BOLUDAKİ TAVUK ÇİFTLİKLERİNİN BİYOGAZ KAPASİTESİNİN ARAŞTIRILMASI. Mehmet ŞEN YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ

BOLUDAKİ TAVUK ÇİFTLİKLERİNİN BİYOGAZ KAPASİTESİNİN ARAŞTIRILMASI Mehmet ŞEN YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ŞUBAT 2010 ANKARA

ii Mehmet ŞEN tarafından hazırlanan Boludaki tavuk çiftliklerinin biyogaz kapasitesinin araştırılması adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Doç. Dr. İsmet ÇELİKTEN Tez Danışmanı, Makine Eğitimi Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makine Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Atilla KOCA Makine Eğitimi, Gazi Üniversitesi Doç. Dr. İsmet ÇELİKTEN Makine Eğitimi, Gazi Üniversitesi Prof. Dr. H. Serdar YÜCESU Makine Eğitimi, Gazi Üniversitesi Doç. Dr. Erol ARCAKLIOĞLU Makine Mühendisliği, Karabük Üniversitesi Doç. Dr. Can ÇINAR Makine Eğitimi, Gazi Üniversitesi Tarih: 25.02.2010 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

iii TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Mehmet ŞEN

iv BOLUDAKİ TAVUK ÇİFTLİKLERİNİN BİYOGAZ KAPASİTESİNİN ARAŞTIRILMASI (Yüksek Lisans Tezi) Mehmet ŞEN GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Şubat 2010 ÖZET Dünyamızda enerji ihtiyacı her yıl artmaktadır. Buna karşılık, bu ihtiyacı karşılayan fosil yakıt rezervi ise çok daha hızlı bir şekilde azalmaktadır. Fosil yakıtlardan elde edilen enerjinin azalması, ekonomik olarak kullanıma uygun teknolojilerle yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanılması gerekliliğini ortaya koymaktadır. Belirtilen bu yenilenebilir enerji kaynaklarından biri de biyogazdır. Farklı enerji kaynaklarından elde edilen biyogaz, aynı zamanda tavuk gübresinden de elde edilebilmekte olup, önemli bir alternatif enerji kaynağı olarak değerlendirilebilir. Ayrıca, biyogaz üretimi ile gelişi güzel atılan ve çevreye büyük zararlar veren tavuk gübresi fermente gübre haline dönüştürülebilir. Yapılan bu çalışmada Türkiye nin piliç yetiştiriciliğinde en çok üretim yapılan Bolu ilinin gübre atıklarının biyogaz olarak değerlendirilmesi araştırıldı. Mevcut verilerden faydalanılarak 2050 yılına kadar Doğrusal Denklem, Box- Jenkins ARIMA modeli ve SPSS paket programı yöntemleri ile tavuk sayısı için istatistiksel tahminlerde bulunuldu. Tahminlerin ortalaması alınıp 2010 yılında 2050 yılına kadar 5 er yıllık periyotlar için sırasıyla 76867-95170-113308-131447-149585-167723-185861-204000-222138 bin m 3 /yıl biyogaz üretilebileceği bulundu. Atıkların değerlendirilmesi ile 2010 yılında 2050 yılına kadar 5 er

v yıllık periyotlar için sırasıyla 461205-571019-679850-788679-897508-1006338- 1115168-1223997-1332827 MWh enerji kazanılacağı hesaplandı. Bilim Kodu : 708.3.026 Anahtar Kelimeler : Bolu, biyogaz, tavuk gübresi, zaman serileri analizi Sayfa Adedi : 90 Tez Yöneticisi : Doç. Dr. İsmet ÇELİKTEN

vi THE RESEARCH ON THE POTENTIAL BIOGAS IN POULTRY FARMS OF BOLU (M.Sc. Thesis) Mehmet ŞEN GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY February 2010 ABSTRACT The need for energy in the world increases each year. On the contrary, the fossil fuel reserves that compensate that demand are decreasing fast. The fact that decreasing of the energy produced out of fossil fuel brings into sharp relief that the demand for the renewable energy must be benefited with the assistance of economical technology. One of the renewable energy resources declared is biogas. The biogas produced out of different energy resources can be produced out of chicken manure as well and can be turned to account as an important alternative energy resource. On the other hand, chicken manure that is cast away to the environment haphazardly causing a lot of harm can be converted in fermented manure. In this thesis, the evaluation of manure waste in Bolu where the chicken is grown a lot was searched. Statistical calculations for number of chicken until 2050 with Linear equations, Box-Jenkis ARIMA type and SPSS package programme were done by the help of present data. The biogas amounts to be produced between 2010-2050 for five year periods respectively 76867-95170- 113308-131447-149585-167723-185861-204000-222138 thousand m 3 /year were figured out by taking the average of calculations. The energy to be produced for 2010-2050 respectively 461205-571019-679850-788679-897508-1006338-1115168-1223997-1332827 MWh with the evaluation of these manure.

vii Science Code : 708.3.026 Key Words : Bolu, biogas, hen manure, time series analysis Page Number : 90 Adviser : Assoc. Prof. Dr. İsmet ÇELİKTEN

viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca beni yönlendiren Hocam Doç. Dr. İsmet ÇELİKTEN e, Ankara da bana evini ve yüreğini açan arkadaşım Erhan ÖZİL e, ders aşamasında kurumumda gerekli izinleri veren Başhekimimiz Prof. Dr. Şahap KÜKNER ve İşletme Müdürümüz Muzaffer GÜLER ve Ayten ÖZCAN a, özellikle benden maddi manevi yardımlarını esirgemeyen anneme, babama ve eşime teşekkürü bir borç bilirim.

ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi TEŞEKKÜR...viii İÇİNDEKİLER... ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ...xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xiv SİMGELER VE KISALTMALAR... xv 1. GİRİŞ... 1 2. BİYOGAZ... 4 2.1. Biyogazın Tarihi... 4 2.2. Biyogazın Özellikleri... 6 2.3. Biyogaz Üretiminin Faydaları... 9 2.4. Dış Ülkelerde Biyogaz... 16 2.5. Biyogaz Üretim Aşamaları... 19 2.5.1. Hidroliz... 21 2.5.2. Asit oluşumu... 23 2.5.3. Metan oluşumu... 24 2.6. Biyogaz Üretimini Etkileyen Faktörler... 25 2.6.1. Reaktör sıcaklığı... 25 2.6.2. Hidrolik bekleme süresi... 28 2.6.3. Organik yükleme hızı... 30 2.6.4. Besleme sıklığı... 31 2.6.5. Katı madde içeriği... 31

x Sayfa 2.6.6. Asitlik ve bazlık derecesiph... 32 2.6.7. Karbon azot oranı C/N Oranı... 33 2.6.8. Toksisite... 35 2.6.9. Karıştırma... 36 2.6.10. Köpük oluşumu ve kontrolü... 37 2.7. Biyogaz Üretiminde Kullanılan Sistemler... 38 2.7.1. Kesikli (batch) fermantasyon... 38 2.7.2. Beslemeli-kesikli fermantasyon... 38 2.7.3 Sürekli fermantasyon... 39 2.8. Biyogaz Tesisleri... 39 2.8.1. Aile tipi biyogaz tesisleri... 39 2.8.2. Çiftlik tipi biyogaz tesisleri... 39 2.8.3. Köy tipi biyogaz tesisleri... 39 2.8.4. Merkezi tip biyogaz tesisleri... 40 2.9. Biyogaz Üretiminde Kullanılan Anaerobik Reaktörler... 40 2.9.1. Sabit kubbeli reaktörler... 40 2.9.2. Hareketli kubbeli reaktörler... 40 2.9.3. Torba reaktör... 41 2.9.4. Sabit film reaktörleri... 41 2.9.5. Yukarı akışlı anaerobik biyoreaktör... 41 2.9.6. Yatay-engelli reaktörler... 41 2.9.7. Anaerobik havuz... 42 2.9.8. Karıştırmalı reaktörler... 42 2.9.9. Tapa akışlı biyoreaktörler... 43

xi Sayfa 2.9.10 Kontakt biyoreaktörler... 43 2.9.11. Asit fazlı biyoreaktörler... 43 2.9.12. Akışkan yataklı anaerobik biyoreaktörler... 43 2.9.13. Yukarı akışlı filtreli kombine biyoreaktör... 44 2.9.14. Ardışık kesikli anaerobik reaktörler... 44 2.9.15. Hibrit biyoreaktörler... 44 2.10. Biyogaz Kaynaklarından Biri Olan Tavuk Gübresinin Özellikleri... 45 3. MATERYAL VE METOT... 48 3.1. En Küçük Kareler Yöntemi ile Tahmin... 52 3.2. Box-Jenkins ARIMA Modeli ile Tahmin... 58 3.3. SPSS Programı ile Tahmin... 61 3.4. Tahmin Değerlerinin Doğruluğunun Ölçülmesi... 63 3.5. Bolu İli İçin 2050 Yılına Kadar Tavuk Sayısının Tahmini... 65 3.6. Bolu İli İçin 2050 Yılına Kadar 5'er Yıllık Periyotlarda Biyogaz Tahmini... 66 4. SONUÇ VE ÖNERİLER... 68 KAYNAKLAR... 70 EKLER... 79 EK-1 Doğrusal denklem ile 2050 yılına kadar yapılan tahmin değerleri... 80 EK-2 ARIMA(1,0,0) modeli ile 2050 yılına kadar yapılan tahmin değerleri... 81 EK-3 SPSS zaman serileri analizi tahmini ile 2050 yılına kadar tahmin... 82 EK-4 Tüm yöntemlerin tahmin verileri ile gerçek verilerin karşılaştırması... 83 EK-5 Her yöntemin yıllara göre mutlak yüzde hata (MYH) değerleri... 84 EK-6 Tüm yöntemler ile 2050 yılına kadar yapılan tahmin değerleri... 85 EK-7 Hesaplamalarda kullanılan tahmin değerleri... 87 EK-8 Merkeze uzaklığı 40 km. geçmeyen çiftliklerin kapasite değerleri... 88 ÖZGEÇMİŞ... 90

xii ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Çeşitli kaynaklardan elde edilebilecek biyogaz verimleri ve biyogazdaki metan miktarları... 6 Çizelge 2.2. Biyogaz bileşimi... 7 Çizelge 2.3. Doğalgaz ve biyogaz özelliklerinin karşılaştırılması... 7 Çizelge 2.4. Biyogazın diğer yakıtlarla karşılaştırılması... 8 Çizelge 2.5. Bir otobüs farklı yakıtlarla işletildiğinde oluşan emisyonların (g/km) karşılaştırılması... 14 Çizelge 2.6. Avrupa Topluluğu ülkelerinde biyogaz tesisi ve biyogaz üretimi... 19 Çizelge 2.7. Çeşitli gübrelerin C/N oranı... 34 Çizelge 2.8. Anaerobik arıtmada çeşitli engelleyicilerin engelleme seviyesi... 36 Çizelge 2.9. Amonyağın metan üretimi üzerine etkisi... 36 Çizelge 2.10. Tavuk gübresinin bazı özellikleri... 47 Çizelge 2.11. Tavuk gübresinin bazı kimyasal özellikleri... 47 Çizelge 2.12. Tavuk gübresinin bazı ağır metal içerikleri... 47 Çizelge 3.1. Bolu ili 1991 2008 arası tavuk sayıları... 49 Çizelge 3.2. Türkiye 1991 2008 arası tavuk sayıları... 50 Çizelge 3.3. Doğrusal denklem hesaplamak için oluşturulan değerler... 55 Çizelge 3.4. Doğrusal denklem ile tahmin edilen veriler ile gerçek veriler... 56 Çizelge 3.5. ARIMA(1,0,0) ile tahmin edilen veriler ile gerçek veriler... 59 Çizelge 3.6. SPSS programı ile tahmin edilen veriler ile gerçek veriler... 61 Çizelge 3.7. Her yöntemin ortalama mutlak yüzde hata (OMYH) değerleri... 65 Çizelge 3.8. 2050 yılına kadar 5 er yıllık periyotlarda tahmini değerler... 67

