Biyogaz Üretiminde Parametreler

Çevre Koşulları

Çevre koşullarının tarif edilmesinde yaş fermantasyon ile katı fermantasyon (kuru fermantasyon olarak da anılır) arasında ayırım yapılması gerekir, çünkü her iki işlem arasında özellikle su miktarı, besin maddesi içeriği ve materyal transferi bakımından farklılıklar vardır. Pratikteki baskın uygulama nedeniyle burada sadece yaş fermantasyon konusu ele alınacaktır.

1. Oksijen

Metanojenik arkeler dünyamızın en eski canlılarından olup, bundan üç ila dört milyar yıl önce, bildiğimiz kadarıyla atmosferin oluşmasından çok önce ortaya çıkmışlardır. Bu nedenle bu mikroorganizmalar günümüzde oksijenin bulunmadığı bir yaşam ortamına muhtaçtırlar. Pek çok türü çok az miktarda ki oksijen tarafından dahi öldürülür. Ancak genelde fermentöre oksijen girişini tümüyle engellemek mümkün değildir. Metanojenik arkelerin faaliyetlerinin derhal durmamasının veya tümüyle ölmemelerinin nedeni, gerçekleşen bozunma aşamalarında oksijen tüketen bakterilerle bir arada yaşamalarıdır. Bunlardan bazıları fakültatif anaerobik bakteriler olarak adlandırılır. Bu bakteriler hem oksijen etkisi altında, hem de tümüyle oksijensiz ortamda yaşayabilirler. Oksijen miktarı çok fazla değilse, oksijensiz bir ortama zorunlu olarak ihtiyaç duyan metanojenik arkelere zarar vermesinden önce oksijeni tüketirler. Biyolojik desülfürizasyon işlemi için fermentörün gaz bölmesine sevk edilen havadaki oksijen, bundan ötürü metan oluşumu üzerinde olumsuz etki etmez.

2. Sıcaklık

Esas olarak çevre ısısı ne kadar yüksekse, kimyasal reaksiyonların da o kadar hızlı gerçekleştiği kabul edilir. Ancak bu durum biyolojik bozunma ve indirgenme proseslerine kısmen uygulanabilir. Burada metabolizma prosesine katılan mikroorganizmaların varlıklarını farklı sıcaklık koşullarında sürdürdükleri göz önünde bulundurulmalıdır. Bu optimal sıcaklık alanlarının altına düşüldüğünde veya üstüne çıkıldığında, bu durum sürecin kesintiye uğramasına ve uç durumlarda sürece katılan mikroorganizmaların geri dönüşü olmayacak zararlara uğramasına yol açabilir.

Bozunmaya katılan mikroorganizmalar sıcaklık istekleri nedeniyle üç gruba ayrılırlar. Bunlar sakrofilik, mezofilik ve termofilik olarak adlandırılan mikroorganizmalardır.

  • Sakrofilik mikroorganizmaların sıcaklık istekleri25 °C altındaki sıcaklıklardır. Bu sıcaklıklarda mater- yallerin veya fermentörün ısıtılmasına gerek yoktur, ancak bozunma performansı veya gaz üretimi düşüktür. Bu yüzden biyogaz tesislerinin ekonomik bir şekilde işletilmesi mümkün değildir.
  • Bilinen metan oluşturucuların büyük kısmının sıcaklık isteği 37 ve 42 °C arasındaki sıcaklık alanında bulunmaktadır. Mezofilik alanda faaliyet gösteren tesisler uygulamada en yaygın görülenlerdir, çünkü bu sıcaklık alanında nispeten yüksek bir gaz verimliliği ve iyi bir proses istikrarı sağlanabilmektedir .
  • Materyalin hijyenleştirilmesiyle sağlığa zararlı bakteriler öldürülecekse veya yüksek öz ısıya sahip (örneğin proses suyu) materyale bağlı yan ürün veya atık madde olarak kullanılacaksa, termofil kültürler fermantasyon için çok uygundur. Yine de fermantasyon prosesinin ısıtılması için daha fazla enerjiye ihtiyaç duyulabileceği göz önünde bulundurulmalıdır. Bu sıcaklık alanındaki fermantasyon prosesi rahatsız edici etkilere, materyal beslemesindeki düzensizliklere ve fermentörün çalışma tarzına karşı hassastır, çünkü termofil koşullar altında metanojenik mikroorganizmaların daha az sayıda çeşidi bulunmaktadır.

