TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Gıda Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (1) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Derleme Selma GÜVEN, Onur GÜNEŞER Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Gıda Mühendisliği Bölümü, Çanakkale ÖZET Bu makalede; yenilenebilir ve alternatif enerji kaynaklarından birisi olarak bilinen biyoetanolün üretimi, kullanılışı, dünyada ve ülkemizdeki önemi ile şeker pancarından elde edilişi üzerinde durulmuştur. Biyoetanol özellikle otomobillerde yardımcı yakıt olarak kullanılmaktadır. Başta Brezilya olmak üzere ABD, AB ülkeleri, bazı Afrika ve Asya ülkelerinde benzine %5-85 oranlarında karıştırılmaktadır. Biyoetanol katkısı ile yakıt masrafı azaltıldığı gibi daha fazla ve daha temiz bir enerji sağlanmaktadır. Ülkemizde biyoetanol üretimine yakın zamanda Çumra Şeker Fabrikası bünyesinde başlanmıştır. Yasalarımıza göre benzine %2 oranında biyoetanol karıştırılmasına izin verilmektedir. Şekerpancarı biyoetanol üretiminde kullanılan hammaddelerden birisi olup ülkemizde büyük ölçüde yetiştirilmekte ve pek çok aileye gelir sağlamaktadır. Bilindiği gibi son zamanda şeker üretimiyle ilgili spekülasyonlara bağlı olarak pancar üretiminde kısıtlamaya gidilmiştir. Bu nedenle de şeker pancarından biyoetanol üretimi önem taşımaktadır. Anahtar kelimeler: Biyoetanol, Şeker Pancarı, Yenilenebilir Enerji Kaynakları. 1. Giriş Bilindiği gibi fosil yakıt rezervlerinin azalması, bu tür yakıtların pahalı oluşu, çevre ve iklim kirliliğine neden olması dünya ülkelerini alternatif enerji kaynakları arayışına yöneltmiştir. Alternatif enerji kaynakları çoğunlukla güneş, rüzgar, biyoetanol, biyogaz ve biyodizel başlıkları altında toplanmaktadır. Bu grupta yer alan biyoetanol (biyoalkol) son zamanda dünya ülkelerinde önemli miktarlarda üretilerek özellikle motorlu araçlarda yakıt olarak kullanılmaktadır [1]. Biyoetanol; tarımsal materyalden, atıkları da dahil olmak üzere elde edilmektedir. Renksiz bir sıvı olup kimyasal formülü C 2 H 5 OH şeklindedir. Alkol içeriği hacmen % 100 (vol.) dolayındadır. Saf alkol veya etanol veyahutta etil alkol adı altında piyasada pazarlanan ürünle, özellikle alkol miktarı dışında hemen hemen ayni niteliktedir [2]. Tarımsal materyal olarak, bileşiminde şeker (meyve, şeker pancarı, melas, besi pancarı vb.) ve nişasta (patates, hububat vb.) bulunan ürünler söz konusudur [2, 3]. Gerektiğinde selülozlu ürünler ve hatta bira, şarap gibi alkollü içkiler de bu amaçla kullanılabilmektedir. Proses; 1. Hammaddenin fermentasyona hazırlanması, 2. Saf maya katkısıyla fermentasyonun gerçekleştirilmesi, 3. Damıtma yöntemiyle alkolün ayrılması, 4. Arda kalan suyun ve bazı yan ürünlerin uzaklaştırılması amacıyla rektifikasyon ve dehidrasyon işlemlerinin uygulanması, şeklinde özetlenebilir [2]. Etanol veya saf alkol, çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Bunların başında içki sanayii gelmektedir. Sürekli çalışan kolonlarda damıtma yöntemiyle elde edilen saf alkol (%96-97 vol.), seyreltilerek ve içkiye özgü aromatik madde veya maddelerle tekrar damıtılarak özel içkilerin üretiminde, likörlerin