xiii Çizelge Sayfa Çizelge 3.9. Kurulacak tesisle 2050 yılına kadar 5 er yıllık periyotlarda elde edilecek elektrik ve ısı enerjisi tahminleri... 67

xiv ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Karşılaştırmalı gübre emisyon değerleri... 13 Şekil 2.2. Organik atıkların farklı yöntemlerle arıtılması ve elde edilecek ürün seçenekleri... 15 Şekil 2.3. Atıkların farklı durumlardaki arıtımlarına göre sera gazı emisyonlarına olan katkıları... 15 Şekil 2.4. Anaerobik çürümenin aşamaları... 20 Şekil 2.5. Anaerobik çürüme kademeleri... 21 Şekil 2.6. Psikofilik (0), Mezofilik ( ), Termofilik ( ) sıcaklık koşullarının biyogaz üretim hızı üzerinde etkisi (%4 Katı madde)... 27 Şekil 3.1. Türkiye ve Bolu ili 1991 2008 yılları tavuk sayısı... 51 Şekil 3.2. Türkiye ve Bolu ili 1995 2008 yılları üretilen tavuk eti... 51 Şekil 3.3. Doğrusal denklem tahmini ile gerçek değerlerin karşılaştırılması... 57 Şekil 3.4. Doğrusal denklem ile 2050 yılına kadar yapılan tahmin... 57 Şekil 3.5. ARIMA(1,0,0) ile yapılan tahminlerin gerçek değerlerle karşılaştırılması... 60 Şekil 3.6. ARIMA(1,0,0) modeli ile 2050 yılına kadar yapılan tahmin... 60 Şekil 3.7. SPSS programının verilere göre yaptığı tahmin ile gerçek değerler... 62 Şekil 3.8. SPSS programının verilere göre yaptığı 2050 yılına kadar normal senaryo, iyimser senaryo ve kötümser senaryo tahmini... 62 Şekil 3.9. Tahmin edilen değerlerin 5 er yıllık periyotlarda karşılaştırılması... 65

xv SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama CH 4 CO 2 EC (ds/m) H 2 H 2 O H 2 S N 2 NH 3 Metan Karbondioksit Elektrik Geçirgenliği Hidrojen Su Sülfür Azot Amonyak Kısaltmalar Açıklama HBS KOİ MYH OMYH OYH TEP TUİK UM UYA Hidrolik bekleme süresi Kimyasal oksijen ihtiyacı Mutlak yüzde hata Ortalama mutlak yüzde hata Organik yükleme hızı Ton eşdeğer petrol Türkiye İstatistik Kurumu Uçucu madde Uçucu yağ asidi

1 1. GİRİŞ Dünyamızda enerji ihtiyacı her yıl artmaktadır. Buna karşılık, bu ihtiyacı karşılayan fosil yakıt rezervi ise çok daha hızlı bir şekilde azalmaktadır. En iyimser tahminler bile önümüzdeki 50 yıl içinde petrol rezervlerinin büyük ölçüde tükeneceğini ve ihtiyacı karşılayamayacağını göstermektedir. Kömür ve doğalgaz için de uzun süreçte benzer bir durum söz konusudur. Ayrıca fosil yakıt kullanımı, dünya ortalama sıcaklığını artırmış, yoğun hava kirliliğinin yanı sıra milyarlarca dolar zarara yol açan sel, fırtına gibi doğal felaketlerin gözle görülür şekilde artmasına neden olmuştur. Bu nedenle insanoğlu fosil yakıt rezervlerinin bitmesini beklemeden temiz enerji kaynaklarına yönelmek zorundadır [1]. Dünyanın pek çok ülkesinde olduğu gibi Türkiye de de endüstrileşme ve nüfus artışı yüzünden hızla büyüyen bir enerji gereksinimi gözlenmektedir. Fosil yakıtlardan elde edilen enerjinin tükenme sınırına yaklaşmış olması, ekonomik olarak kullanıma uygun teknolojilerle yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanılması gerekliliğini ortaya koymaktadır. Enerji üretiminin yavaş, tüketiminin hızlı artması neticesinde Türkiye enerji açığını enerji ithalatı yaparak kapatma yoluna gitmiş ve toplam enerji gereksiniminin 1990 da %54 ünü 1999 da %64 ünü net ithalatla karşılamıştır. 2020 yılında ise enerji ithalatının %76 ya ulaşması tahmin edilmiştir [2]. Türkiye her sene ortalama 24 000 000 bin ton ham petrol ithal etmiş, petrol rezervlerinin azalması ve dünyadaki siyasi belirsizlikler neticesi petrol fiyatlarının artmasıyla her geçen sene petrole verilen kaynaklar çok büyük artışlar göstermiştir [3]. Türkiye elektrik üretiminde de birinci enerji kaynakları olarak yenilenebilir enerjiden tam olarak faydalanmadığında dışa bağımlılığını sürdürmektedir [4].

2 Tüm bu bilgiler ışığında Türkiye acilen yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmelidir. Bu enerji kaynaklarından birisi de biyogazdır. Biyogaz üretiminde organik atıklar, bitkisel atıklar, zirai atıklar, hayvancılık atıkları, evsel atıklar ve endüstriyel atıklar kullanılabilmektedir. Bu atıklardan anaerobik ortamda çürütülerek metan gazı elde edilmekte, geriye kalan kısmı ise gübre olarak kullanılabilmektedir. Ucuz çevre dostu bir enerji ve gübre kaynağı olan biyogaz sistemlerinin toplum ve çevre açısından pek çok faydası bulunmaktadır. Hayvan gübrelerinden kaynaklanan insan sağlığını ve yeraltı sularını tehdit eden hastalık etmenlerinin büyük oranda etkinliğinin kaybolmasını sağlar. Biyogaz üretiminden sonra atıklar çok daha değerli bir organik gübre haline dönüşmektedir. Atık geri kazanımı sağlanmakta, hayvan gübresinde bulunabilecek yabancı ot tohumları çimlenme özelliğini kaybetmekte ve hayvan gübresinin kokusu hissedilmeyecek seviyeye düşmektedir. Bunun yanında bu teknoloji fosil yakıtların yerini aldığı için sera gazı emisyonunu da azaltmaktadır. Böylece, belirli şartlar sağlanırsa biyogaz teknolojisi doğal kaynakların korunmasına ve ülkenin kalkınmasına yeteri kadar katkıda bulunabilir [5]. Ülkemiz sanayi ülkesi olarak adlandırılsa da tarım ve hayvancılık ekonomide hala büyük yer edinmekte, kırsal kesimin büyük çoğunluğu bu yollarla geçimini sürdürmektedir. Kanatlı hayvan üretimi ise son yıllarda gittikçe popülerleşmiş ve ihraç edilen bir ürün olmuştur. Ülkemizde ise kanatlı hayvan deyince akla ilk gelen tavuktur. Tavuk üretiminin büyük bir çoğunluğu ise Bolu ilimizdedir. Büyükşehirlere yakın olması, iklim ve çevresel şartların elverişli olması nedeniyle Bolu tavuk üretiminde tercih edilen il olmuştur. Bolu ekonomisinin büyük bir kısmını tavukçuluk ve işletmeleri oluşturmaktadır. Bu çalışmada Bolu daki tavuk çiftliklerinin atıklarının gelişi güzel bırakılması ya da direk toprağa gübre olarak verilmesi sonucu oluşan çevre kirliliği ve koku probleminin çözülmesi için anaerobik çürütme kullanılarak biyogaz elde edilmesi ile enerji üretilebileceği belirtilmiştir. TUİK mevcut tavuk sayıları verilerinden faydalanılarak Doğrusal Denklem, Box-Jenkins ARIMA modeli ve SPSS paket programı yöntemleri ile istatistiksel tahminlerde bulunulmuştur. Bulunan değerler

3 üretilen modelin doğruluğunu test etmek için mevcut verilerle karşılaştırılarak Ortalama Yüzde Mutlak Hata (OMYH) oranları tespit edilmiştir. Yöntemlerden elde edilen verilerin OMYH si dikkate alınarak ortalama değerler bulunmuş ve 2050 yılına kadar 5 er yıllık periyotlar için biyogaz potansiyeli tahmininde bulunulmuştur.

4 2. BİYOGAZ Biyogaz; hayvansal ve bitkisel kökenli organik atıkların, anaerobik (havasız) fermantasyonu sonucu açığa çıkan, renksiz, kokusuz, havadan hafif, ateşleme sıcaklığı 650 750 C, ısıl değeri 17 25 MJ/m 3, havaya oranla yoğunluğu 0,83 ve oktan sayısı 110 olan, parlak mavi bir alevle yanan bir gaz karışımıdır [6,7]. Biyogaza bataklık gazı, gübre gazı, gobar gaz gibi isimler de verilmektedir [8]. 2.1. Biyogazın Tarihi Biyogazla ilgili ilk araştırmalar 17. Yüzyılda Jan Baptida van Helmont tarafından, organik maddelerin oksijensiz ortamda parçalanmasıyla yanabilen bir gazın çıktığının belirlemesiyle başlanmıştır [9]. Daha sonra yanabilen bu gazın parçalanan organik madde miktarı ile orantılı olduğu ve hava ile karışan gazın patayıcı bir forma dönüştüğü, 1776 da Alessandro Volta tarafından kanıtlanmıştır [10]. Volta tarafından göl sedimanından gaz kabarcıklarının çıktığını gözlemesi ve sedimandan aldığı örneklerde yaptığı deneylerde ürettiği gaza 1787 yılında Lavoisier ve diğer araştırmacılar tararından 'Karbonlu Hidrojen' adı verilmiştir ve bu terim 1865'te Uluslararası Kimya Kongresinde 'metan olarak kabul edilmiştir [11]. Biyogazın uygulamalı ve ticari kullanımı 1840 ta Yeni Zelanda'nın Otowa kentinde ve 1859'da Hindistan'ın Bonbay kentinde bir koloni tarafından biyogaz üreteçlerinin kurulması ile başlamıştır. 1895'te İngiltere'nin Exeter kentinde özel kanalizasyon sistemleriyle üretilen biyogaz sokak lambalarında aydınlatma amacıyla kullanılmıştır [11, 12]. Anaerobik İşlemin mikrobiyolojisi ile ilgili çalışmalar ise 1930'larda Buswell tarafından anaerobik bakterinin tanımlanması ve anaerobik işlem için optimum koşulların belirlenmesi ile başlamıştır [13, 14].

