcaklığın yükselmesinin biyokimyasal reaksiyonları hızlandırdığı bilinmektedir.

Fermentasyon sırasında oluşan olaylar enzimler tarafından kontrol edilirler veya enzimler katalizatör görevi görürler. Enzimlerin etkilerinin veya enzim miktarının sıcaklığa bağımlı olması biyogaz fermentasyonunun sıcaklığa bağımlı olmasına neden olmaktadır.

Enzimlerin sıcaklığa tepkileri de farklıdır. Bazıları 40-50 0C arasında zarar görürken bazıları 60 0C ve üzerinde aktif olarak görev yapabilmektedirler.

Fermentasyon sırasında bileşiklerin parçalanma hızı enzimlerin zarar görmeyeceği sıcaklık sınırına kadar artarken, bu sınırdan sonra hızla azalır

Termofil koşullarda gaz üretiminin daha yüksek olmasına karşılık yüksek sıcaklıklarda tesisin gereksinim duyduğu enerji miktarı ve tesisten olan ısı kayıpları da artar.

Yüksek sıcaklıklarda bekleme süresinin kısaltılması nedeniyle gereksinim duyulan üreteç hacminin azalmasına karşılık proses enerjisi de yükselir. Dolayısıyla tesisin ısıtma giderleri artar.

Bu nedenle fermantasyon sıcaklığı seçilirken konu bütünlük içerisinde ekonomik açıdan incelenmelidir

Termofil koşullarda çalışan biyogaz tesisleri ani sıcaklık değişimlerine karşı daha duyarlıdır bu nedenle sıcaklık iyi takip edilmeli ve gerekli önlemler alınmalıdır.Sıcaklığın yüksek olması amonyak miktarını artırarak fermentasyonu olumsuz yönde de etkileyebilmektedirSakrofil koşullarda düşük sıcaklık nedeniyle yükleme oranı daha düşük olacak, dolayısıyla gerekli üreteç hacmi artacaktır. Bu maliyeti etkileyen bir unsurdur. Ancak üretim sonrası gübrenin depolanacağı hacmin ikinci bir üreteç gibi düzenlenmesi ile bu sorun bir ölçüde aşılabilmektedir.

Scheurer (1986) tavuk gübresi ve % 14 kuru madde içeriği ile yapmış olduğu çalışmalarda 32 0C fermentasyon sıcaklığında optimum fermentasyon koşullarının sağlandığını bildirmektedir. Bu sıcaklıkta oluşan gazda;

en düşük CO2 içeriğinin sağlanmış, organik asit düzeyinin bakteriler için uygun

düzeyde oluşmuş,amonyum konsantrasyonun da optimum

düzeyde olduğu saptanmıştır.

Sıcaklığın 41 0C’ye yükselmesi ile oluşan gazdaki;

CO2 oranı artmış, amonyak miktarı yükselmiş, sirke asidi ve propiyonik asit miktarı da

mikrobiyolojik aktiviteyi durduracak düzeye kadar yükselmiştir. Ancak burada sıcaklık konusunda karar verecek olan parametre tesisin ekonomik işletilmesidir. Yüksek sıcaklıklar belirtilen olumsuz etkilere rağmen toplam gaz üretimini artırıcı etkiye sahip ise tercih edilebilmektedir.

Baserga (1984) çalışmaları sonucu hammaddenin üretece nispeten daha sıcak olan üst kısımdan yüklenmesi gerektiğini, fermentasyon sıcaklığından daha soğuk ve üretecin tabanından yüklenen materyalin gaz üretimini olumsuz etkilediği konusunda bilgi vermektedir.

Yüksek kuru madde konsantrasyonlarının gaz üretimini artırdığı ve gerekli olan üreteç hacmini azalttığı yapılan çalışmalarla bilinmektedir. Bunun yanında hammadde özgül gaz üretimini azalttığı da yine çalışmalar sonucu açıklanmıştır. Kuru madde oranının artması ortamda uçucu yağ asitleri miktarını artırmaktadır. Yapılan bir çalışmada sığır gübresi fermentasyonunda % 3,15 kuru madde içeriğinde 10 günlük bekleme süresinde toplam yağ asidi içeriği 10 mg/l iken, konsantrasyonun % 8,4’ e çıkarılması ile bu miktar 5300 mg/l’e yükselmiştir. Bekleme süresinin uzatılması asit miktarında yine azalmaya neden olmaktadır (Baserga, 1984).