    Bu bağlamda sıcaklık alanları arasındaki geçişlerin akışkan olduğunu, hızlı sıcaklık değişimlerinin mikroorganizmalara zarar verdiğini, ancak metanojenik mikroorganizmaların yavaş gerçekleşen sıcaklık değişimlerinde farklı sıcaklık seviyelerine uyum gösterebildiğini ortaya koymuştur. Sürecin istikrarlı işlemesi için mutlak bir sıcaklık yerine, bir alt üst sıcaklık seviyesi içindeki değişmezlik belirleyicidir.

    Bu bağlamda uygulamada çok sık gözlemlenen kendiliğinden ısınma etkisinin anılması gereklidir. Bu etki ağırlıklı olarak karbonhidrat içeren materyallerin yer aldığı, sıvı hammaddelerin bulunmadığı ve iyi izole edilmiş tanklarda kullanılması durumunda or- taya çıkar. Kendiliğinden ısınma, bazı mikroorganizma gruplarının karbonhidrat bozunması esnasında ürettikleri ısıya bağlanmaktadır. Bu etki, aslında mezofilik işletme için öngörülmüş olan işletimde, sıcaklığın 43-48 °C‘ye kadar yükselmesi sonucunu doğurabilir. Yoğun bir analitik izleme ve buna bağlı proses regülasyonuyla, kısa süreli ve az sayıda kesintilerle gaz üretimi devam eder. [2-12]. Ancak prosese gereken müdahaleler (örneğin girdi miktarlarının düşürülmesi) yapılmadığı takdirde, mikroorganizmalar sıcaklık değişimine uyum sağlayamazlar ve en kötü durumda gaz üretimi tümüyle sona erer.

    3. pH değeri

    pH değeri için de sıcaklık için bahsedilenlere benzer bağlamlar geçerlidir. Bozunmanın çeşitli aşamalarına katılan mikroorganizmalar, optimum büyüyebilecek- leri farklı pH değerlerine ihtiyaç duyarlar. Örneğin hidrolize eden ve asit üreten bakteriler için pH optimum düzeyi 5.2 ila 6.3 arasında bulunmaktadır. Ancak bu bakteriler bu değerlere bağlı kalmak zorunda olmayıp, çok az daha yüksek pH değerlerinde de materyalleri dönüştürebilirler. Ancak faaliyetleri bundan ötürü bir miktar azalır. Buna karşın asetik asit oluşturan bakteriler ve metanojenik arkeler mutlaka 6.5 ila 8 arasındaki nötral alanda bulunan bir pH değerine ihtiyaç duyarlar. Fermantasyon prosesi sadece bir fermentörde gerçekleşiyorsa, buna uygun olarak pH alanına uyulması gerekir.

    Bir prosesin tek veya çok aşamlı olmasından bağımsız olarak, sistemin içindeki pH değeri anaerobik bozunma esnasında oluşan alkali ve asitli metabolizma ürünleri tarafından otomatik olarak ayarlanır. Bu dengenin ne kadar hassas olduğunu ise aşağıdaki zincirleme reaksiyon ortaya koymaktadır.

    Örneğin prosese çok kısa bir sürede çok fazla organik malzeme eklendiğinde ya da metan oluşumu başka bir nedenden ötürü engellendiği takdirde, fermantasyonun asitli metabolizma ürünleri zenginleşir. Normal şartlarda pH değeri nötral alandaki karbonat ve amonyak tarafından ayarlanır. Sistemin tamponlama kapasitesi dolduğunda, yani çok fazla organik asit oluştuğunda, sistemin pH değeri düşer.