2 Teknolojik Araştırmalar : GTED 2007 (1) hazırlanmasında önem taşımaktadır. Ayrıca; çözelti şeklinde ve dezenfeksiyon amacıyla laboratuvarlarda, tıpta, eczacılıkta, kolonya sanayii ve parfümeride, sirke üretiminde, boya sanayiinde, patlayıcı madde üretiminde kullanılmaktadır [4]. Biyoetanol veya biyoalkol olarak tanımlanan susuz alkol ise motorlu araçlarda enerji kaynağı olarak önem taşımaktadır. Halen motorlu araçlarda benzine, kurşunsuz benzine ve süper benzine %5-85 oranlarında katılmakta olup geleceğin akaryakıtı olarak görülmektedir [1, 2]. Biyoetanolün fosil yakıtlara göre üstünlükleri şöyle özetlenebilir: *Çevre ve iklim korumalı oluşu, dolayısıyla Kyoto antlaşmasına uygunluğu, *Enerji bakımından ele alındığında; benzine nazaran 2-3 oktan daha yüksek enerji vermesi ve daha temiz bir enerji maddesi olması, *Bileşiminde; daha az formaldehit bulunması, kükürt bulunmaması, yandığında daha az karbondioksit ve karbon monoksit vermesi, *Biyolojik parçalanabilirliği, suda çözünebilirliği, daha ucuz oluşu, ayrıca tarıma katkı sağlamasıdır [10]. Biyoetanol benzine karıştırıldığında, oksijen verdiği için yanma tam olarak gerçekleşmektedir. Ekzos gazı ölçümlerinde, özellikle karbon monoksitin %30, toplam zehirli atık gazın %30, uçucu organik bileşiklerin %25 ten fazla azaldığı kanıtlanmıştır [1]. Bu arada şu konuya değinmekte de yarar bulunmaktadır. ABD Çevre Koruma Dairesinin tahminlerine göre benzin, kanser nedeni maddelerin en önemlileri arasında yer almaktadır. 2. Dünyada Biyoetanol Üretimi Ve Sarfiyatı Dünyada biyoetanol üretimi; ilk sırada Brezilya olmak üzere ABD ve Kanada da, dolayısıyla Amerika kıtasında, AB ülkelerinde, ki AB ülkelerinin biyoenerji için ortak bir strateji uyguladığı bilinmektedir, dolayısıyla Avrupa kıtasında yapılmaktadır. Đsveç, Đspanya, Fransa, Almanya, Đtalya ve Rusya nın büyük üretimler için aktivite gösterdikleri bilinmektedir. Hammadde olarak şeker pancarı ve hububat ürünleri öne çıkmaktadır. Afrika kıtasında ise G.Afrika Cumhuriyetinde üretilmektedir. G.Afrika Cumhuriyetinde biyoetanol üretiminde kullanılan hammaddenin %70 ini melas oluşturmaktadır. Asya kıtasında bu konudaki üç önemli ülke Çin, Tayland ve Hindistan dır [1, 3, 6, 7, 9,10]. Ülkeler ürettikleri biyoetanolün büyük bir kısmını kendi ihtiyaçları için kullanmaktadırlar. Dünyada biyoetanol kullanımının yaygınlaşmasıyla bu durumun değişmesi olasıdır. ABD de biyoetanol üretimi halen 19 şehirdeki 72 üretim biriminde olmak üzere toplam 11 milyar YTL/yıl dır. Yılda 152 milyon litre üretim yapan bir tesis 700 iş yerinde iş olanağı sağlamakta ve devlete 1,2 milyon dolar vergi ödemektedir. ABD de Tarımsal Kooperatiflerin yenilenebilen enerji kaynakları içinde sadece Biyoetanol Üretim Birliklerinin den fazla üyesi bulunmaktadır. ABD de Yenilenebilen Enerji Standardı nın bulunması nedeniyle milli enerji kaynaklarına alternatif enerji kaynaklarından biyoetanol, biyodizel vb. ne kadar ilave edilebileceği kontrol altına alınmıştır [2, 5, 10] yılında Brezilya dünyada en fazla biyoetanol üreten ve sarfeden ülke olmuştur. Hammadde olarak şeker kamışı melası kullanılmaktadır. Üretim 15 milyar L/yıl dolayındadır. Benzine %20-25 oranında, hatta %85 e kadar karıştırılmaktadır. Brezilya daki tüm yeni araçlar esnek yakıtlı, ya da benzin yerine biyoetanolü yakabilecek özelliktedir [1, 6] yılı sonu itibariyle dünyada motorlu araç yakıtı olarak kullanılan biyoetanolün 31 milyar litre olduğu bildirilmektedir yılında bu miktarın 120 milyar litreye ulaşacağı tahmin edilmektedir. AUS Firmasının araştırmalarına göre yılları arasında alternatif enerji kullanımına bağlı olarak ham petrol sarfiyatında 1,6 milyon varil azalma olacağı beklenmektedir [8, 9, 10]. 92