5 Anaerobik işlem çalışmaları, II. Dünya savaşına kadar sürmüş ancak II. Dünya savaşıyla ortaya çıkan petrol krizi ile özellikle Avrupa'da, biyogazın yakıt olarak kullanımı gündeme gelmiştir. 1940 1970 yılları arasında Kuzey Amerika ve Avrupa'da, çamur tutma tekniklerinin ve anaerobik reaktörlerin kullanımının geliştiği görülmektedir. 1950 1970 arasında ise Hindistan, Çin ve Güneydoğu Asya da küçük çiftlik tipi anaerobik reaktörler hızla çoğalmıştır. 1960'larda endüstriyel atıklardan kaynaklanan çevre kirliliğinin gündeme gelmesi ile anaerobik sistemler, hem enerji üretimi, hem de çevre kirliliğinin önlenmesi amacıyla geliştirilmiş ve kullanılmıştır. 1973 petrol krizi ile anaerobik sistemler bütün dünyada gelişme göstermiş, biyogazın kullanımı ile ilgili enerji politikaları ve programları uygulamaya alınmıştır. Bu yıllarda Hindistan ve Çin, anaerobik reaktörlerden üretilen enerjiyi, şehirlerde elektrik enerjisini karşılamak amacıyla kullanmıştır [13]. 1985'ten itibaren biyokütle enerjisi, enerji planlamalarında önemli bir potansiyel olmuş ve anaerobik arıtımla ilgili çalışmalar, projeler ve programlar gelişmeye başlamıştır. 1990'lardan sonra, gelişmiş ülkeler teknolojik gelişmelere paralel olarak, merkezi biyogaz üretim tesisleri kurarak, enerji ihtiyaçlarının büyük bir bölümünü bu tesislerden karşılamaktadırlar. Dünyada, 1990 2000 yılları arasında, 47'si Almanya'da, 22'si Danimarka'da ve Avusturya, İsveç ve İsviçre'de 10'ar adet olmak üzere toplam 135 adet merkezi biyogaz üretim tesisi kurulmuş ve işletilmektedir. Bu tesislerde yılda 11 472 Mton evsel ve endüstriyel organik atıklar ile hayvan gübreleri anaerobik olarak arıtılmaktadır [13]. Anaerobik biyoteknolojinin Türkiye deki ilk endüstriyel uygulamaları 1980 lerde ortaya çıkmaya başlamıştır [15, 16]. Biyogaz ile ilgili araştırma-geliştirme çalışmaları yoğun olarak 1980 1986 yılları arasında Köy Hizmetleri Ankara Araştırma Enstitüsü bünyesinde Topraksu Araştırma Enstitüsünde yapılmıştır. Hacimleri 1 m 3 ile 28 m 3 arasında sıcaklık kontrolü, gaz toplama üniteleri ve karıştırma üniteleri ile donatılmış pilot tesislerde çeşitli tavuk ve sığır gübreleri denenmiştir. Ayrıca bu çalışmaların ışığında Topraksu Genel Müdürlüğü tarafından her il merkezinde 3 adet bölge merkezlerinde 5 adet

6 biyogaz tesisinin yapılması planlanmış ve bu tesislerin çoğu işletmeye açılmıştır. Diğer taraftan kendi olanakları ile biyogaz tesisi kurmak isteyenlere teknik destek ve kredi olanağı sağlanmıştır [17]. 2.2. Biyogazın Özellikleri Biyogaz çok amaçlı olarak kullanılabilen, temiz bir enerji kaynağıdır. Başlıca hayvan dışkısı olmak üzere özel olarak yetiştirilen bazı bitkilerden, tarımsal atıklardan ve her türlü organik atıktan uygun bakteriler ile anaerobik arıtım sonunda elde edilen ve bileşiminde metan ve karbondioksit bulunan yanıcı bir gaz karışımıdır (Çizelge 2.1). Atık içindeki organik madde; metan, karbondioksit, hidrojen sülfür, azot, hidrojen ve amonyağa dönüşür [18]. Çizelge 2.1. Çeşitli kaynaklardan elde edilebilecek biyogaz verimleri ve biyogazdaki metan miktarları [19] Kaynak Biyogaz Verimi (Litre/kg) Metan Oranı (Hacimsel %) Sığır Gübresi 90 310 65 Kanatlı Gübresi 310 620 60 Buğday samanı 200 300 50 60 Çimen 280 550 70 Ziraat atıkları 310 430 60 70 Dökülmüş ağaç yaprakları 210 290 58 Atık su çamuru 310 800 65 80 Biyogaz ağırlıklı olarak CH 4 ve CO 2, az miktarda H 2 S ve NH 3 ve eser miktarda H 2, N 2, CO, O 2, aromatikler, halojenli bileşikler (klorürler, florürler vb.) ve silikonlar içerir ve su buharı ile doymuştur. Biyogaz, hacimsel olarak %60 %70 metan (CH 4 ), %30-%40 karbon dioksit (CO 2 ), %1 %2 azot (N 2 ) ve atıksudaki kükürt derişimine bağlı olarak hidrojen sülfür (H 2 S) içerir (Çizelge 2.2). Biyogaz, arıtıldıktan ve

7 kalitesi iyileştirildikten sonra doğalgazın kullanıldığı yerlerde kullanılabilir (Çizelge 2.3) [14]. Çizelge 2.2. Biyogaz bileşimi [17, 20, 21] Bileşenler Hacimsel % Metan ( CH 4 ) 50 80 Karbondioksit ( CO 2 ) 20 50 Hidrojen sülfür ( H 2 S ) 0,0005 0,0002 Amonyak ( NH 3 ) 0,0005 0,0001 Azot ( N 2 ) 0 3 Hidrojen ( H 2 ) 0 5 Su (H 2 O) 0 1 Çizelge 2.3. Doğalgaz ve biyogaz özelliklerinin karşılaştırılması [17] Özellikler Doğal gaz Biyogaz Bileşim, hacim % si 95 98 55 65 Mol ağırlığı, kg/mol 16,04 26,18 Yoğunluk, kg/m 3 0,82 1,21 Isıl değer, MJ/m 3 36,14 21,48 Maksimum Tutuşma Hızı, m/sn 0,39 0,25 Biyogaz anaerobik (oksijensiz) ortamda, sabit bir sıcaklık altında organik maddelerin farklı mikroorganizma grupları tarafından parçalanmasıyla meydana gelir. Biyogazın doğal üretimi, karbon döngüsünün önemli bir parçasıdır. Metanojenler (metan üreten bakteriler) organik madde parçalayan ve çevreye ayrışmış ürünler veren mikroorganizmalar zincirinin son halkasıdır. Bu çalışmada yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyogaz üretilir [22]. Biyogaz hem doğrudan yanma, hem de elektrik enerjisine çevrilerek aydınlatmada kullanılabilmektedir. Biyogazın doğrudan aydınlatmada kullanımında sıvılaştırılmış petrol gazları ile çalışan lambalardan yararlanılmaktadır. Bu sistemde aydınlatma

8 alevini arttırmak üzere amyant gömlek ve cam fanus kullanılmaktadır. Cam fanus ışığı sabitleştirdiği gibi çıkan ısıyı geri vererek alevin daha fazla olmasını sağlamaktadır [19]. 1 m 3 biyogaz, dört kişilik bir ailenin günlük yemeklerini pişirebilir. 2,43 m 3 biyogaz ile 6 kişilik bir ailenin bir günlük pişirme ve aydınlatma ihtiyaçları karşılanabilmektedir [23]. 1 m 3 biyogaz 2 148 MJ/kg ısıl değeri ile 0,56 kg Fuel Oil, 0,46 kg. sıvılaştırılmış petrol gazı ve 0,62 m 3 doğalgazın karşıladığı ısıl değere eş enerji üretebilir (Çizelge 2.4). Çizelge 2.4. Biyogazın diğer yakıtlarla karşılaştırılması (biyogazda metan miktarı %60) [17] Yakıt cinsi Isıl değer (kj/kg) Biyogaz miktarı karşılıkları 1 kg No:6 Fuel-Oil 38492 0,56 kg 1 kg Karışık Dökme Gaz 46024 0,46 kg 1 kg Propan Dökme Gaz 46024 0,46 kg Sıvılaştırılmış Petrol Gazı 46024 0,46 kg 1 kg Motorin 42676 0,50 kg 1 m 3 Doğalgaz 34518 0,62 m 3 1 kg Soma Kömürü 19664 1,09 kg 1 kg İthal Linyit Kömürü 27196 0,79 kg Biyogazın yanma özelliği bileşiminde bulunan metan gazından ileri gelmektedir. Biyogaz hava ile 1/7 oranında karıştığı zaman tam yanma gerçekleşir. Isıtma amacıyla gaz yakıtlarla çalışan fırın ve ocaklardan yararlanılabileceği gibi termosifon ve şofbenler de biyogazla çalıştırılarak kullanılabilir. Biyogaz, sıvılaştırılmış petrol gazı ile çalışan sobaların meme çaplarında basınç ayarlaması yapılarak kolaylıkla kullanılabilmektedir. Biyogaz sobalarda kullanıldığında bünyesinde bulunan hidrojen sülfür gazının, yanmadan ortama yayılmasını önlemek üzere bir baca sistemi gerekli olmaktadır. Bu nedenle, daha sağlıklı bir ısınma için kalorifer sistemleri tercih edilmektedir [19].

9 Biyogaz, benzinle çalışan motorlarda hiçbir katkı maddesine gerek kalmadan doğrudan kullanılabildiği gibi içeriğindeki metan gazı saflaştırılarak da kullanılabilmektedir. Dizel motorlarda kullanılması durumunda belirli oranlarda (%18 %20) motorin ile karıştırılması gerekmektedir [19]. Biyogaz üretimi sonucu sıvı formda fermente organik gübre elde edilmektedir. Çürütücülerden elde edilen gübre katı ve sıvı kısımdan oluşmaktadır. Katı kısım (digestate) kompost olarak da adlandırılır ve tarımda ve çiçek yetiştiriciliğinde toprağın kalitesini iyileştirmek için kullanılmaktadır. Sıvı bölümü ise bitkiler için kıymetli besin maddelerini içerir ve tarlaya sıvı olarak uygulanabilir, granül haline getirilebilir veya beton-toprak havuzlarda doğal kurumaya bırakılabilir. Fermentasyon sonucu elde edilen organik gübrenin temel üstünlüğü anaerobik fermentasyon sonucunda hastalık yapan mikroorganizmaların büyük bir bölümünün yok olmasıdır. Bu özellik kullanılacak olan organik gübrenin yaklaşık %10 daha verimli olmasını sağlar [13, 19, 24]. 2.3. Biyogaz Üretiminin Faydaları Son yıllardaki endüstriyel gelişmeler çevresel atık problemini de beraberinde getirmiştir. Çevresel atıkların (endüstriyel ve tarımsal) yok edilmesi veya değerlendirilmesi, günümüz toplumları için kaçınılmaz hale gelmiştir [25]. Gün geçtikçe artan nüfusun hayvansal kaynaklı protein gereksinimini karşılayabilmek amacıyla, hayvancılığın yoğun bir şekilde yapılması zorunlu hale gelmiştir. Ancak bu durum özellikle büyük yerleşim merkezlerine yakın işletmelerde çevre kirliliği açısından bir takım sorunları da beraberinde getirmiştir [26]. Hayvan barınaklarından üretilen gübre kontrol edilmez ve uygun koşullar altında değerlendirilmeden kontrolsüz şekilde dış ortama, çevreye terk edilirse istenmeyen sonuçlar doğuracak, fayda sağlanabilecek bir materyal olmasına rağmen zararlı hale gelecektir [27].