    Bundan dolayı hidrojen sülfürün ve propiyon asidinin engelleyici etkisi artar, dolayısıyla fermentörün çok kısa bir sürede “çökmesi” söz konusu olabilir. Öte yandan organik azot bağlantılarının bozunmasıyla, suyla birlikte amonyuma dönüşen amonyak serbest bırakıldığında da pH değeri yükselebilir. Bundan dolayı amonyağın engelleyici etkisi artar. Proses kontrolü bakımından pH değerinin ataleti nedeniyle tesis yönetiminde kullanılamayacağı, ancak yüksek önemi nedeniyle daima ölçülmesi gerektiği dikkate alınmalıdır.

    4. Besin desteği

    Anaerob bozunmada mikroorganizmalar türlerine özgü olarak makro ve mikro besinlere ve vitaminlere ihtiyaç duyarlar. Bu bileşenlerin konsantrasyonu ve bulunabilirlikleri, çeşitli popülasyonların büyüme hızlarını ve aktivitelerini etkiler. Türlere özgü asgari ve azami konsantrasyonlar mevcuttur, ancak farklı kültürlerin çeşitliliği ve kısmen çok belirgin uyum sağlama yetenekleri nedeniyle bunların tespiti çok zordur. Kullanılan materyallerden mümkün olduğu kadar fazla metan üretebilmek için, mikroorganizmaların optimal besin desteğinin sağlanması gerekir. Kullanılan materyallerden nihayetinde ne kadar metan üretileceği, bu maddelerde bulunan protein, yağ ve karbonhidrat oranları tarafından belirlenir. Bu faktörler, besin maddelerine olan spesifik ihtiyacı da etkiler.

    İstikrarlı bir proses işleyişi için makro ve mikro besinler arasında dengeli bir ilişkiye gerek vardır. Karbondan sonra en fazla ihtiyaç duyulan besin maddesi azottur. Bu, metabolizmayı gerçekleştiren enzimlerin oluşturulmasında kullanılır. Bu yüzden de kullanılan materyallerin C/N oranı önemlidir. Bu oran fazla yüksekse (fazla C ve az N), yetersiz metabolizma nedeniyle mevcut karbon tümüyle dönüştürülemez, bundan ötürü de mümkün olan azami metan verimliliğine ulaşılamaz. Aksi durumda da azot fazlalığı aşırı amonyak (NH3) oluşumuna neden olur, bu da çok düşük konsantrasyonlarda bile bakterilerin büyümesini engeller ve hatta bütün mikroorganizma popülasyonunun tümüyle çökmesine neden olabilir. Bu nedenle iyi işleyen bir proses için C/N oranı 10 ila 30 aralığında bulunmalıdır. Karbonun ve azotun yanında fosfor ve sülfür de mikro besin maddeleridir. Sülfür aminoasitlerin bileşenidir, fosfor bağlantıları ATP (Adenosintrifosfat) ve NADP (Nikotinamid- AdeninDinükleotidfosfat) enerji taşıyıcıları için gereklidir. Mikroorganizmaları yeterince besinle destekleyebilmek için, reaktördeki CNPS oranının 600:15:5:3 olması gerekir.

    Makro besin maddelerinin yanı sıra yeterli miktarda münferit mikro element varlığı da mikroorganizmalar açısından hayati önem taşımaktadır. Tarımsal biyogaz tesislerinin çoğunda mikro besin maddeleri ihtiyacı genel olarak özellikle hayvan dışkılarının kullanılmasıyla karşılanmaktadır. Ancak özellikle enerji bitkilerinin monofermantasyonunda genellikle mikro element eksikliği ortaya çıkar. Metanojen arkeler kobalt (Co), nikel (Ni), molibden (Mo) ve Selen (Se) bazen de kısmen Wolfram (W) elementlerine ihtiyaç duyarlar. Ni, Co ve Mo, Co faktörlerde madde alışverişindeki esansiyel reaksiyonların oluşmasına hizmet ederler. Bunun ötesinde magnezyum (Mg), demir (Fe) ve mangan (Mn) da elektron transferi ve belirli enzimlerin fonksiyonları için gereken önemli besin maddeleridir.

