Sığır, Bıldırcın ve Devekuşu Gübresi ile Mezbaha Atığı ve tan Biyogaz Üretim Miktarlarının Belirlenmesi Emre CAN 1, Halil ÜNAL 2, İlknur ALİBAŞ 2, Ali VARDAR 2, Kamil ALİBAŞ 2 1 Sezer Tarım, Orman ve Endüstri Parça ve Makinaları Sanayi ve Tic. Ltd. Şti., Karacabey, Bursa 2 Uludağ Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, 16059, Nilüfer, Bursa alibas@uludag.edu.tr Özet: Bu çalışmada, laboratuar tipi 3 L kapasiteli cam fermantörlerde sığır gübresi, bıldırcın gübresi devekuşu gübresi, mezbaha atıkları ve ıspanaktan biyogaz üretim değerleri belirlenmiştir. Araştırmada her madde için fermantasyon öncesi ve sonrası katı madde analizleri yapılmıştır. Araştırmada kesikli fermantasyon biçimi uygulanmıştır. Fermantörler, çeperleri yalıtılmış, iç sıcaklığı termostatla 36 C de sabit tutulan deney kutusu içerisine yerleştirilmiştir. Sığır gübresi için fermantasyon süresi 22 gün, toplam gaz üretimi 6615 ml, bıldırcın gübresi için fermantasyon süresi 20 gün, toplam gaz üretimi 12755 ml, devekuşu gübresi için fermantasyon süresi 20 gün, toplam gaz üretimi 4265 ml, mezbaha atıkları için fermantasyon süresi 43 gün, toplam gaz üretimi 10185 ml ve ıspanak için fermantasyon süresi 30 gün, toplam gaz üretimi de 6950 ml olarak belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: Biyogaz, hayvan gübresi, organik atık, fermantasyon Determined of Biogas Production Amounts from the Cattle, Quail and Ostrich Manures, and Slaughterhouse Waste and Spinach Abstract: In this research; biogas production results were determined from cattle, quail and ostrich manures, and slaughterhouse waste and spinach at a laboratory type 3 L capacity digestors. In research, solid matter analysis were done pre-fermentation and post-fermantation for every material. It was become applied a shift the fermentation shape. Digestors was settled inside a test box which is held stable have settled with the thermostat at the 36 C that is insulated walls and internal temperature. For the cattle manure a fermentation period in 22 and a total gas production 6615 ml; quail manure a fermentation period in 20 and a total gas production 12755 ml; for the ostrich manure a fermentation period in 20 and a total gas production 4265 ml were determined, while for the slaughterhouse waste a fermentation period in 43 and a total gas production 10185 ml and spinach a fermentation period in 30 and a total the gas production while becoming 6950 ml were determined. Keywords: Biogas, animal manure, organic waste, fermantation GİRİŞ Biyogaz, artık organik maddelerin, anaerobik (havasız) fermantasyonu sonucu açığa çıkan, renksiz, kokusuz, havadan hafif, havaya karşı yoğunluk oranı 0,83 ve oktan sayısı 110 olan, parlak mavi bir alevle yanan ve bileşiminin %60 75'i metan (CH 4 ) ve %25 40'ıda karbondioksit (CO 2 ) olan bir gaz karışımıdır. Biyogaz üretiminin sağlandığı organik maddenin anaerobik fermantasyonu, üç temel aşamada gerçekleşmektedir, bunlar; hidroliz ve fermantasyon, uçucu yağ asitlerinin ve asetik asidin oluşması ve biyogazın oluşmasıdır. Bu üç aşama sırasında aynı adlarla isimlendirilen, üç değişik bakteri grubu etkinlik göstermektedir. Şekil 1'de organik maddenin anaerobik fermantasyonu ve