Hammadde konsantrasyonu ve bekleme süresi, bir başka deyişle birim zaman içerisinde birim üreteç hacmine yüklenen organik kuru madde miktarı ortam pH değeri, asitlik, amonyak ve amonyum içeriği ile bakteri popülasyonunu etkilemektedir. Ancak tüm bu parametrelerin etki dereceleri konusunda önemli bir faktör de fermentasyon sıcaklığıdır. Sıcaklık bu değerlerin büyüklüğünü etkilerken aynı zamanda fermentasyon üzerindeki etkilerini de değiştirmektedir.

Biyogaz fermentasyonunda tavsiye edilebilecek konsantrasyon değeri konusunda rakam vermek oldukça zordur. Bazı literatür değerleri % 10’u sınır değer olarak belirtse de, % 19’a kadar yapılan çalışmalar bulunmaktadır. Yüksek konsantrasyon nedeniyle ortamda pH değerinin düşmesi materyalin içerebileceği yüksek protein nedeniyle oluşan amonyağın etkisiyle nötralize olmaktadır. Dolayısıyla yüksek protein içeren materyalin biyogaz fermentasyonunda daha yüksek konsantrasyonlarda çalışma olanağı bulunmaktadır.

Konsantrasyon konusunda karar verecek bir diğer kriter de üretecin yapısal özellikleridir. Katı materyalin boşaltma sırasında tıkanma yaratabileceği unutulmamalıdır. Bu nedenle çıkış ağzının tıkanma olmayacak kadar geniş ve olabildiğince düz yapılması önem kazanmaktadır. Özellikle yataklık kullanılan işletmelerde yataklığın bu sorunu artırıcı etkisi de dikkate alınmalıdır.

Sıcaklığın ve Tesis Tipinin Gaz Üretimi Üzerindeki Etkisi (Yaldız,Rüprich, 1991)

Sıcaklık(0C)

Biyogaz(l/l.d)

CO2

(%)

Mv(l/l.d)

Mokm(l/g.okm)

pHa

Düşey Üreteç

18,5(17....20,1)

22(20,3....23,7)

25,2(23,2....27,2)

0,257

0,382

0,629

27,0

39,4

40,4

0,187

0,230

0,375

0,137

0,168

0,275

7,50

7,35

7,64

Yatay Üreteç

19,2(17....21,5)

23,2(22,5....24,0)

25,2(23,2....27,2)

0,280

0,420

0,729

32,5

45,6

48,4

0,190

0,229

0,377

0,144

0,173

0,285

7,45

7,39

7,66

T(0C)

OKM(%)

BS(d)

YO(g.okm/

l.d)

Mv(l/l.d)

Mokm(l/g.okm)

CH4

(%)

Sığır Koyun

Keçi Sığır Koyun

Keçi Sığır Koyun Keçi

30 5 15 3,33 0,734 0,888 0,220 0,266 67,9 66,1

2,00 0,542 0,584 0,271 0,292 71,1 70,7

1,43 0,431 0,449 0,301 0,314 73,9 74,8

7 25 4,67 0,945 1,176 1,265 0,202 0,251 0,270 66,1 64,2 64,1

2,80 0,711 0,859 0,893 0,254 0,307 0319 69,2 67,0 64,2

2,00 0,554 0,671 0,838 0,276 0,334 0,417 71,6 68,7 66,3

9 35 6,00 0,992 1,037 1,446 0,165 0,218 0,241 65,1 63,1 64,4

3,60 0,769 0,914 1,014 0,214 0,254 0,282 66,6 64,8 64,1

2,57 0,631 0,741 0,942 0,244 0,286 0,364 68,0 67,6 65,5

Sığır, koyun ve keçi gübresinden farklı organik kuru madde içeriklerinde metan üretimi (Shan, 1992)

T(0C)

OKM(%)

BS(d)

YO(g.okm/

l.d)

Mv(l/l.d)

Mokm(l/g.okm)

CH4

(%)

Sığır Koyun Keçi Sığır Koyun Keçi Sığır Koyun Keçi

26 5 15 2,00 0,422 0,307 0,211 0,154 71,5 71,1

1,43 0,330 0,263 0,231 0,184 73,7 71,9

1,11 0,272 0,223 0,242 0,200 76,3 76,3

7 25 2,80 0,528 0,834 0,678 0,189 0,298 0,242 68,8 67,6 66,7

2,00 0,416 0,636 0,597 0,207 0,317 0,297 69,1 70,0 68,7

1,56 0,338 0,540 0,510 0,215 0,344 0,325 70,2 71,2 70,7

9 35 3,60 0,618 0,412 0,800 0,172 0,114 0,222 68,1 64,4 66,0

2,57 0,519 0,339 0,676 0,200 0,131 0,261 69,1 66,0 67,7

2,00 0,421 0,281 0,602 0,209 0,139 0,298 70,3 68,0 69,7

Sığır gübresiTavuk gübresi

T(0C)