    Bu yüzden reaktörde mikro elementlerin konsantrasyonu çok önemli bir değerdir. Bu konuyla ilgili olarak kaynaklar birbiriyle karşılaştırıldığında, özellikle esansiyel oldukları kabul edilen mikro element konsantrasyonundaki çok büyük dalgalanma (kısmen Faktör 100’e kadar) dikkat çekicidir.

    Tarımsal biyogaz tesisleri için yanda gösterilmiş olan konsantrasyon alanları sadece belirli koşullar altında kullanılabilir, çünkü anılan kaynaklardan alıntılanan araştırmalar kısmen farklı çıkış koşullarına sahip atık sulardan ve farklı araştırma yöntemlerinden elde edilmişlerdir. Bunun ötesinde aralıklar aşırı yüksektir ve ortaya konulan proses koşullarına dair veri (örneğin yükleme oranı, bekleme süresi) yok denecek kadar azdır. Mikro elementler reaktörde serbest fosfat, sülfit ve karbonatla çözülmesi güç bağlantılar içine girebilirler ve böylelikle mikroorganizmalar için kullanılabilir olmaktan çıkarlar. Bundan ötürü, fermente edilecek materyal içindeki mikro element konsantrasyonu analiziyle mikro elementlerin kullanılabilirliğine dair kesin bir yargıya varılamaz. Sadece toplam konsantrasyon belirlenir. Bu sebepten ötürü prosese sadece eksik konsantrasyonun dengelenmesi için gerekenden daha fazla miktarda mikro element aktarılması gerekir. Bir ihtiyaç tespiti yapıldığında daima bütün materyallerin mikro element konsantrasyonları dikkate alınmalıdır. Çeşitli yem maddelerinin içindeki mikro element miktarı analizlerinden, hatırı sayılır dalgalanmaların söz konusu olabileceğini biliyoruz. Bu durum, eksiklik durumunda mikro elementlerin optimal dozajının ayarlanmasını son derece güçleştirmektedir.

    Ancak mikro elementlerin ilave edilmesinden önce fermentörde mikro besin maddelerinin miktarı tespit edilmelidir, aksi takdirde mikro elementlerin aşırı dozda bulunması söz konusu olabilir. Aşırı dozaj durumunda fermantasyon artıklarında ağır metal konsantrasyonu tarımsal kullanım için izin verilen sınır değerlerini aşabilir, bu da fermantasyon artıklarının organik gübre olarak kullanılmasını engeller.

    5. Zararlı maddeler

    Gaz üretimi veya proses akışı engellenmiş ise, bunun çeşitli nedenleri olabilir. Bunlar bir yandan işletme tekniğine bağlı sebepler olabilir. Öte yandan zararlı maddeler proses ilerleyişini geciktirebilir. Bunlar belirli koşullarda çok düşük miktarlarda dahi bozunma performansını düşüren ya da toksik konsantrasyonda bozunma prosesini durduran maddelerdir. Burada materyal ilavesiyle fermentöre giren ve ara ürün olarak bozunma aşamalarında oluşan zararlı maddeler arasında ayırım yapılması gerekir.

    Bir fermentörün “beslenmesi” esnasında aşırı materyal eklenmesinin de fermantasyon prosesini durdurabileceği dikkate alınmalıdır, çünkü her materyalin içindeki farklı bileşikler bakteriler üzerine olumsuz etki yapabilir. Bu özellikle antibiyotikler, dezenfektanlar, çözücü maddeler, herbisitler, tuzlar veya ağır metaller gibi, çok düşük miktarlarda bile bozunma prosesini durdurabilecek bileşenler için geçerlidir. Antibiyotik girişi genellikle çiftlik gübresi veya hayvani yağlar yoluyla gerçekleşir, fakat her antibiyotiğin engelleyici etkisi çok farklı olabilir. Fakat esansiyel mikro elementler de yüksek konsantrasyonlarda mikroorganizmalar için toksik olabilir. Mikroorganizmalar bu tür maddelere belli bir ölçüde uyum sağlayabildikleri için, bir maddenin hangi konsantrasyondan itibaren zarar vermeye başlayacağını tespit etmek çok güçtür. Bazı zararlı maddelerin başka mad- delerle etkileşime girmesi söz konusu olabilir. Örneğin ağır metaller sadece çözünmüş durumda fermantasyon prosesine zarar verirler. Ancak ağır metaller yine aynı şekilde fermantasyon prosesinde ortaya çıkan hidrojen sülfür tarafından bağlanır ve zor çözünür sülfidler olarak etkisizleşirler. Metan fermantasyonunda H2S daima oluştuğu için prosesin ağır metaller tarafından sekteye uğratılması genel olarak beklenmez . Ancak bu antibakteriyel etkileri nedeniyle çok düşük konsantrasyonlarda (40-50 mg/l) bile toksik olan ve örneğin tarımsal işletmelerde tırnak dezenfeksiyonu için kullanılması nedeniyle bulunan bakır bileşikleri için geçerli değildir.