10 Hayvan gübresi kararlı hale getirilmeden, geçici olarak depolandığında; gübre içinde bulunan azot bileşikleri kontrolsüz şartlarda bozunarak yaklaşık olarak % 50 %70 i kaybolmaktadır. Bu ise önemli miktarda besi maddesi kaybı demektir [28]. Gübrelerin yararlı kullanımları için, arazi uygulamaları, metan gazı (biyogaz ) üretimi, buharlaştırma, NH 3 üretimi, katı ayırma, hidroliz, hidrojen üretimi, kompostlaştırma, hayvanların beslenmesi, mikrobiyal protein sentezi ve bitkilerde substrat olarak kullanımı gibi teknikler vardır [5, 29, 30]. Gübrenin herhangi bir önlem alınmadan, açıkta biriktirilmesi sonucunda bazı problemler ortaya çıkabilir [31]. Açıkta biriktirilen gübreden oluşan akıntı içerisindeki koliform bakteriler ve azot bileşikleri yer üstü ve yeraltı su kaynaklarına geçebilir. Fosfor, su kaynaklarına karıştığı takdirde algler gelişir; bu durumda, su habitatlarında oksijen miktarı azalır ve balık popülasyonlarında ölüm oranı artar. Açıkta biriktirilen gübre içindeki bakteri ve diğer mikroorganizmalardan kaynaklanan kirlilik, komşu alanlarda sıkıntı yaratabilir. Hayvansal atıklar doğrudan gübre olarak kullanıldıklarında içerdikleri patojenler, bu atıkları kullanan aileler için ve yeraltı suyuna sızarak çevredeki yerleşim birimleri için sağlık riski oluşturur. Oysa anaerobik bozunma hayvansal atıkların içerdiği patojenleri büyük ölçüde yok ederek, daha güvenli bir gübre elde edilmesine yol açar. Ayrıca, anaerobik bozundurma hayvansal atıkların azot ve fosfor içeriğinin yükselmesi ve/veya bitkiler tarafından daha kolay kullanılabilir hale gelmesiyle de avantajlar sunar. Çiftçilerin gübre eldesi bazında kendilerine yeter hale gelmeleri ve kullanım fazlası gübreyi satmaları da kendilerine önemli bir mali kazanç sağlayacaktır [32 34].

11 Hayvansal üretimin çevre üzerine yaptığı en olumsuz etki, bir takım bulaşıcı hastalık etkenlerinin kaynağını oluşturmasıdır. Bu etkenlerin çevreye yayılma yolları doğrudan atım ve dolaylı atım şeklinde olmaktadır. Ahır ve kümeslerden uzaklaştırılan atıkların depolandıkları çukurlar, insan ve hayvanlar için hastalık kaynağı olarak büyük tehlike oluştururlar. Hayvanlardan kaynaklanan bazı hastalık etkenlerinin doğada yaklaşık 1 hafta ile 3 yıl canlı kalabilmeleri, çevrede oluşacak kirliliğin çok uzun zaman etkin olabileceğini göstermesi bakımından önemlidir [35, 36]. Dağınık kirlilik kaynakları olarak nitelendirilen gübreler, hayvansal atıklar vb. yüzey sularına veya yeraltı sularına ulaşarak su kaynaklarının kalitesini bozmakta ve kullanılamaz duruma getirmektedir. Ayrıca hayvansal atıklar patojen kirlenmenin olası bir kaynağı olabildiği gibi, su içinde potansiyel azot ve fosfor kaynaklarıdır. Küçük hayvancılık işletmelerinde atık sorunu olmayıp ortaya çıkan gübre toprak ıslah edici bir materyal olarak kabul edilmektedir. Sığır ve kümes hayvanlarının yoğun üretiminin başlaması ile birlikte, hayvansal gübrenin dağılımı sorun olmuştur [34, 35]. Anaerobik çözücüler tarımsal gübre üretirken kirli sulardaki patojenik organizmaları yok etme kabiliyetine sahiptir [38]. Biyogaz reaktörlerinden elde edilen gübrenin en önemli özelliği, sentetik gübrelerin aksine, doğal azot-fosfor çevrimi içerisinde elde edilmesi ve dolayısıyla doğaya ek bir yük getirmemesidir. Anaerobik bozundurma sürecinden geçen organik atıkların %25-%40'ı CH 4 ve CO 2 'ye dönüşür. Bu dönüşüm, bu süreçte ortaya çıkan gübrenin C/N (Karbon/Azot) oranını düşürür ve dolayısıyla gübre kalitesini artırır. Anaerobik bozundurma ile elde edilen organik gübre hayvansal atıklara göre daha akışkan dolayısıyla toprağa daha kolay uygulanabilir, daha düşük koku yapar, daha az patojen içerir ve amonyak içeriği daha yüksektir. Örneğin 35 gün süreyle anaerobik bozundurmaya tabi tutulan bir hayvansal gübre numunesinde katı madde içeriği %40 azalmış, amonyak içeriği yaklaşık %13 artmış, C/N oranı ise 8'den 5'e düşmüştür. Biyogaz tesisinde üretilen gübre ile gübrelenen bitkilerde ham gübre ile gübrelenen bitkilere göre %16-%20 oranında mahsul artışı olmaktadır [5].

12 Ham gübreler yaban otu tohumu ve hastalığa sebep olan mikroorganizmalar içerir. Anaerobik arıtma sonucu oluşan gübrede yaban otu tohumlarının çimlenme kabiliyeti düşer. Gübre içinde bulunan yaban otu tohumları %95 oranında bozunur. Anaerobik çürütülmüş gübrede tüm tohumlar tahrip olduğu için, çamur minimum riskli olarak kullanılır. Böylece yaban otu tohumu ile mücadele bedeli de minimize edilir [28]. Küçük veya büyükbaş hayvan çiftliklerinden oluşan atık ve atıksular toprak kirliliği, yeraltı ve yüzeysel su kirliliği ve görüntü kirliliğine yol açmaktadırlar. Ayrışabilir hayvansal atıkların emniyetsiz ve uygunsuz olarak yok edilmesi yüzey ve yeraltı suyu kirliliği, koku, toz, toprak ve amonyak emisyonunu kapsayan başlıca çevresel kirlilik problemlerine neden olur. Burada aynı zamanda sera etkisine yol açan metan emisyonuna ilişkin endişe duyulur. Anaerobik çürüme vasıtasıyla büyük miktardaki atık, yenilenebilir bir enerji kaynağı olan metana dönüştürülebilir [39]. Dış ortama gelişigüzel bırakılan gübre ve diğer atıklar zaman içinde kokuşmaya, bozulmaya (dekompozisyon) başlayıp çevreye kötü kokular, zararlı gaz ve tozlar yayacaktır. Bozulma sonucunda ise, kimyasal kirliliğin yanı sıra, görüntü kirliliği ve kötü kokular ortaya çıkar. Açıkta depolanan gübrede koku, normal koşullarda, 400 m mesafeden hissedilebilmektedir. Tavuk gübresinde bu mesafe, daha da artmaktadır. Tarlaya serilmiş gübrenin kokusu ise, yaklaşık 2000 m uzaklıktan insan tarafından algılanabilmektedir [40]. Bu nedenle gübrenin dış çevreye gelişigüzel atılıp, kontrolsüzce kullanılması durdurulmalıdır. Gübrenin tarım arazilerinde kullanılması ya da başka işlemler için bekletilmesi aşamaları da; kirliliği önleyecek koşullarda ve bilinçli yapılmalıdır [27]. Anaerobik çürüme sonucu gübre içindeki kokuya sebep olan maddeler (uçucu organik asitler ve amonyum (NH 3 )) %70-%80 azalır [41, 42]. Reaktörden çıkan gübre kokusuz ve kahve renkli olur. Hastalık yapıcı patojen mikroorganizmalar ölür. Çamur içindeki patojenler en az %90 oranında azalır. Haşerelerde önemli oranda azalma olur [28]. Organik atıklardan biyogaz eldesi küresel ısınma ile mücadelede de önemli bir role sahiptir. Organik atıkların anaerobik olarak bozundurulması sonucu oluşan biyogaz yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Biyogazın yakılması sonucu ortaya çıkan CO 2

13 biyogazın elde edilmesinde kullanılan organik atığın bünyesinde var olan ve atmosfer kaynaklı karbondur. Dolayısıyla biyogaz CO 2 nötral bir yakıttır ya da biyogazın yakılması sonucu ortaya çıkan CO 2 atmosferik CO 2 düzeyinde bir artışa yol açmaz. Biyogazın enerji eldesi için kullanımı, hâlihazırda kullanımda olan ve yakılmaları sonucu önemli miktarlarda sera gazı emisyonlarına yol açan fosil kökenli yakıtların (kömür, petrol ve doğal gaz) kullanılmaması anlamına gelecektir. Böylelikle biyogazın kullanımı ile üretilen enerji eşdeğerine karşılık gelen ve fosil kökenli yakıtların yakılması sonucu ortaya çıkan CO 2 emisyonları önlenmiş olacaktır (Şekil 2.1). Ayrıca biyogaz eldesinde kullanılan organik atıkların kontrolsüzce doğaya verildiği durumda çürümeleri sonucu neden olacakları sera gazı emisyonları (CH 4, CO 2 ve N 2 O) bu atıkların anaerobik olarak bozunmaları ve üretilen biyogazın kullanılması sonucu önlenmiş olacaktır [34, 43]. Şekil 2.1. Karşılaştırmalı gübre emisyon değerleri [44] Biyogaz üretiminin kapalı bir ortamda gerçekleşmesi çevre açısından önemlidir. Fermentasyon sırasında parçalanan kuru madde ve akıcı hale gelen gübrenin tarlaya

14 uygulanması topraktaki infiltrasyonu hızlandıracağı için NH 4 -N emisyonunu azaltmaktadır [44]. Biyogaz hava kirliliği emisyonları bazında, diğer yakıtlara göre çok temiz bir yakıttır. Biyogazın yakılması sonucu ortaya çıkan NO x ve SO 2 emisyonları herhangi bir arıtım olmaksızın A.B.'deki emisyon standartlarını sağlamaktadır (Çizelge 2.5) [34]. Çizelge 2.5. Bir otobüs farklı yakıtlarla işletildiğinde oluşan emisyonların (g/km) karşılaştırılması [45] Yakıt CO HC NOx CO 2 Partikül madde Mazot 0,2 0,4 9,7 1053 0,1 Doğal gaz 0,4 0,6 1,1 524 0,022 Biyogaz 0,08 0,35 5,4 223 0,015 Anaerobik çürümenin sera gazı emisyonlarını azalttığının en bariz örneği ise Barton ve arkadaşlarının yaptığı araştırmada ortaya konmuştur. Çalışmada, organik atıkların gelişen teknolojiye bağlı olarak sadece yok edilmediği ve enerji üretiminde hammadde olarak kullanıldığı ifade edilmiştir. Ayrıca, araştırmada hem depolama sahalarında hem farklı sistemlerde kompostlama, Anaerobik Bozundurma (AB), vb. yöntemlerle enerji üretilebildiği vurgulanmaktadır. Organik atıkların işlenmeden doğaya atılması ve atıkların enerji üretiminde kullanıldıktan sonra gübre olarak tarımda kullanılması gibi yöntemler araştırmada kıyaslanmış, hem enerji üretimi, hem de sera gazı emisyonlarının azaltılması yönünde kullanılan sistemlerin zaruri olarak öncelik kazanması gerektiği belirtilmektedir. Yapılan çalışmada, organik atıkların farklı yöntemlerle (Seçenek A-F) arıtıldığı varsayılarak sonuçta elde edilebilecek ürün ve sera gazı emisyonları hakkında değerlendirmede bulunulmuştur (Şekil 2.2). Seçenekler özelinde yapılan karşılaştırmalar ise Şekil 2.3 de verilmiş olup, bir ton atıktan seçenek F (AB + rafineleme + deponi (depolama) sahası) ile CO 2 emisyon salınımının en alt düzeyde kaldığı ve emisyon azaltımı yönünde olumlu katkı yaptığı gözlenmiştir [46, 47].