BS(d)

YO(g.okm/l.d)

Mokm(l/g.okm)

YO(g.okm/l.d)

Mokm(l/g.okm)

16 4,34 0,131 4,16 0,264

30 24 2,95 0,168 2,77 0,318

32 2,40 0,210 2,15 0,325

20 3,44 0,109 3,35 0,207

26 28 2,45 0,140 2,40 0,222

36 1,90 0,168 1,89 0,260

24 2,88 0,100 2,73 0,151

22 32 2,56 0,125 2,02 0,191

40 1,73 0,168 1,61 0,234

28 2,48 0,060 2,31 (0,018)

18 36 1,93 0,090 1,81 (0,018)

44 1,57 0,120 1,47 (0,013)

32 2,17 0,006 1,96 (0,011)

14 40 1,74 0,009 1,56 (0,010)

48 1,44 0,121 1,29 (0,010)

36 1,90 0 1,80 0

10 44 1,60 0 1,48 0,003

52 1,30 0 1,25 (0,006)

Sığır ve Tavuk Gübresinden Fermentasyon Sıcaklığı ve Yükleme Oranı Bağımlılığında Hammadde Özgül Metan Üretim Değerleri(Yaldız, 1987)

Sığır gübresi Tavuk gübresi

T(0C)

BS(d)

YO(g.okm/l.d)

Mv(l/l.d)

YO(g.okm/l.d)

Mv(l/l.d)

16 4,34 0,570 4,16 1,080

30 24 2,95 0,490 2,77 0,860

32 2,40 0,437 2,15 0,690

20 3,44 0,390 3,35 0,690

26 28 2,45 0,350 2,40 0,530

36 1,90 0,310 1,89 0,500

24 2,88 0,300 2,73 0,416

22 32 2,56 0,260 2,02 0,388

40 1,73 0,050 1,61 0,377

28 2,48 0,150 2,31 (0,040)

18 36 1,93 0,160 1,81 (0,034)

44 1,57 0,185 1,47 (0,017)

32 2,17 0,020 1,96 (0,023)

14 40 1,74 0,010 1,56 (0,016)

48 1,44 0,030 1,29 (0,013)

36 1,90 0 1,80 0

10 44 1,60 0 1,48 0

52 1,30 0 1,25 (0,007)

Sığır ve Tavuk Gübresinden Fermentasyon Sıcaklığı ve Yükleme Oranı Bağımlılığında Üreteç Özgül Metan Üretim Değerleri (Yaldız, 1987)

Sığır gübresi Tavuk gübresi

T(0C)

BS(gün)

YO(g.okm/l.d)

CO2

(%)

YO(g.okm/l.d)

CO2

(%)

16 4,34 39,2 4,16 41,3

30 24 2,95 39,7 2,77 39,9

32 2,40 38,9 2,15 37,4

20 3,44 39,0 3,35 44,5

26 28 2,45 38,1 2,40 44,1

36 1,90 37,5 1,89 41,5

24 2,88 37,3 2,73 44,8

22 32 2,56 37,0 2,02 43,6

40 1,73 36,8 1,61 39,0

28 2,48 36,2 2,31 75,7

18 36 1,93 36,1 1,81 73,9

44 1,57 33,7 1,47 71,1

32 2,17 22,3 1,96 82,7

14 40 1,74 17,2 1,56 82,8

48 1,44 16,8 1,29 81,0

36 1,90 1,80

10 44 1,60 1,48 41,9

52 1,30 1,25 72,4

Sığır ve Tavuk Gübresinden Fermentasyon Sıcaklığı ve Yükleme Oranı Bağımlılığında oluşan gazın CO2 içeriği (Yaldız, 1987)

Sığır gübresi Tavuk gübresi

T(0C)

BS(gün)

YO(g.okm/l.d)