3 Güven, S., Güneşer, O. Teknolojik Araştırmalar: GTED 2007 (1) Biyoetanol Nasıl Kullanılır? 1. Sentetik olarak üretilen ETBE (Etil-tersiyer-butil-eter) maddesine katılarak kullanılmaktadır. ETBE akaryakıtın oktan sayısını yükselmekte, yanmayı iyileştirmektedir. ETBE çevre kirletici ve kanserojen etkili olduğu ifade edilen MTBE (Metil-tersiyer-butil-eter) maddesine katkı olarak kullanılmaktadır. ETBE in %45 ini biyoetanol oluşturmaktadır. Biyoetanolün akaryakıttaki miktarı %10 u bulmaktadır. 2. Biyoetanol fosil yakıtlara (benzin, kurşunsuz benzin ve süper benzin) doğrudan ilave edilebilmektedir. Oranı %5 (E-5)-%85 (E-85) arasında değişmektedir. Araçların motorlarında bir değişiklik yapılmamışsa E-5, yapılmışsa E-85 kullanılmaktadır. ABD de E-10, AB ülkelerinde ise E-5 kullanımının yaygın olduğu bildirilmektedir. Biyoetanolün dizele karıştırılması üzerine de çalışmalar yapılmaktadır [2, 5, 8]. 4. Ülkemizde Biyoetanol Üretimi Öncelikle ülkemizdeki motorlu araç sayısı, sarfedilen akaryakıt miktarı ve tutarına bakılacak olursa; tarihi itibariyle trafiğe kayıtlı motorlu araç sayısı 11 milyon 664 bine ulaşmıştır. Son 10 yılda trafiğe çıkan taşıt sayısındaki artış %77 dir. Petder tarafından hazırlanan rapora göre ülkemizdeki 2005 yılı toplam akaryakıt (benzin, motorin, gaz yağı, kalorifer yakıtı ve fuel-oil) sarfiyatı 17,5 milyon tondur. Bunların arasında benzinin payı 3 milyon 474 tondur. Akaryakıtın toplam parasal değeri 37,4 milyar YTL ye ulaşmıştır. Çok büyük bir pazar olduğu görülmektedir. Üstelik akaryakıtın tamamına yakını ithal edilmektedir [11]. Bilindiği gibi ülkemizde tarımsal potansiyel oldukça yüksektir. Çeşitli meyveler, hububat ürünleri, yumrulu bitkiler önemli miktarlarda yetiştirilmektedir. Üretim fazlaları ve atıkları bulunmaktadır. Bunlar biyoetanol vb. üretiminde değerlendirildiğinde hem çiftçimize, hem çevremize hem de ekonomimize katkı sağlanabilecektir. Son zamanda ülkemizde alternatif enerji olarak biyodizel üretimiyle ilgili çalışmalar yapılmaktadır. Bu arada biyoetanol üretimiyle de ilgilenilmektedir. Ülkemizde bulunan 30 şeker fabrikasından 4 ünde (Erzurum, Eskişehir, Malatya, Turhal) alkol üretim birimi bulunmaktadır. Şeker üretim artığı olan ve %50 şeker içeren melas, bu tesislerde alkole dönüştürülmektedir. Elde edilen alkol daha çok içki üretiminde, özellikle rakı ve votka üretiminde değerlendirilmektedir [12]. Ülkemizde yakın zamanda Petrol Ofis tarafından mısır ve buğdaydan biyoetanol üretilerek yurtsever yakıt adı altında piyasaya verilmiştir. Bu yakıt kurşunsuz benzine %2 oranında katılarak milyon dolarlık bir ithalat tasarrufu sağlanmıştır. Sevindiricidir ki; 15 Kasım 2006 tarihi itibariyle Çumra (Konya) Şeker Fabrikası bünyesinde biyoetanol üretimine