15 Şekil 2.2. Organik atıkların farklı yöntemlerle arıtılması ve elde edilecek ürün seçenekleri [46, 47] Şekil 2.3. Atıkların farklı durumlardaki arıtımlarına göre sera gazı emisyonlarına olan katkıları [46, 47]

16 Biyogaz üretmenin faydalarını aşağıdaki şekilde sıralanabilir: Oluşan metan enerji kaynağı olarak kullanılır. Mükemmel bir enerji kaynağı olan biyogaz pişirmede ve aydınlatmada kullanıldığı kadar elektrik üretiminde de kullanılabilir. İnsanlar biyogaz kullandıklarında enerji amaçlı kömür ve odun tüketimi azalır. Sindirim ortamından çıkan çamur tarımda, hatta toprak iyileştirmede kullanılan çok iyi bir organik gübredir. Sindirim esnasında özellikle insan ve hayvan atığı içinde bulunan hastalık yapıcı mikroorganizmalar, patojenleri ve solucan yumurtaları büyük ölçüde ölürler. Hayvan gübrelerinden kaynaklanan insan sağlığını ve yeraltı sularını tehdit eden hastalık etmenlerinin büyük oranda etkinliğinin kaybolmasını sağlamaktadır. Geleneksek biyolojik atıksu arıtma tesislerinde düşük olan kimyasal oksijen ihtiyacı olur. Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ) giderimi biyogaz tesisinde oldukça yüksektir. Biyogaz üretimi esnasında hayvan gübresinde bulunabilecek yabancı ot tohumları çimlenme özelliğini kaybeder. Biyogaz tesisinden çıkan hayvan gübresinin kokusu yok denecek kadar azalır. Çürümeye terk ettiğimiz organik maddelerden atmosfere salıverilen metan küresel ısınma potansiyeli yüksek olan bir gazdır. Bu gaz kontrol altına alınmış ve yakıt olarak değerlendirilmiş olur [19, 38, 41, 44, 45, 48 50]. 2.4. Dış Ülkelerde Biyogaz Çevre sorunlarının çok büyük boyutlara ulaştığı günümüzde ise yatırım ve işletme maliyetlerinde sağladığı büyük üstünlüklerden dolayı, dünyanın birçok bölgesinde anaerobik biyoteknolojinin katı-sıvı bütün organik maddelerin gideriminde kullanımı giderek artmaktadır. Yoksul ülkelerde yerel olanaklarla yapılan ilkel üretim girişimlerinin yanında, zengin ülkelerde biyogaz teknolojisi sanayi anlamda da kullanılmaktadır [51]. Gelişmiş ülkeler, teknolojik gelişmelere bağlı olarak biyokütleden enerji üretim sistemlerini araştırıp, tarımsal, hayvansal, evsel ve

17 endüstriyel atıklardan biyogaz üretim sistemlerini kurmuşlar ve merkezi enerji üretim sistemlerinde uygulayıp özellikle nemi yüksek hayvansal atıklardan üretilen biyogazdan enerji eldesi yoluna gitmektedirler. Özellikle; Danimarka, Almanya İsveç, İsviçre, İtalya ve Amerika gibi gelişmiş ülkerlerde [52], Hindistan [53,54], Nijerya [55], Latin Amerika Ülkeleri [56], Kenya [57], ve Pakistan [58] gibi hayvancılığın gelişmiş olduğu az gelişmiş ülkelerde ise enerji planlamalarında biyokütle enerjisinin kullanımına yer verilmektedir. Bu ülkelerde çiftlik türü küçük biyogaz üretim tesisleri kurularak kırsal kesimin enerji ihtiyacının önemli bir bölümü karşılanmaktadır. Latin Amerika, Hindistan, Çin, Nepal gibi Güneydoğu Asya ülkelerinde kullanılan biyogaz tesisleri genellikle 3 10 m 3 hacmindedir ve sayıları çok fazladır. Bu tesisler günde 3 10 m 3 biyogaz üretmekte ve bir ailenin günlük enerji ihtiyacını karşılamaktadır. Hindistan da 2,5 milyonun üzerinde biyogaz tesisi mevcuttur. Nepal de 145 000 in üzerinde biyogaz tesisi bulunakta olup, bu sayının dünya bankası destekleriyle yakın bir gelecekte 83 500 daha artması planlanmaktadır. Vietnam da 2005 yılana kadar 18 000 biyogaz tesisi kurulmuş olup, bu sayının 2010 yılında 150 000 e çıkarılması hedeflenmektedir. Küresel enerji tüketiminin en önemli aktörlerinden Çin de 2005 yılı itibariyle 20 milyon ev tipi biyogaz tesisi mevcuttur. Çin, bu sayıyı 2010 da 50 milyona, 2020 de 200 milyona çıkarmayı hedeflemekte ve biyogaz tesisi başına 150 $ teşvik vermektedir [13, 59]. Çin de konut tipi biyoreaktörlerde yılda 2 milyar m 3 biyogaz üretilmektedir. Yani bir aile yılda 200 300 m 3 biyogaz üretmektedir. Yine Çin de 25 milyon insan biyogaz tesislerinden elde edilen gazları 8 10 ay yemek pişirme amacı ile kullanmaktadırlar. İyileştirilmiş ucuz biyogaz sobalar ve lambalar geliştirilmiştir. Bunlar her eve dağıtılmıştır. Lambalar ve yakıcılar 2 cm su basıncı gibi düşük basınçta çalışabilme özelliğine sahiptir. 800 biyogaz tesisinde 7800 kwh kapasiteli elektrik enerjisi üretim tesisi bulunmaktadır. Bu enerji 17 000 aile tarafından kullanılmaktadır [28].

18 Danimarka, Almanya ve Avusturya gibi ülkelerde anaerobik teknolojiye yatırım yapanlar %40 lara varan yatırım teşvikleri ve düşük faizli kredi alabilmektedirler. Bu da yeni tesislerin yapılmasına büyük katkı yapmaktadır [13]. Danimarka da 2002 yılında 3,35 PJ (Peta Joule) biyogaz üretilmiştir. Bunun çoğu, hayvan gübresine dayalı biyogaz tesislerinden, atıksu arıtma tesislerindeki çamur çürütme tesislerinden ve depolama alanlarından gelmektedir [13]. Danimarka gibi biyogaz teknolojisini etkin olarak kullanan öncü ülkelerden biri de İsveç tir. İsveç de 12 civarında çiftlik tipi biyogaz tesisi mevcuttur [13]. Bu tesislerde biyogaz üretimi hayvan gübresi ve gıda endüstrisi organik atıkları karıştırılarak gerçekleştirilmektedir. Her biyogaz tesisinde yıllık ortalama 10 000 ton hammadde, biyogaz üretiminde kullanılmaktadır. 1990 ların ortalarından sonra 12 civarında, Danimarka daki merkezi biyogaz tesislerine benzer büyük biyogaz tesisleri kurulmuştur. Bu tesislerde hayvan gübresi diğer organik kökenli evsel ve endüstriyel atıklarla karıştırılarak kullanılmakta ve her tesis yıllık 20 000 70 000 ton hammadde kullanmaktadır. Ayrıca İsveç de hemen hemen bütün şehir arıtma tesislerinin aktif çamurunu anaerobik olarak çürütüp biyogaza dönüştürmek üzere aktif çamur tesislerinin yanında 135 adet çamur çürütücü kurulmuştur. İsveç en fazla biyogaz enerjisini aktif çamurun anaerobik çürütülmesinden elde etmektedir [14]. Almanya, biyogaz teknolojisini en etkin kullanan ülkelerden biridir. 1999 da 850 olan biyogaz tesisi sayısı, hükümetin uyguladığı teşvikler sayesinde, hızla artmış 2006 da 3500 e çıkmış bugün ise 4000 civarında biyogaz tesisi mevcuttur. Bu tesislerin çoğu çıkan biyogazı arıttıktan sonra elektrik üretiminde kullanmaktadır. Almanya, 2020 yılına kadar biyogaz tesisi sayısını 43000 e çıkarmayı planlamaktadır. Rusya da 70 den fazla, Kazakistan da 30 civarında biyogaz tesisi mevcuttur. Ayrıca Rusya da küçük hacimli (3 10 m 3 ) ev tipi biyogaz tesislerinde kullanılmaktadır. İngiltere de 75 civarında biyogaz tesisi mevcuttur. Gelişmiş ülkelerde tasarlanan biyogaz tesislerinin hacimleri gittikçe artmaktadır [59, 60].

19 Avrupa Topluluğu ülkelerde hayvan gübresi kullanılarak inşa edilen biyogaz tesisi sayısı ve biyogaz üretimi miktarı Çizelge 2.6 da verilmiştir. Çizelge 2.6. Avrupa Topluluğu ülkelerinde biyogaz tesisi ve biyogaz üretimi [28] Ülkeler Biyogaz Biyogaz Üretimi Tesisi Sayısı TWh/yıl PJ Avusturya >90 1 410 32 900 Danimarka 39 45 150 1 052 090 Hollanda 3 1 960 45 630 İtalya 70 6 880 160 250 Norveç 4 0 620 14 450 Portekiz 16 1 520 35 300 İspanya 6 0 026 625 İsveç 12 19 430 452 700 İsviçre 59 1 790 41 700 2.5. Biyogaz Üretim Aşamaları Biyogaz üretimi farklı rolü olan mikroorganizmaların bulunduğu karmaşık bir biyokimyasal süreçtir. Burada genellikle başlıca iki grup bakteri (asit bakterileri ve metan bakterileri) esas görevi üstlenirler. Başlıca anaerobik mikroorganizma grupları; Asit Bakterileri a) Bütirik/propiyonik asit üretenler b) Asetik asit üretenler Metan Bakterileri a) Asetik asit kullananlar b) Hidrojen kullananlar

20 Anaerobik parçalanma farklı mikroorganizma gruplarının rol aldığı oldukça karmaşık bir biyokimyasal işlemdir. Oksijene karşı hassas olan veya oksijen varlığında tamamen inhibe olan bu bakteri grupları organik maddeleri biyolojik yollarla CH 4 ve CO 2 ye dönüştürür. Bu dönüşümler temel olarak üç safhada gerçekleşir (Şekil 2.4) [61]. Şekil 2.4. Anaerobik çürümenin aşamaları [22] İlk aşamada yüksek molekül ağırlıklı katı ve çözünmüş organik maddeler bakterilerin hücre dışı enzimleriyle hidrolize uğrayarak daha düşük molekül ağırlıklı organik maddelere dönüşür. Asit üretimi aşamasında ise düşük molekül ağırlıklı organik maddelerin asit bakterilerince muhtelif uçucu yağ asitlerine ve ardından da astetik asite dönüştürülür. Son aşamada ise asit üretimi aşamasında üretilen asetik asitin parçalanmasıyla veya CO 2 ve H 2 senteziyle metan üretimi gerçekleşir [22]. Organik maddeler anaerobik şartlarda çürüdüğü zaman reaksiyon teorik olarak C c H h N n S s + yh 2 O xch 4 + (c-x)co 2 + nnh 3 + sh 2 S şeklinde gerçekleşir [28]. Kompleks organik maddelerin havasız ayrışması en genel halde hidroliz aşaması, asit üretimi aşaması ve metan üretimi olmak üzere üç aşamalı bir işlem halinde ele alınabilir (Şekil 2.5) [5].

21 Şekil 2.5. Anaerobik çürüme kademeleri [28] 2.5.1. Hidroliz Hidroliz, organik maddelerin mikroorganizmalar tarafından monomerlerine (yapı taşı) dönüştürülmesi olayıdır. Anaerobik ayrışma çok basamaklı bir süreçtir, hidroliz başlıca adımlardan biridir. Hidroliz boyunca karmaşık yapıda olan çözünemeyen substrat makromoleküller (protein, yağ, karbonhidrat) bakteriler tarafından daha basit ve daha çözünebilir ara ürünlere (yağ asiti, gliserin, aminoasit, peptit, disakkaritler, vs.) hidrolize olurlar [62 64]. Bu aşamada selüloz, lignin ve hemiselüloz gibi karbonhidratlar glikoz, pentoz ve heksoza; proteinler, polipeptid ve aminoasitlere ve yağlar ise alkoller, asitler ve hidrojene dönüşmektedir [65]. Fakat bazı bileşikler anaerobik bakteriler tarafından kolaylıkla parçalanamamaktadır veya yavaş hidrolize olmaktadırlar. Bu durumda hidroliz hız sınırlayıcı basamak olarak kabul edilmektedir ve substratın anaerobik arıtma için uygunluğu belirlenmelidir [66, 67].