biyogazın oluşumu şematik olarak gösterilmiştir. Anaerobik fermantasyonun üçüncü aşamasında devreye giren ve metanın oluşumunu sağlayan metan bakterileri, fermantasyon ortamının sıcaklığına göre üç gruba ayrılır. Bunlar; 1. Psychrophilic (sakrofilik) bakteriler: Optimum faaliyet sıcaklığı 25 C, 2. Mezophilic (Mezofilik) bakteriler: ortimum faaliyet sıcaklığı 30 37 C, 3. Thermophilic (termofilik) bakteriler: Optimum faaliyet sıcaklığı 55 C dir. Bu bakteri gruplarından 1. ve 3. Grupta yer alan sakrofilik ve termofilik bakteriler sığır gübresi içerisinde yaşamamaktadır. Sığır gübresinde mezofilik bakteriler bulunmaktadır. 123
Şekil 1. Organik maddenin anaerobik fermantasyonu (biyogazın elde edilmesi) (Alibaş, 1985) Organik maddenin anaerobik fermantasyonu sonucu açığa çıkan biyogazın bileşimi, organik maddenin cinsine ve fermantasyon biçimine bağlı olarak değişmekle beraber ortalama hacimsel bileşimi Çizelge 1'de verilmiştir. Çizelge 1. 1 m 3 biyogazın hacimsel olarak ortalama % bileşimi (Alibaş, 1985) Bileşim elemanı (%) Hacimsel Bileşimi Metan (CH 4 ) 54...80 Karbondioksit (CO 2 ) 20...45 Azot (N 2 ) 1...0 Hidrojen (H 2 ) 1...10 Karbonmonoksit (CO) 0,1 Oksijen (O 2 ) 0,1 Hidrojen Sülfür (H 2 S) Eser miktarda Biyogazın ısıl değeri, bileşiminde bulunan metan yüzdesine bağlı olarak değişmektedir. Biyogaz içerisindeki metan yüzdesine ise; ortam sıcaklığı, üretim maddesinin cinsi ve miktarı, ortam asitliği (ph), partikül büyüklüğü, fermantasyon süresi, karbon azot oranı (C/N), biyogaz tesisinin tipi ve kuru madde miktarı etkili olmaktadır. Çeşitli organik maddelerden üretilebilecek biyogaz miktarları ve ısıl değerleri Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 2. 30 C'de çeşitli organik maddelerden kesikli fermantasyon sonucu üretilebilecek özgül biyogaz miktarları, metan yüzdeleri ve ısıl değerleri (Wen and Jian, 1983) Organik Madde Özgül Biyogaz Üretimi (L/kg UM) Metan Oranı (% CH 4 ) Isıl Değeri (mj/m 3 ) Sığır Gübresi 342 75,5 27,0 Domuz Gübresi 415 80,8 28,9 Buğday Sapı 367 78,5 28,1 Yonca 445 77,7 27,9 Ot 557 84,0 30,2 Şalgam Yaprağı 496 84,0 30,1 Pancar Yaprağı 501 84,8 30,3 Patates Sap Ve 606 74,7 26,7 Yaprağı Mısır Sapı 514 83,1 29,8 UM= Uçucu Organik Madde süresi fermantasyon sıcaklığına bağlı değişmektedir. Çeşitli fermantasyon sıcaklıklarında minimum ve optimum fermantasyon süreleri Çizelge 3 te verilmiştir. Çizelge 3. sıcaklıklarına bağlı olarak minimum ve optimum fermantasyon süreleri (Anonim, 2008) Sıcaklığı ( o C) Minimum Süresi (Gün) Optimum Süresi (Gün) 20 11 28 25 8 20 30 6 14 35 4 10 40 4 10 124
MATERYAL VE YÖNTEM Materyal Araştırmada Kullanılan Artık Organik Maddeler Araştırmada, Sığır gübresi, Devekuşu gübresi, Bıldırcın gübresi, Mezbaha artığı (Et ve Yağ), olmak üzere beş adet organik artık kullanılmıştır. Tüm materyaller fermantörün 2/3 ünü dolduracak şekilde 1/1 oranında su ile karıştırılıp organik madde miktarı %9-10 düşürüldükten sonra fermantöre konulmuş ve fermantörlerde 36 ºC de (mezofilik) termostatla sıcaklığı sabit tutulan deney kutusu içerisine yerleştirilmiştir. Fermantörler ve Gaz Depoları Araştırmada fermantör olarak, et kalınlığı 5,80 mm olan cam kapaklı, kapağı lastik conta takıldıktan sonra telden