geçilmiştir. Ayrıca 2001 yılında Bursa Kemalpaşa da L/gün kapasiteli bir biyoetanol işletmesi kurulmuştur. Çumra ve Kemalpaşa daki üretimlerin, Türkiye nin şu andaki ihtiyacı olan biyoetanolü karşılayacak kapasitede olduğu bildirilmektedir [1, 10, ]. Ülkemizde şeker pancarı tarımı Batı, Orta ve Doğu Anadolu da olmak üzere geniş bir alanda yapılmaktadır. Dolayısıyla büyük kitlelelere geçim kaynağı oluşturmaktadır çiftçi, 3 milyon kişi geçimini şeker pancarı tarımı ile sağlamaktadır. Şeker pancarı üretimi bitkisel ve hayvansal üretimin gelişmesine, toprağın fiziksel yapısının iyileştirilmesine, ekolojik dengeye katkı sağlamakta, ayrıca kendinden sonraki ürünlerin verimini büyük ölçüde arttırmaktadır. Alternatif tarım ürünleri olan ayçiçeğine nazaran 5, buğdaya nazaran 20 kat istihdam oluşturmaktadır [12, 13] Tarım Đstatistiklerine göre ha alanda şeker pancarı yetiştirilmiş, ton (4443 kg/ha) verim alınmıştır. Şeker pancarı veriminde dünya ortalaması 4256 kg/ha, AB ortalaması 6206 kg/ha dır. Şeker pancarının şeker içeriği %15-18 arasında değişmektedir. Şeker Fabrikalarıyla ilgili son zamandaki olumsuz gelişmeler 1998 yılında 20 milyon tonu aşan pancar üretiminin 2005 yılında 8,9 93

4 Teknolojik Araştırmalar : GTED 2007 (1) milyon tona gerilemesine neden olmuştur. Şeker pancarının biyoetanol üretiminde değerlendirilmesiyle yine 20 milyon ton, hatta daha fazlasını üretmek mümkün olabilecektir [13,14,15]. Şeker pancarı yetiştirildiği bölgeye refah getirmektedir. Gelişmekte olan Doğu Anadolu vb. bölgelerde şeker pancarı üretimine hız verilmesi bölgesel gelişmişlik farklılıklarının giderilmesinde önemli rol oynayabilecektir. 5. Şeker Pancarından Biyoetanol Üretimi Şeker pancarından şeker ve biyoetanol üretimindeki başlangıç işlemleri ortaktır. Bu işlem basamakları özetlenecek olursa: 1. Pancarın fabrikaya getirilmesi, tartılması, ön temizlemenin yapılarak silolanması, 2. Đşleneceği zaman kanallar içinde basınçlı su yardımıyla işletmeye sevk edilmesi ve ön yıkamasının yapılması, 3.Yıkama makinesinde yıkandıktan sonra taşıma bandı ile parçalama makinesine taşınması, 4. Parçalama makinesinde 4-8 mm en, 10 cm boyda olmak üzere rendelenmesi, 5. Rendelenmiş pancarın bant üzerinde difüzör denilen tanklara taşınması, 70 o C deki sıcak su ilavesiyle bekletilerek pancar şeritlerindeki şekerin suya geçmesinin sağlanması, 6. Şeker içeren sulu kısmın ayrılması, kalan katı kısmın preslenerek posanın ayrılmasıdır. Posa hayvan yemi olarak önem taşımaktadır [4]. Elde edilen şekerli su ham şerbet olarak tanımlanır. Bundan sonraki işlemler gerek biyoetanol üretiminde gerekse şeker üretiminde farklılık göstermektedir. Konumuz biyoetanol olduğuna göre; 7. Ham şerbetteki şekerin saf maya (Saccharomyces cerevisiae) katkısıyla fermentasyona uğratılması, dolayısıyla alkole dönüştürülmesi, 8. Fermentasyon sonrası ürünün seperatörden geçirilerek maya ve diğer tortu maddelerinden ayrılması, 9. Sürekli çalışan damıtma kolonlarında buhar enerjisiyle alkollü maddedeki (mayşe) alkolün buharlaştırılarak, soğutucuda yoğunlaştırılması ve alkol-su karışımı halinde damıtık toplama tankında toplanması, 10. Elde edilen damıtıktaki istenmeyen yan ürünlerin (yüksek alkoller, furfural, aldehit