22 Bakterilerin hücre dışı enzimleri partikül substratları küçük taşınabilir moleküllere hidroliz ederler, hidrolize olan bu küçük taşınabilir moleküller hücre zarı arasından geçebilir. Enerji sağlamak için ve hücresel bileşenler sentez etmek için hücre içerisinde bu basit moleküller kullanılır. Polisakkaritler basit şekerlere dönüştürülür, selülozun hidrolizi selülaz enzimi tarafından gerçekleşir glukoz oluşur, hemiselülozun hidrolizi ise xyloz, glikoz, pentozos, arabinoz ve mannoz gibi monosakkaritlere indirgenmesi ile sonuçlanır. Nişasta da amilaz enzimi tarafından glukoza dönüştürülür [62, 68 70]. Hidroliz hücre dışı enzimlerle gerçekleştirilen oldukça yavaş bir süreçtir. Reaksiyon hızını etkileyen en önemli faktörler ph, sıcaklık ve çamur yaşıdır (mikroorganizma bekleme süresi). Yağlar çok yavaş hidrolize olduğundan önemli oranda yağ ve diğer yavaş hidrolize olan maddeler ihtiva eden atıkların havasız arıtımında hidroliz hız sınırlayıcı bir faktör olabilmektedir [71]. Özellikle bazı selülozlu atıkların havasız arıtımında da hidroliz sınırlayıcı rol oynar. Lignin de oldukça karmaşık bir maddedir ve rastgele moleküler yapısı dolayısı ile anaerobik şartlarda hiç hidrolize olmaz veya reaksiyon hızı çok düşük olur [28]. Birinci kademede çamur içindeki çözünür olmayan organik maddeler mikroorganizmaların salgıladığı ekstra selular enzimlerle çözünür hale dönüştürülür. Bakteriler; uzun zincirli kompleks karbonhidratları, proteinleri, yağları ve lipitleri kısa zincirli yapıya dönüştürürler. Bazı liftli organik maddeler çözünür hale dönüştürülemez. Dolayısıyla bu maddeler biyoreaktörde birikebilir veya reaktörden bozunmadan çıkabilir. Su ve inorganik maddeler biyoreaktörde değişmeden birikebilir veya reaktörden çıkabilir. Sindirilmemiş organik maddeler koku problemi oluşturur [28]. Uzun zincirli polisakkaritler mono sakkkaritlere, proteinler peptidlere ve aminoasitlere dönüşürler. Selülöz ve lignin gibi kompleks maddeler zor hidrolize olurlar veya hiç hidrolize olmazlar. Bu tür maddelerin bozunma reaksiyon hızı çok düşüktür [28].

23 2.5.2. Asit oluşumu Asit oluşturucu bakteriler, çözünür hale dönüşmüş organik maddeleri asetik asit başta olmak üzere uçucu yağ asitleri, hidrojen (H 2 ) ve karbondioksit (CO 2 ) gibi daha küçük yapılı maddelere dönüştürürler. Bu bakteriler anaerobiktir. Asidik şartlarda büyürler. Asetik asit gibi uçucu yağ asit bakterilerinin büyümesi ve çoğalması için oksijene ve karbona ihtiyaçları vardır. Bakteriler çözeltideki bağlı haldeki oksijeni kullanarak sağlarlar. Asit oluşturucu bakteriler metan oluşturucu bakteriler için anaerobik şartlar oluştururlar. Uçucu yağ asitlerden başka asit bakterileri organik bileşikleri daha düşük moleküllü alkollere, organik asitlere, aminoasitlere, karbondioksite, hidrojen sülfüre ve esas miktarda metana dönüştürürler. Asit üretim hızı metan üretim hızına göre daha büyüktür. Organik madde yoğunlaşmasındaki ani artışlar asit üretiminin artmasına ve ph düşmesine neden olur. Buda metan bakterileri üzerinde inhibasyon etkisi yapar [28]. Asit üretimi safhasında hidroliz ürünleri asetik asit veya reaktördeki işletme şartlarının kararlı olmaması halinde, propiyonik, butirik, izobutirik, valerik ve izo valerik asit gibi ikiden fazla karbonlu yağ asitlerine dönüştürülür. Asit üretimi safhasında iki farklı bakteri grubu görev yapmaktadır. Birinci grup bakteriler (fermentasyon veya asidojenik bakteriler), organik polimerlerin hidrolizinde ve müteakiben de açığa çıkan oligomen ve monomerler gibi hidroliz ürünlerinin organik asit ve solventlere dönüştürülmesinde rol alırlar. Bazı asidojenik bakteri türleri (homoasetik bakteri) karbonhidratları kullanarak asetik asit üretirler. Diğer bir tür de belli şartlarda H 2 üretir [5]. Asetik asit bakterileri çoğalmaları için gerekli enerjiyi organik asit ve solventlerin asetik asit, H 2 ve CO 2 e parçalanması sonucu açığa çıkan enerjiden sağlarlar. Termodinamik sebeplerle asetik asit bakterileri sadece H 2 kullanan mikroorganizma alt grupları ile birlikte yaşarlar. Asetik asit bakterileri aynı zamanda H 2 üreten asetojenik bakteriler olarak da anılmaktadır [5].

24 Uçucu yağ asitlerini asetik aside dönüştüren asetojenik (asit oluşturan) bakteri grupları devreye girmekte ve bir kısım asetojenik bakteriler uçucu yağ asitlerini asetik asit ve hidrojene dönüştürmektedir [5]. Diğer bir kısım asetojenik bakteri grubu ise aşağıdaki denklemde görüldüğü gibi açığa çıkan karbondioksit ve hidrojeni kullanarak asetik asit oluşturmaktadır. 2CO 2 + 4H 2 CH 3 COOH + 2H 2 O Ancak bu ikinci yolla oluşan asetik asit miktarı, birinciye oranla daha azdır [5]. 2.5.3. Metan oluşumu Metan oluşturucu bakteriler, asetik asitlerini parçalayarak ve/veya hidrojen (H 2 ) ile karbon dioksit (CO 2 ) nin sentezi sonucu biyogaza dönüştürürler. Havasız şartlarda üretilen metanın yaklaşık %30 u hidrojen gazı ile karbondioksit gazından, %70 i ise asetik asit in parçalanmasından oluşur. Tüm uçucu organik asitler ve çözünen organik bileşikler biyogaza dönüşmez. Bazı organik maddeler arıtılmadan deşarj olur [28]. Metan üretim süreci yavaştır. Havasız arıtmada hız sınırlayıcı safha olarak kabul edilmektedir [28]. Metan oluşturucu bakterilerin kullanılabilecekleri besin maddeleri oldukça sınırlı olup bunlar asetik asit, hidrojen (H 2 ) ve tek karbonlu bileşiklerdir. Sulu ortamlardaki dip çamurları ve evsel çamur, çürütme tesislerindeki CH 4 in %70 ı, asetik asitin metil grubundan, geri kalanı ise CO 2 +H 2 den üretilmektedir [28]. Metan oluşturucu bakteriler asidojenik ve asetojenik bakterilerin aksine çevresel şartlara karşı çok hassastırlar [28]. Anaerobik fermantasyonun üçüncü aşamasında devreye giren ve metan oluşumunu sağlayan metan bakterileri, fermantasyon ortamının sıcaklığına göre üç gruba ayrılır [72].

25 Psikofilik Bakteriler : 5 25 C Mezofilik Bakteriler : 25 38 C Termofilik Bakteriler : 50 60 C Metan, asetik asitin parçalanması ve/veya H 2 ve CO 2 in sentezi sonucu üretilir [72]. CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Havasız reaktörlerde üretilen CH 4 in yaklaşık %30 u H 2 ve CO 2 den, %70 i ise asetik asitin parçalanmasından oluşmaktadır [72]. 2.6. Biyogaz Üretimini Etkileyen Faktörler Biyogaz üretimini etkileyen en önemli faktörleri aşağıdaki şekilde sıralayabiliriz: Reaktör sıcaklığı Hidrolik bekleme süresi Organik yükleme hızı Besleme sıklığı Katı madde içeriği Asitlik bazlık derecesi (ph) Karbon azot oranı (C/N) Toksisite Karıştırma Köpük oluşumu ve kontrolü 2.6.1. Reaktör sıcaklığı Metanojenik bakteriler çok yüksek ve çok düşük sıcaklık şartlarında aktif değildirler. Biyokimyasal reaksiyonlar ve mikroorganizmaların büyümesi sıcaklık artışı ile artar.

26 Metan oluşturucu bakteriler sıcaklık değişimine karşı çok hassastırlar. Biyoreaktörlerde biyokimyasal reaksiyon esnasında aşağıdaki sıcaklık aralıkları korunmalıdır. Bunlar mikroorganizmalar belli sıcaklık aralığında optimum büyüme sağlamakta olup, sıcaklık aralıkları aşağıda sıralanmaktadır [64]. Psikofilik sıcaklık aralığı : > 12 20 o C, Mezofilik sıcaklık aralığı : 20 40 o C, Termofilik sıcaklık aralığı : 40 65 o C. Biyokimyasal reaksiyonla metan üretim hızı, sıcaklık artışı ile artar. Termofilik sıcaklık şarlarında mezofilik sıcaklık şartlarına göre biyokimyasal reaksiyonlar daha hızlı gerçekleşir. Termofilik şartlarda metan üretim hızı mezofilik şartlara göre 2 kat daha fazladır. Dolayısıyla reaktör hacmi mezofilik şartlara göre yarı yarıya daha küçüktür. Termofilik şartlarda mezofilik şartlara göre aynı hidrolik bekleme süresinde daha yüksek organik yükleme yapılabilir. %15,8 oranında katı madde içeren hayvan gübresi termofilik şartlarda çalışan bir reaktörde çürütülürken gerekli hidrolik bekleme süresi 6,3 gün iken mezofilik şartlarda bu süre 10,4 gündür. Ancak biyoreaktörü termofilik şartlarda çalıştırmak için ilave ısıya ihtiyaç vardır. Yüksek sıcaklıkta çalışıldığı zaman serbest amonyak miktarı sıcaklık artışı ile arttığı unutulmamalıdır. Bu da biyoreaktör performansını olumsuz yönde etkileyebilir, hatta verimliliği azaltabilir [28]. Biyoreaktör sıcaklığı 22 o C nin üzerinde tutulduğu zaman daha iyi performans sağlanabilir. Biyoreaktör sıcaklığı 22 o C nin altına düştüğü zaman biyogaz üretimi düşer. Bu sıcaklıkta biyogaz tesisinin işletilmesi ekonomik değildir. Çevre sıcaklığı 10 o C nin altına düştüğünde gaz üretimi durur (Şekil 2.6) [28].