yapılmış kilitleme mekanizmasıyla kilitlenebilen 3000 ml hacimli 3 adet cam kavanozdan yararlanılmıştır. Fermantörlerin camdan yapılmış olan kapaklarına, gaz çıkısına sağlamak için birer adet hava almayacak şekilde contalı 9 mm çaplı pirinç borular yerleştirilmiştir. Şekil 2 de araştırmada kullanılan fermantörler ve gaz depoları gösterilmiştir. Üretilen biyogazın depolanması için 18000 ml hacimli 3 adet su bidonundan yararlanılmıştır. Bidonların ağızları, üzerinde gaz girişi ve su çıkışını sağlayan 9 mm çaplı iki adet metal boru bulunan lastik tapalarla kapatılmıştır. Gaz depoları çalışmanın başlangıcında saf su ile doldurulmuştur. Şekil 3. Araştırmada kullanılan biyogaz deposu Organik Maddenin Kuru Madde Analizinde Kullanılan Malzemeler Kuru madde analizlerinde sıcaklığı 105 C ye ayarlanabilen etüvden, petri kaplarından ve hassasiyeti 0,0001 olan dijital teraziden yararlanılmıştır. Biyogaz analizinde sadece metan ölçümü yapılmıştır. Bunun için metan miktarını ölçebilen metan detektöründen yararlanılmıştır. Mezofilik Kutusu Sıcaklığı bir termostatla 36 ºC de sabit tutulabilen, 3 adet 60 W elektrik ampulüyle ısıtılan ve ısıyı iç kısmına bir fan yardımıyla dağıtan 650x405x400 mm boyutlarında, duvarları 40 mm kalınlığında poliüretan yalıtım malzemesi ile yalıtılmış bir kutudan yararlanılmıştır. Kutu içerisine üç adet fermantör konulabilmektedir. Şekil 4 de mezofilik fermantasyon kutusu ve termostatı gösterilmiştir. Şekil 2. Araştırmada kullanılan cam fermantörler ve gaz depoları Şekil 3 de gaz deposu verilmiştir. Fermantör ve gaz deposu arasında gaz iletimini sağlamak için 9 mm çapında şeffaf plastik borular kullanılmıştır. Şekil 4. Araştırmada kullanılan mezofilik fermantasyon kutusu ve termostatı Yardımcı Malzemeler kutusunun sıcaklığını ölçmek için 2 adet cıvalı ve 1 adet dijital termometre kullanılmıştır. Üretilen biyogaz miktarına bağlı olarak gaz 125
deposundan taşan saf suyun ölçülmesinde 1000 ml kapasiteli ölçekli bir beher kullanılmıştır. Yöntem Fermantörler, biyogazın üretileceği tüm hammaddeler için 1/1 oranında su ile karıştırılarak, 2/3 ü materyalle doldurulmuştur. Fermantörlerin üst kısmında gaz çıkışını sağlamak için 1/3 lük bir boşluk bırakılmıştır. Doldurulan fermantörler sıcaklığı 36ºC ye ayarlanmış olan mezofilik fermantasyon kutusuna yerleştirilmiştir. Fermantörler günde iki defa 3 4 dakika süreyle elle çalkalanmak suretiyle karıştırılmış-tır. Günlük gaz üretim değerleri, üretilen gaz miktarına bağlı olarak gaz deposundan tahliye edilen suyun beher içinde ölçülmesiyle belirlenmiştir. Fermantöre alınan ve biyogaz üretimi sonucu fermantörden alınan materyallerin katı madde tayinleri, sıcaklığı 105ºC ye ayarlanabilen bir etüv aracılığıyla belirlenmiştir. Materyal örnekleri porselen kaplara alınarak hassas terazide tartılmış ve etüvde 24 saat bekletilmiştir. Ağırlık kaybından gidilerek yapılan hesaplamalarla materyallerin kuru maddeleri belirlenmiştir. ARAŞTIRMA BULGULARI Biyogaz üretiminde kullanılan materyallere ve biyogaz üretimine ilişkin değerler Çizelge 4 de toplu olarak verilmiştir. Sığır, bıldırcın, devekuşu gübreleri ile mezbaha atığı ve ıspanaktan elde edilen biyogaz miktarları günlük ve toplam değerler olarak