vb.) ayrılması ve alkol miktarının kısmen yükseltilmesi amacıyla rektifikasyon kolonunda arıtma işleminin ve 11. Bünyesinde kalan %3-4 dolayındaki suyun buharlaştırılarak ayırılması için dehidrasyon kolonunda dehidrasyon işleminin gerçekleştirilmesidir [6]. Damıtma sonrasında, alkollü mayşe yükleme bölmesinde kalan artık, şilempe olarak tanımlanmakta ve çoğunlukla hayvan yemi olarak değerlendirilmektedir. Şilempedeki suyun buharlaştırılmasıyla vinas elde edilmektedir. Vinas da hayvan yemi olarak önem taşımaktadır. Vinas şilempeye nazaran daha uzun depolanabilir özelliktedir [6]. Ham şerbetin koyulaştırılmasıyla elde edilen koyu şerbet de biyoetanol üretiminde kullanılabilmektedir. Şekil 1 de şeker pancarından beyaz şeker (biyoetanol üretimindeki ortak işlem basamakları bakımından önem taşımaktadır), Şekil 2 de biyoetanol üretimi şemaları verilmektedir. Şeker pancarından biyoetanol üretimine bir örnek verilecek olursa: Ham şerbetten; fermentasyon sonrasında %12-14 (vol.) alkol içeren alkollü mayşe, alkollü mayşenin kolonda damıtılması sonrasında %82-87 (vol.) alkol içeren damıtık ürün elde edilmekte, damıtık ürünün rektifikasyonu sonrasında alkol miktarı %96 (vol.) ya, dehidrasyon sonrasında ise %99,7 (vol.) ye yükselmektedir [6]. 94

5 Güven, S., Güneşer, O. Teknolojik Araştırmalar: GTED 2007 (1) Sonuç Şekil 1. Beyaz şeker üretimindeki işlem basamakları [6]. Ülkemizde motorlu araç sayısının her geçen gün artması, akaryakıt sarfiyatının boyutlarının çok yüksek olması ve üstelik tamamına yakınının yurtdışından temin edilmesi alternatif enerji kaynaklarına, özellikle biyoetanol vb. üretimine ağırlık verilmesi ve araçların motorlarının bu tür yakıtları kullanabilecek esneklikte yapılması gerektiğini çağrıştırmaktadır. Tarım ülkesi olduğumuza göre şeker pancarı, yem pancarı (şeker içeriği %10-12), melas, çeşitli hububat ürünleri ve artıkları biyoetanol üretimine çok elverişlidir. Kaldı ki şeker fabrikalarına, özellikle alkol üretim birimi içerenlere belki de sadece dehidrasyon kolonu ilavesiyle üretim gerçekleştirilebilecektir. Ülkemizde şu anda benzine %2 oranında biyoetanol katkısına izin verilmektedir. Bu miktarın daha da arttırılması çalışmalarına ağırlık verilmelidir. Biyoetanol içerikli benzin kullanıldığında hem yerli tarım sektörü desteklenecek, hem araçların performansı yükselecek, hem de daha ucuz yakıt ve daha temiz bir çevre söz konusu olabilecektir. Aslında daima kendi öz kaynaklarımızı aktif hale geçirerek dışarıya daha az bağımlı kalmanın yollarını aramakta büyük yarar bulunmaktadır. Bu durumun istihdam bakımından da önemli olduğunu göz ardı etmemek gerekir. 95

6 Teknolojik Araştırmalar : GTED 2007 (1) Şekil.2 Biyoetanol Üretimindeki işlem basamakları [6]. 6. Kaynaklar 1. Anonim, Anonim, Anonim, Anonim, Anonim, Anonim Anonim, Anonim Akşam Gazetesi, Anonim Anonim, Anonim, Radikal Gazetesi, Anonim TRT Ekonomi Haber, Anonim, TSE biyobenzin için geçiş süreci. Ekonomi, Hürriyet Gazetesi, 28 Ocak. 14. Cezanne, J., Ethanol der Wirtschaftliche Kraftstoff. THE ALFA-LAVAL International Customer Magazine No 18. ( 15. Kılıç, O., Alkollü Đçkiler Teknolojisi. Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi, Bursa. 96