27 Şekil 2.6. Psikofilik (0), Mezofilik ( ), Termofilik ( ) sıcaklık koşullarının biyogaz üretim hızı üzerinde etkisi (%4 Katı madde) [73] Biyoreaktörlerde sıcaklığın ani olarak değişmesi bakterilerin faaliyetlerini olumsuz yönde etkiler. Bu da biyokimyasal reaksiyonu yavaşlatır. Biyogaz güç üretim tesisinin ısısından faydalanılarak reaktörün sıcaklığı sabit tutulabilir [64]. Biyoreaktörlerde sıcaklığın ani olarak değişmesi bakterilerin faaliyetlerini olumsuz yönde etkiler. Bu da biyokimyasal reaksiyonu yavaşlatır. Biyogaz güç üretim tesisinin ısısından faydalanılarak reaktörün sıcaklığı sabit tutulabilir [64]. Biyoreaktörlerde biyokimyasal reaksiyon esnasında sıcaklık korunmalıdır [64]. Psikofilik şartlarda : ±2 o C/saat Mezofilik şartlarda : ±1 o C/saat Termofilik şartlarda : ±0.5 o C/saat Biyoreaktörler yeraltında kurulduğu zaman gece ile gündüz arasındaki sıcaklık dalgalanması büyük ölçüde önlenmektedir. Mikroorganizmalar kısa süreli sıcaklık

28 değişimlerine karşı dayanıklıdırlar. Tesislerin yerden bir metre derinlikte kurulması gerekmekte olup, çoğu küçük reaktörler mezofilik şartlarda çalıştırılmakta ve uygun değer sıcaklık 35 o C kadardır [28]. Biyoreaktörlerin çevresel şartlardan minimum etkilenmesi ve ısısının korunması için yalıtılmasında yarar vardır. Çoğu Avrupa ve A.B.D. deki tesislerde reaktörler yalıtılır. Reaktörler zemin altına yapılırsa reaktör atmosferik sıcaklık değişiminden minimum etkilenir. Gelişmekte olan ülkelerde uygulama genellikle bu yöndedir [28]. Mezofilik şartlarda çürüme sonucu oluşan katı madde miktarı termofilik şartlara göre daha fazladır [28]. Biyogaz tesislerinde ısı kontrolünün sağlanması amacıyla güneş enerjisinden yararlanılabileceği gibi en pratik ve en yaygın kullanılan sistem, tesisin içine yerleştirilen serpantinlerin (sıcak su boruları) kullanılmasıdır. Bu sistemde su, tesis tarafından sağlanan biyogaz ile ısıtılarak dolaşım pompası ile tesis içine yerleştirilen serpantinler içinde dolaştırılarak ısıtma sağlanmaktadır [74]. Anaerobik çürütme istemleri sıcaklık değişimlerine (özellikle ani sıcaklık düşüşü) karşı, aerobik sistemlere göre çok daha hassastır. Anaerobik çürütücünün uygun değer işletme sıcaklığı 30 35 C dir. Bu sıcaklık tank içine yerleştirilen ısıtıcılarla sağlanabilir. Isıtma için tesisten elde edilen biyogazdan ve güneş enerjisinden faydalanılabilir. Ayrıca tesisi sera içine almak, siyaha boyamak gibi yöntemler de kullanılabilir. Çürütücünün ısı yalıtımı iyi bir şekilde yapılmalıdır. Çürütme çamurunda özellikle soğuk kış aylarında görülebilecek bir sıcaklık düşüşü, yetersiz ısıtma kapasitesi ya da tankın dış yüzeylerinde yetersiz yalıtımdan kaynaklanabilir [75]. 2.6.2. Hidrolik bekleme süresi Hidrolik bekleme süresi (HBS), gübre içindeki organik maddelerin bakteriler tarafından çürütülmesi sonucu biyogaz üretmesi için gerekli olan süre olarak tarif edilir. Eş. 2.1 deki şekilde de ifade edebiliriz [28].

29 (2.1) Reaktör içindeki bazı organik maddeler tam olarak biyokimyasal reaksiyona girdiğinde zamanla gaz üretimi azalmaya başlar. Seçilen hidrolik bekleme süresi içinde besi maddelerinin %70 %80 oranında biyokimyasal reaksiyona girerek yok olduğu kabul edilir. Biyogaz tesislerinde işletme sıcaklığına bağlı olarak HBS 20 ile 120 gün arasında değişir [28]. Sürekli beslemeli sistemlerde, bakterilerin reaktörlerden kaçmasını önlemek ve bakterilerin iki katına çıkmasını temin için HBS süresi daha uzun seçilebilir. HBS süresinin düşürülmesi, çürütülecek malzemeye bağlı olarak değişir. Hayvan atıklarında HBS ni etkileyen en önemli basamak hidroliz kademesidir [28]. Hayvan gübresinde bulunan organik maddelerin çürümesi aşağıdaki sırada gerçekleşir [28]. Karbonhidratlar Yağlar Proteinler Hemi selüloz Selüloz Mezofilik şartlarda ortalama HBS gübre çeşidine göre değişkenlik gösterir [28]. Sıvı Sığır Gübresi :12 30 gün Saman Yataklı Sığır Gübresi :18 36 gün Sıvı Domuz Gübresi :10 25 gün Bitki ile Karıştırılmış Sığır Gübresi :50 80 gün Sıvı Tavuk Gübresi :20 40 gün

30 Hidrolik bekleme süresi yeterli olmazsa reaktörden bakteriler daha hızlı kaçar ve uçucu yağ asidi konsantrasyonu artar. Buda biyogaz üretiminin düşmesine neden olur. Fermantasyon tam olarak gerçekleşmez. Bu problem, tarımsal biyogaz tesislerinde nadiren gerçekleşir [28, 64]. Reaktör sıcaklığı arttıkça hidrolik bekleme süresi düşer. Yüksek sıcaklıkta biyokimyasal reaksiyonlar daha kısa sürede gerçekleşir. Dolayısıyla hidrolik bekleme süresini uygulanacak sıcaklığa göre seçmek gerekir [28, 64]. 2.6.3. Organik yükleme hızı (OYH) Organik yükleme hızı, birim hacim (m 3 ) biyoreaktörlere günlük olarak beslenen organik madde miktarı olarak tarif edilir. Hayvan gübresi içindeki organik madde muhtevası (OMM) Eş. 2.2 deki şekilde hesaplanabilir [28]. (2.2) Organik Yükleme Hızını Eş. 2.3 deki şekilde hesaplayabiliriz (kg/m 3 gün) [28]. (2.3) Mezofilik şartlarda çalışan reaktörlerde uygun değer OYH aşağıdaki gibidir [28]. Sığır Gübresi İlave Besin Maddeli Sığır Gübresi Domuz Gübresi :2,5 3,5 kgum/m 3.gün :5,0 7,0 kgum/m 3.gün :3,0 3,5 kgum/m 3.gün alınır. Anaerobik arıtma esnasında mümkünse uygun değer organik yükleme hızı korunmalıdır. Organik yükleme hızı yüksek olduğunda biyoreaktör içinde asit birikmesi olur ve ph düşer. ph ın düşmesi metanojenik bakterilerin faaliyetlerini

31 olumsuz yönde etkiler. Bu da gaz üretim hızını düşürür. Hatta durdurur. Benzer şekilde organik besleme hızı düştüğü zaman gaz üretim hızı düşer [28]. 2.6.4. Besleme sıklığı Düzenli bir gaz üretimi ve sıcaklık kontrolünü sağlamak için çürütücüyü sık aralarla, örneğin günde birkaç kez beslemekte yarar vardır. Besleme sıklığının artması organik maddenin parçalanma hızını yükseltmektedir [76]. Çünkü düzenli bir gaz üretimi için karışım içerisindeki katı madde miktarının sabit tutulması gerekmektedir. Katı madde miktarını sabit tutabilmek için günlük besleme karışımına katılacak su ve gübre miktarları ile günlük besleme miktarları hesaplanır. Besleme Sıklığı Eş. 2.4 deki şekilde hesaplanabilir [5]. (2.4) 2.6.5. Katı madde içeriği Kullanılan substratta katı madde içeriğindeki artış, metanojenlerin aktivitesini kademeli olarak yavaşlatır ve sonuç olarak biyogazın kalitesi düşer [22]. Biyogaz tesislerinde katı madde oranının %7 %12 civarında olması önerilmektedir [23]. Anaerobik sistemlerde maksimum biyogaz üretim veriminin reaktöre verilen hammaddedeki katı maddenin kütlece %6 %10 arasında olduğunda gerçekleştiği ve metan üretim veriminin, kütlece %12 katı madde oranının aşılması durumunda ise düştüğü görülmektedir [77 79]. Anaerobik ayrışma ortamındaki katı madde oranı çok yüksek ise karıştırma işleminin zor olmasından ve karıştırma için harcanan enerji daha fazla olacağında biyogaz üretim miktarı düşer. Katı madde oranının çok düşük olması ise mikroorganizmalar tarafından tüketilecek substrat miktarının az olması anlamına gelmektedir dolayısıyla bu durumda da biyogaz üretim miktarı düşer [5].

32 2.6.6. Asitlik veya bazlık derecesi (ph) Biyogaz üretiminde ph derecesinin, reaksiyon hızı ve diğer parametrelere önemli bir etkisi vardır. Anaerobik çürüme için ideal ph 6 8 arasındadır. Asit üreten bakteriler metan üreten bakterilerden daha hızlı çoğaldıklarından asit üretimi sistemde artarak metan üreten bakterilerin aktivitesini düşürebilir. Bu sebeple sistemin ph sı sürekli kontrol altında tutulmalıdır [80]. Metan oluşturucu bakteriler nötr veya hafif alkali ortamda yaşarlar. Fermantasyon işlemi anaerobik şartlarda kararlı olarak devam ederken ortamın ph değeri normal olarak 7 7,5 arasında değişir. Karbon dioksit-bikarbonat (CO 2 -HCO - 3 ) ve amonyakamonyum (NH 3 -NH + 4 ) in tamponlama etkisinden dolayı ph seviyesi nadiren değişir. Bio karbonatlar ph ın düşerek metanojenik mikroorganizmalar üzerine ters etki yapmasını önler. Çünkü bi karbonatlar çürüme esnasında oluşan uçucu yağ asitlerinin serbest yağ asitleri halinde değil de bağlı halde tutulacağı için ph değerini düşürme etkisini önler [28]. Eğer biyoreaktörün ph ı 6,7 nin altına düşerse, bu durum metan oluşturucu bakteriler üzerinde toksit etki yapar. Anaerobik arıtma için ideal ph aralığı 6,8 7,8 dir. ph 6,5 altına düştüğü zaman gaz üretimi tamamen düşer. ph düştüğünde bu durumdan metan oluşturucu bakteriler olumsuz etkilenir. Dolayısıyla ortamda asit oluşturucu bakteri konsantrasyonunda artma olur. Reaktörde yağ asidi konsantrasyonu belli değerin üzerine çıktığında metan oluşumu tamamen durur. Bu durum özellikler aşırı organik yükleme ve sıcaklığın şok olarak düşmesinden dolayı meydana gelir [28]. Biyoreaktörlerde ph düştüğü zaman iki yaklaşım uygulanır. Birinci yaklaşımda organik madde beslemesi kesilmelidir. Böylece ortamda metanojenik mikroorganizmaların konsantrasyonu artırılarak yağ asidi konsantrasyonu azaltılabilir. ph kabul edilebilir seviyeye yükseldikten sonra (ph=6,8 gibi) çamur beslenmesine tekrar devam edilir. İkinci yaklaşım ph i yükseltmek ve tamponlama kapasitesini artırmak için ortama kimyasal maddeler ilave edilir. Kimyasal madde