hesaplanarak Şekil 5 ve 6 da verilmiştir. Üretilen biyogazın sadece metan analizi yapılmış olup metan değerleri ortalama %67 72 arasında bulunmuştur. Çizelge 4. Biyogaz üretiminde kullanılan materyallere ve biyogaz üretimine ilişkin özellikler Parametre Sığır Gübresi Bıldırcın Devekuşu Mezbaha atığı Gübresi Gübresi (Et ve Yağ) Atık Tazeliği 2 saatlik gübre 2 saatlik gübre 2 saatlik gübre 4 saatlik et ve yağ 2 Günlük Başlangıç Kuru Madde Oranı (%) % 16.38 % 15,33 %14,26 % 20,26 % 17,85 Sonuç Kuru Madde Oranı (%) % 14,97 % 6,99 % 8,08 % 20,05 % 12,50 Fermantördeki Toplam Karışım Miktarı (ml) Gübre + 1250 Gübre + 1250 Gübre + Et + Su 900 ml + 900 ml Su ml Su ml Su Su Toplam Süresi (Gün) 22 20 20 43 30 Toplam Üretilen Gaz Miktarı (ml) 6615 12755 4265 10185 6950 4000 3500 3000 Sığır Gübr. Bıldırcın Gübr. Devekuşu Gübr. Mezbaha Atığı (Et ve Yağ) Günlük biyogaz miktarı (ml) 2500 2000 1500 1000 500 0 0 10 20 30 40 50 Gün Şekil 5. Sığır, bıldırcın ve devekuşu gübresi ile mezbaha atığı ve ıspanaktan üretilen günlük biyogaz miktarı 126
14000 12000 Toplam Günlük Biyogaz Miktarı (ml) 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Gün Sığır Gübr. Bıldırcın Gübr. Devekuşu Gübr. Mezbaha Atığı (Et ve Yağ) Şekil 6. Sığır, bıldırcın ve devekuşu gübresi ile mezbaha atığı ve ıspanaktan üretilen kümilatif biyogaz miktarları LİTERATÜR LİSTESİ Alibaş K., 1985. Çeşitli Biçimi ve Sıcaklıklarında Değişik Organik Maddelerden Biyogaz Üretiminin ve Değişen Çevre Sıcaklığı Koşullarındaki Fermantör Enerji Bilançolarının Saptanması. Tarımsal Mekanizasyon 9. Ulusal Kongresi Bildiri Kitabı, s.304 323. Alibaş K., 1996. Sığır gübresi, tavuk gübresi ve arpa sapından sakrofilik, mezofilik ve termofilik fermantasyonlarla biogaz üretimlerinin ve fermantör enerji bilancolarının belirlenmesi U. Ü. Ziraat Fakültesi Araştırma ve İnceleme No:13. 74s. Anonim, 2008. http://www. Panasia.org.sg/nepalnet/biogas. htm Chen Y.R., 1981. Impeller Power Consumtion in Mixing Livestock Manure Slurries. Transactions of the ASAE, s.187 192. Chen Y.R. and A.G. Hashimoto, 1980. Energy Requirements for Anaerobic Fermantation of Livestock Wastes. Livestock Waste: A Renewable Resource. 4 th International Symposium on Livestock Wastes, American Society of Agricultural Engineers Box 410, s.117 121. Converse J.C., G.W. Evans, K.L. Robinson, W. Gibbons, M. Gibbons, 1980. Methan Production from a Large Size On Farm Digester for Poultry Manure. Livestock Waste: A Renewable Resource. 4 th International Symposium on Livestock Wastes, American Society of Agricultural Engineers Box 410, s.122 125. Fisher J.R., D.M. Sievers and C.D. Fulhage, 1983. Energy Consumption from Farm Animal Manure Methane Generation. Transactions of the ASAE, s.223 227. Stewart J.D., 1980. Energy Crops to Methane, Anaerobic Digestion. Applied Science Publishers LTD London, s.303 317. Tunney H., 1980. An Overview of the Fertilizer Value of Livestock Waste. Livestock Waste: A Renewable Resource. 4 th International Symposium on Livestock Waste. American Society of Agricultiral Engineers Box 410, s.181 184. Wu Wen and Chen En-Jian 1983. Our Views on the Resolution of China s Rural Energy Requirements. Biomass, Volume 3, No:4, ISSN 1044 4565. 127