PH değeri YO(g.okm/l.d)

pH değeri

16 4,34 7,35 4,16 7,97

30 24 2,95 7,36 2,77 8,01

32 2,40 7,38 2,15 8,12

20 3,44 7,23 3,35 7,76

26 28 2,45 7,28 2,40 7,75

36 1,90 7,33 1,89 7,96

24 2,88 7,20 2,73 7,64

22 32 2,56 7,25 2,02 7,83

40 1,73 7,26 1,61 7,88

28 2,48 7,02 2,31 6,62

18 36 1,93 7,11 1,81 6,66

44 1,57 7,23 1,47 6,67

32 2,17 6,56 1,96 6,57

14 40 1,74 6,57 1,56 6,54

48 1,44 6,60 1,29 6,51

36 1,90 6,62 1,80 6,26

10 44 1,60 6,63 1,48 6,59

52 1,30 6,63 1,25 6,97

Sığır ve Tavuk Gübresinden Fermentasyon Sıcaklığı ve Yükleme Oranı Bağımlılığında fermentasyon materyali pH değeri (Yaldız, 1987)

Fermentasyonda etkili olabilecek bazı maddelerin sınır değerleri (Baader vd,

1982)

Madde adı Konsantrasyon (mg/l)

Bakır 10

Kalsiyum 8000

Sodyum 8000

Potasyum 8000

Magnezyum 3000

Amonyak 1500

Sülfid 200 (kükürt olarak)

Nitrat 50

Metan bakterileri elektron iletim sistemlerinde CO2’i elektron alıcısı olarak kullanarak metana indirgeyen zorunlu anaerob mikroorganizmalardır. Bu nedenle metanı oksitleyen bakterilerden ayrılırlar. Metan oksitleyici bakteriler (metilotroflar) aerob ortamda metanı substrat olarak kullanırlar.

Metan bakterilerinin hemen hepsi enerji ve hücre karbonunun sentezi için H2 ve CO2’i kullanırlar. Aminoasitleri ve moleküler azotu ise azot kaynağı olarak kullanamazlar. Azot kaynağı olarak NH4’e şiddetle gereksinimleri vardır. Diğer kaynaklar amonyumun yerini alamaz. Kükürt olarak sülfit veya H2S’e gereksinimleri vardır. Pek çok çeşitleri kompleks vitamin gereksinimi gösterirler. Vitaminlere direkt gereksinimi olmayanların bile vitamin ilavesiyle üremeleri hızlanmaktadır. Metan bakterilerinin üremelerinde en iyi konuma eriştikleri besi yeri mineral tuzlar, vitaminler, maya ekstratı, triptikaz ve H2-CO2 karışımıdır (Eraslan, 1983).

Termofil bakterilerin amonyuma karşı daha hassas oldukları bilinmektedir. Bu aynı zamanda bakterilerin yüksek sıcaklıklarda daha hassas olma nedenini de açıklamaktadır. pH değeri, serbest amonyum, amonyum içeriği ve fermantasyon sıcaklığı arasındaki ilişki aşağıdaki şekilde formüle edilmiştir (Anthonisen, Cassell, 1968):

CNH3-N = [(17.CNH4-N . 10 pH)(e 6344/(273 + T) + 10 pH] / 14BuradaCNH3-N ve CNH4-N mg/l, T(fermentasyon sıcaklığı 0C)

Gübrenin içerdiği maddelerin yanı sıra yetiştirme sistemine bağlı olarak değişik organik materyal de fermentasyona dahil olmaktadır. Örneğin ucuz, çevreyi daha az kirletici etkisi olan yataklık kullanımının yaygınlaşması ile birlikte samanın da zamanla daha fazla oranda fermentasyona dahil olduğu görülmektedir. Bu nedenle biyogaz fermentasyonunda su gereksinimini azaltmak için katı madde oranı yüksek materyalle çalışabilmek için araştırmalar devam etmektedir. Samanın büyüklüğünün 10 cm. civarında olması önerilmektedir. Ancak tecrübelerimiz üretece giriş ve çıkış borularının yeterli büyüklükte olması durumunda herhangi bir sorunla karşılaşılmayacağı yönündedir.

C/N oranı önemli bir parametredir. Bu oranın 20/1 ile 40/1 arasında olması gerekmektedir (Schulz, 1996).

Protein içeriğinin fazla olması oluşan gazdaki hidrojen sülfür oranını artırmaktadır.

Metan bakterileri gaz oluşumu için azota gereksinim duymazlar, ancak hücre yapıları için azot gereklidir.

Yağın enerji içeriğinin fazla olması ve kolay parçalanabilir olması nedeniyle gaz üretimini artırdığı çok sayıda araştırıcı tarafından belirtilmektedir, ancak konsantrasyonunun uygun miktarda ayarlanması gerekmektedir.

Tavuğun sindirim sistemi nedeniyle besinden çok az yararlandığı bilinmektedir. Bu nedenle tavuk gübresi en fazla gaz elde edilen gübredir. Ancak kuru madde içeriği yüksek olduğu için su gereksinimi de fazla olmaktadır.