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.
Biyogaz üç evrede oluşur. Bunlar; Hidroliz / Asit oluşturma / Metan oluşumudur.
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 madeleri metan oluşturucu bakteriler biyogaza dönüştürürler. Görüldüğü gibi biyogaz oluşumu mikrobiyolojik etmener 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 asiti 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 üretimi için kullanılan materyaller, hayvansal gübreler, organik atıklar ve endüstriyel atıklar olarak üç başlık altında incelenebilir. Bu bağlamda kullanılan materyaller,
o Hayvancılık ile elde edilen atıklar,
Hayvan gübreleri,
Bitkisel atıklar
Bahçe atıkları,
Yemek atıkları,
Endüstriyel atıklar
Zirai atıklar,
Orman endüstrisinden elde edilen atıklar,
Deri ve tekstil endüstrisinden ele edilen atıklar,
Kağıt endüstrisinden elde edilen atıklar,
Gıda endüstrisi atıkları,
Sebze, tahıl, meyve ve yağ endüstrisinden elde edilen atıklar,
Şeker endüstrisi atıkları,
Evsel katı atıklar,
Atık su arıtma tesisi atıkları.
Biyogaz üretimi tarımsal atıklardan yararlanılarak yapılabileceği gibi endüstriyel atıklardan yararlanılarakta yapılabilmektedir. Kentsel atıkların ayrı ayrı toplanılması ve kanalizasyon atıklarının arıtma tesislerinde toplanılmasıyla önemli ölçüde biyogaz üretim imkânı vardır.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 direk 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 olarakta biyogaz üretiminin yapıldığı reaktörde organik yükleme hızı ve hidrolik bekleme süreside biyogaz üretimine direk 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 direk olarak etki etmektedir. Bu bakteriler sıcaklık değişimlerine karşıda oldukça hassastırlar. Reaktörün içerisindeki sıcaklık bekleme süresini ve reaktör hacmini de belirler. Sıcaklığın düzeyine göre sınıflandırılması üç şekilde yapılabilir.
Psikofilik sıcaklık aralığı = 12-20 Derece
Mesofilik sıcaklık aralığı = 20-40 Derece
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 pHnın 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 hidroksittir.
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.
Biyoreaktörler 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 reaktörleride vardır. Son dönemlerde ucuz maliyeti nedeniyle torba tipi ya da balon tipi reaktör modelleride yaygınlaşmaktadır. Ancak bu model reaktörlerin verimli hizmet süreleri takriben 2 – 3 yıl kadardır. Biyogaz üretiminde ise kullanılan en yaygın üç reaktör aşağıdaki gibidir,
Sabit kubbeli (Çin tipi) reaktörler,
Hareketli kubbeli (Hint tipi) reaktörler
Torba tipi (Tayvan tipi) reaktörler
ÜRETİM TEKNİĞİNE GÖRE BİYOGAZ TESİSLERİ
BOYUNA GÖRE
6-12 m3 Kapasiteli Aile Tipi 6-12 m3 kapasiteli sabit kubbeli biyogaz sistemi Çin’de yaygın olarak kullanılmaktadır. Çin’de genel olarak ufak çiftliklere yakın inşa edilen bu kapasite de bir tesiste elde edilen biyogaz ocak, araçlarda kullanılır. Kurulum maliyeti çok düşüktür. Bu sistem ülkemizde de bir dönem denenmiş fakat rağbet görmemiştir.
50-100 m3 Kapasiteli Çiftlik Tipi Çin ve Hindistan başta olmak üzere dünyanın birçok yerinde bu tip tesislere rastlanmaktadır. Kurulumu ve çalışma sistemi oldukça basittir. Çelik veya betondan yapılan fermantörler gaz sızdırmayacak şekilde dizayn edilmektedir. Bu sistemi sabit sıcaklıkta tutmak gerektiğinden dolayı yalıtım önemlidir.
100-200 m3 Kapasiteli Köy Tipi Çiftlik tipi üretim sisteminde farkı daha büyük olmasıdır. Bu tesislerde fermantörde bekleme süresi organik atığın cinsine bağlı olarak 20 ile 40gün arasında değişmektedir. Bu tesislerde kompost gübre ve gaz olmak üzere 2 farklı ürün elde edilir.