    Fermantasyon prosesi esnasında prosesi engelleyebilecek bir dizi madde oluşur. Ancak bu noktada bir kez daha bakterilerin çok yüksek adaptasyon yeteneğine vurgu yapılması ve genel geçerli olan mutlak sınırlardan söz edilmesinin mümkün olamayacağının belirtilmesi gereklidir. Özellikle iyonik olmayan, serbest amonyak (NH3) çok düşük (NH4+) dengede bulunan bakteriler üzerinde zararlı etkide bulunur (Amonyak burada su ile tepkimeye girerek amonyum ve bir OH iyonuna dönüşür, aynısı aksi yönlü olarak da gerçekleşir). Bunun anlamı, giderek artan bir temel pH değerinde, yani OH iyonu konsantrasyonunun yükselmesinde denge kaymakta ve amonyak konsantrasyonu yükselmektedir. Örneğin 6.5’lik bir pH değerinin 8.0’a yükselmesi, serbest amonyak konsantrasyonunun 30 kat artmasına neden olur. Fermentördeki sıcaklık artışı da engelleyici amonyak yönünde bir denge kaymasına neden olur.

    Yüksek azot konsantrasyonlarına uyum sağlamamış bir fermantasyon sistemi için NH3 engelleme eşiği 80-250 mg/l’dir. pH değerine ve fermantasyon sıcaklığına bağlı olarak bu değer 1.7-4 g/l oranında bir amonyum konsantrasyonuna karşılık gelmektedir. Edinilen tecrübeler ışığında 3.000-3.500 mg/l arasındaki bir toplam amonyum azotu konsantrasyonu engelleyici etki göstermektedir.

    Fermantasyon prosesinin bir başka ürünü olarak ortaya çıkan hidrojen sülfür (H2S), ayrışmamış ve çözünmüş formda hücre zehiri olarak yaklaşık 50 mg/l konsantrasyonda bile bozunma prosesini engelleyebilir. pH değerinin düşmesiyle birlikte serbest H2S oranı yükselir, bu da engelleme tehlikesini arttırır. H2S miktarını düşürmenin bir yolu, demir iyonlarının sülfid olarak çökeltilmesidir. H2S başka ağır metallerle de tepki verir ve sülfid iyonlarının oluşmasıyla (S2-) bağlanır ve çökeltilir. Daha önce de anıldığı üzere, sülfür, enzimlerin oluşması için yeterli konsantrasyonda bulunması gereken önemli bir mikro besin maddesi olup, sülfid olarak daha fazla çökelmesi aynı şekilde metanojenezin engellenmesine yol açabilir.

    Dolayısıyla çeşitli maddelerin engelleyici etkileri çok sayıda faktöre bağlıdır ve sabit sınır değerlerinin belirlenmesi çok zordur. Bazı zararlı maddelerin listesi aşağıda görülmektedir.

    Biyogaz üretiminde parametreler

    Alıntı : Biyogaz kılavuzu; Türk-Alman Biyogaz Projesi

Anaerobik bozunma proseslerinde zararlı maddeler ve zararlı konsantrasyonları
Çeşitli kaynaklarda uygun mikro element konsantrasyonları

Bizi Facebook'ta takip edin

Enerlinc Enerji Facebook'ta