1.000-10.000 m3 Kapasiteli Büyük Tip Diğer Adıyla Endüstriyel Tip
Bu tür tesislerde fermantör büyüklüğü; tesisin kapasitesine ve organik atığın fermantörde bekleme süresine göre değişir. Fermantör köy tipinde olduğu gibi beton veya çelikten inşa edilmektedir. Burada fermantör içerisine karıştırıcılar yerleştirilerek sürekli karışım sağlanmaktadır. Bunun dışında sistemin istenilen sıcaklıkta muhafaza edilebilmesi için fermantör içerisine ısıtıcılar yerleştirilmektedir.
BESLEME ŞEKLİNE GÖRE
Kesikli Fermantasyon Fermantör, organik atıklar ile doldurulur ve beklemeye alınarak biyogaz oluşması sağlanır. Burada bekleme süresi sistem sıcaklığına bağlı olarak değişim göstermektedir. Bekleme süresi sona erdiğinde fermantör tamamen boşaltılarak yeni organik ürünlerle doldurulur. Bu işlem sürekli tekrarlanır.
Yarı Kesikli Fermantasyon Fermantör ilk olarak organik atıklar ile komple doldurulur ve beklemeye alınır. Belirli bir süre sonunda fermantörde bulunan atıklardan yarısı alınarak yenileri eklenir. Bu işlem sürekli bu şekilde devam eder.
Sürekli Fermantasyon Bu fermantasyonda fermantör her gün belirlenen miktarlarda belirlenen atıklar ile beslenir. Besleme miktarı kadar fermente olmuş atıkta fermantörden alınır. Bu şekilde sürekli besleme ile kesintisiz gaz üretimi sağlanmış olur.
ÇALIŞMA SICAKLIĞINA GÖRE
Sakrofilik 20 0C’den düşük sıcaklıkta faaliyet gösteren bakterilere sakrofilik bakteriler, bu sıcaklıkta meydana gelen fermantasyona da sakrofilik fermantasyon denir. Sakrofilik fermantasyon uzun bekleme süresinden dolayı ekonomik olmayan bir biyogaz üretmekte ve bundan dolayı tercih edilmemektedir.
Mezofilik 20-45 0C sıcaklık aralığında faaliyet gösteren bakterilere Mezofilik bakteri denir. Bu bakterilerin en uygun çalışma sıcaklıkları 37 0C ‘dir. Birçok metan bakterisi bu şartlarda yaşamaktadır. Sakrofilik fermantasyona göre bekleme süresi daha düşüktür. Bekleme süresinin daha düşük olması ise beslemenin daha hızlı yapılmasını gerektirir. Daha hızlı yapılan besleme de daha çok verim alınır. Bu avantajlarından dolayı en yaygın olarak kullanılan sistemdir.
Termofilik 45 0C’den daha yüksek sıcaklıklarda yaşayan bakterilere verilen addır. Bu bakterilerin ortalama çalışma aralığı 55-65 0C arasındadır. Bu tip bakteriler Mezofilik bakterilere göre sıcaklık değişiminden daha çok etkilenirler. Bu sebepten dolayı termofilik tesislerde sıcaklık kontrolüne büyük önen verilir. Bekleme süresi en kısa olan fermantasyon türüdür. Kısa olmakla birlikte biyogaz üretimi de çok yüksektir. Fakat tercih edilmemesindeki en büyük etken yüksek enerji ihtiyacıdır. Ayrıca bu sistem hızlı çürüyebilecek organik maddelerde uygulanamamaktadır.
KURU MADDE ORANINA GÖRE
Islak Fermantasyon Havasız ortamda biyogaz üretiminde en önemli etken kuru madde miktarıdır. Kuru madde miktarı biyogaz verimini direk olarak etkileyen bir unsurdur. Biyogaz verimi kullanılan organik maddenin kuruluk oranına göre değişiklik gösterir. Kullanılan atıkların kuruluk oranına göre kullanılacak olan su miktarı ve tesisin hacmi belirlenir. Islak fermantasyonda tesislerde fermantöre yüklenen organik maddeler gerekli koşullar sağlandıktan sonra biyogaz üretimi gerçekleşir. Islak fermantasyonda kuruluk oranı 7,5-11 aralığında olmalıdır.
Kuru Fermantasyon Islak fermantasyonun aksine burada reaktör içerisine %45 kuru madde oranına kadar besleme yapılabilmektedir. Suyun az kullanıldığı bu fermantasyon tipinde yaklaşık olarak % 35-45 kuru madde oranı olan atıklar kullanılabilir. Bu sistemde kullanılan fermantörler garaj tipi fermantörlerdir.