33 ilave etmenin en önemli avantajı ph derhal kararlı hale gelebilir. Dengesiz populasyonlar hızlı şekilde kendisini düzeltmeye çalışırlar. Kimyasal madde olarak sönmüş kireç (kalsiyum hidroksit) ve soda (sodyum bikarbonat) çözeltileri ilave edilebilir. Her iki madde de Türkiye de bol olarak bulunmaktadır. Sodyum bikarbonat biraz pahalıdır. Fakat kalsiyum karbonat gibi ilave bir katı madde oluşturmaz [28]. 2.6.7. Karbon azot oranı (C/N) Tüm besi maddeleri, hayvan gübreleri, insan atıkları, mutfak atıkları v.b. belli oranlarda karbon, azot ve oksijen içerirler. Organik maddelerdeki karbon, anaeorobik bakterilerin enerji ihtiyacı için gereklidir. Karbondan başka en önemli besi maddeleri azot ve fosfordur. Azot bakterilerin büyümesi ve çoğalması için gereklidir [28]. Besi maddesinde azot bulunmasının iki faydası var. Birincisi, aminoasitlerin, proteinlerin ve nükleik asitlerin sentezi için gerekli elementi sağlar. İkincisi, amonyağa dönüşen azotun uçucu yağ asitlerini tamponlayarak ph ın düşmesini önler. Böylece metan oluşturucu bakterilerin büyümesi için uygun ph şartlarının sağlanması oldukca önemlidir [28]. Besi maddesindeki bileşikler, biyoreaktörde mevcut farklı bakteriler tarafından kullanılırlar. Metabolik işlemler için gerekli C/N oranı bakteriler için uygun olmalıdır. C/N oranı 23/1 den büyük olduğunda uygun değer çürüme için uygun değildir. Yine C/N oranı 10/1 den küçük olduğunda bakteriler üzerinde engelleyici etki yapmaktadır [28]. Deneysel çalışmalardan görülmüştür ki hayvan atığı içinde 5000 mg/lt. azotun bulunması biyokimyasal reaksiyon üzerine olumsuz etki yapmadığı gözlenmiştir. Organik madde içinde azot 8000 mg/lt. ise azot amonyak azotuna dönüşür. Bu engelleyici etkide en önemli rolu amonyum iyonu yerine serbest amonyak azotu oynamaktadır. Serbest amonyak azotu özellikle hidrojen (H 2 ) ile karbon dioksit gazlarından metan üretimi üzerinde engelleyici etki yapmaktadır. Asetattan metan

34 oluşumu üzerine amonyak minumum etki yapmaktadır. Hidrojen (H 2 ) tüketiminin engellenmesi, propiyonik asitin parçalanmasını zorlaştırır. Buda metanojenik bakterilerin tükettiği asetatların engellenmesi gibi hareket eder [28]. Hayvan gübresinden biyogaz üreten atıklarda C/N oranı 15/1 ila 30/1 arasında değişir. Çoğu taze hayvan gübreleri bu oranı sağlar. C/N oranı 15/1 ila 30/1 i sağlıyorsa hayvan gübresini ayrıca ayarlamaya gerek yoktur. Çeşitli hayvan gübrelerine ve evsel/tarımsal atıklara ait kuru bazda C, N, C/N oranı ve nem miktarları Çizelge 2.7 de verilmiştir [28]. Çizelge 2.7. Çeşitli gübrelerin C/N oranı [28] Gübre C % N % C/N Taze Gübredeki Su ile Oranı Nem Oranı (%) Seyreltme Sığır Gübresi 30 1.66 18 80 85 1:1 Koyun Gübresi 83.6 3.80 22 75 80 1:1 Kümes Hav. Güb. 87.5 6.55 14 70 80 1:3 Domuz Güb. 76 3.8 20 75 80 1:2 At Güb. 33.4 2.3 15 80 85 2:3 Kaz 54 2 27 70 80 2:3 Güvercin Güb. 50 2 25 70 80 1:3 İdrar 15 15 1 90 95 - Kan 36 12 3 90 95 - Balık Atığı 56 7 8 55 75 - Kesim hane Atığı 64 8 8 55 75 - Çiftlik Güb. 42 3 14 75 80 - C/N hesaplamalarında kuru madde esas alınır. Enerji üretiminde gübre içindeki su katkısı sıfırdır. Bakteriler organik maddeleri besi maddesi olarak kullanırlar. Optimum C/N oranı farklı organik maddelerin karıştırılması ile elde edilebilir. Sabit karışım sürekli gaz üretimini garanti etmek için gereklidir [28, 64].

35 2.6.8. Toksisite Mineral iyonlar, ağır metaller ve deterjanlar anaerobik arıtmada mikro organizmaların büyümelerini engelleyerek toksik etki yaparlar. Az miktarda mineral iyonlar (sodyum, potasyum, kalsiyum, magnezyum, amonyum ve kükürt) bakterilerin büyümeleri geliştirirken ağır metaller toksik etki yaparlar. 50 200 mg/lt. amonyum bakterilerin büyümesini ilerletirken 1500 mg/lt. amonyum bakteriler üzerinde toksik etki yapar. Benzer şekilde bakır, nikel, krom, çinko, kurşun gibi ağır metaller çok düşük konsantrasyonlarda bakterilerin gelişmesinde olumlu etki yaparken yüksek konsantrasyonlarda toksik etki yaparlar. Sabun gibi deterjanlar, antibiyotikler, dezenfektanlar, organik solventler bakterilerin metan üretim kapasitelerini düşürürler. Bu maddelerin hayvan gübresine karışması önlenmelidir [28]. Aşırı uçucu yağ asiti (UYA) birikimi metanojenleri inhibe edebilir, çünkü yüksek hidrojen seviyeleri propiyonik ve butirik indirgeyen asetojenleri inhibe edebilir. Gübre aynı zamanda protein ve üre gibi bileşikleri de içerir, bunların parçalanmasıyla amonyak açığa çıkar, bu asetik asit metanojenleri için etkili bir inhibitördür. Sığır gübresinin çürümesinde amonyak toksisitesi yaklaşık olarak 2,5 g/l amonyak azotu (NH 3 -N) olarak kaydedilmiştir. Domuz ve kümes hayvanları gübrelerinin çürümesinde ise 4 g/l (NH 3 -N) den daha fazla değerlerde amonyak toksisitesi kaydedilmiştir [5]. Bakterilerin büyümesinde toksik etki yapan bazı maddelerin konsantrasyonları Çizelge 2.8 de verilmiştir. Anaerobik arıtmada metan üretimi üzerine amonyak konsantrasyonun olumlu ve olumsuz etkisi Çizelge 2.9 da verilmiştir.

36 Çizelge 2.8. Anaerobik arıtmada çeşitli engelleyicilerin engelleme seviyesi [28] Engelleyiciler Engelleme Seviyesi (mg/lt) Sülfat (SO -2 4 ) 5000 Sodyum klorür ve genel tuzlar (NaCl) 40000 Nitrat (N olarak hesaplanmış) 0.05 Bakır (Cu +2 ) 100 Krom (Cr +3 ) 200 Nikel (Ni +2 ) 200 500 Sodyum (Na +1 ) 3500 5500 Potasyum (K +1 ) 2500 4500 Kalsiyum (Ca +2 ) 2500 4500 Magnezyum (Mg +2 ) 1000 1500 Mangan (Mn +2 ) 1500 üzeri NH + 4, NH 3 1500 2000 Çinko ZN 2+ 1 Ni 2+ 2 Çizelge 2.9. Amonyağın metan üretimi üzerine etkisi [28] Konsantrasyon (mg NH 3 /lt) Etkisi 5 200 Faydalı 200 1000 Ters etkisi yok 1500 3000 Yüksek ph değerlerinde engelleyici >3000 Toksik 2.6.9. Karıştırma Anaerobik çürütücülerin performansı öncelikle reaktördeki substratın bekleme süresinden, yaşayabilecek durumda olan bakteriyel popülasyon ve giren substratın birbirleri arasındaki temas derecesinden etkilenir. Verimli substrat dönüşümü elde edilmesinde, karıştırmanın önemi pek çok araştırmacı tarafından vurgulanmıştır [39,

37 80 83]. Çürütücü içerisindeki substratın karıştırılması sayesinde mikroorganizmalar üniform bir biçimde dağıtılır ve aynı zamanda ısı transferi gerçekleşir [39]. Karıştırma işlemi ayrıca çürümeyi ilerlettiği için parçacık büyüklüğünü azaltmaya ve karışımdan biyogazın serbest kalmasına yardım eder. Karıştırma, mekanik karıştırıcılarla, biyogaz geri devri ile veya çamur geri döngüsüyle çok iyi yapılabilir. Mekanik karıştırıcılar, karıştırılan her bir galon (1 gal=3.78lt) başına tüketilen enerji açısından en verimli olduğu kaydedilmiştir [39, 84]. Buna karşılık gaz sirkülasyonu ile karıştırma yapılan çürütücülerde gaz sirkülasyon hızının artmasıyla metan üretim hızının azaldığı kaydedilmiştir. Bunun nedeni ise gazın sirkülasyonu hava pompasıyla yapıldığı için bu esnada sisteme bir miktar hava sızmaktadır (geçirimli borular, sızıntı ve diğer faktörler vasıtasıyla). Havanın içerisinde bulunan oksijenin metan üretimi üzerinde inhibisyon etkisi bulunmaktadır [85]. Karıştırmanın, metanojenler tarafından üretilen metabolitlerin (gaz) giderimi, bakteriyel varlık (aşı) ve taze substratın karışması (aşılama), çökelmenin ve köpük oluşumunun engellenmesi, düzenli bir bakteriyel varlık yoğunluğunun sağlanması, etkin çürütücü hacmini azaltan ölü bölge oluşumunun önlenmesi gibi faydaları da vardır [22]. 2.6.10. Köpük oluşumu ve kontrolü Fazla miktarda gaz çıkışı çürütücülerde kaçınılmaz olarak kalıcı köpük tabakasına yol açabilir. Köpük oluşumu, gaz çıkışının fazla olduğu işletmeye alma, inhibisyon sonrası iyileşme veya organik yükteki ani artıştan kaynaklanabilir [75]. Köpük oluşumu, sıcaklık veya çamur bekleme süresinin yükselmesiyle azalır. Anaerobik reaktörde sıcaklık, köpük oluşumunu, doğrudan çamur parçacıklarına gaz kabarcıklarının adsorbsiyon etkisiyle veya dolaylı olarak ayrışma yönünü etkilemesiyle yolla etkileyebilir. Bununla birlikte yüksek köpük içeren çamur, gaz üretiminin varlığında ortaya çıkar [86].

38 Çamur bekleme süresinin aynı zamanda yağların konsantrasyonu üzerinde bir etkisi vardır, çamur partiküllerini adsorblamaya ve yüzmeye meyillidir [86, 87]. Yağ gideriminin geliştirilmesiyle birlikle köpük oluşumunun düştüğü gözlenmiştir [86]. Kesimhanelerin çıkış sularından yağ ayrımı çözünmüş hava flotasyonuyla yapılabilir. Ayrıca ph ın düşmesiyle de köpük olumunun yükseldiği gözlenmiştir. Köpüğün doğal sabun maddesi olan stearik ve palmitik asit gibi uzun zincirli yağ asitlerinin reaktörde geçici olarak birikimi ile enzimatik hidroliz yoluyla parçalanmaları sonucu oluştuğu yolunda görüşler de vardır [75]. Böyle durumlarda çamur beslemesinin birkaç günlüğüne kesilmesi köpüğün önlenmesi için yeterlidir. Hidrolik bekleme süresinin 10 günden küçük olduğu hallerde de köpük sorunu yaşanmaktadır. Çürütücü üst kısmındaki kararlı köpük tabakasını ortadan kaldırmak üzere mekanik karıştırma ve bu kısma köpük söndürücülü su püskürtme gibi tedbirlere de başvurulmaktadır [5]. 2.7. Biyogaz Üretiminde Kullanılan Sistemler Biyogaz üretiminde besleme sıklığına göre değişen sistemler vardır. 2.7.1. Kesikli (Batch) fermantasyon Tesisin reaktörü hayvansal ve/veya bitkisel atıklar ile doldurulmakta ve alıkoyma - bekletme süresi kadar bekletilerek biyogazın oluşumu tamamlanmaktadır. Kullanılan organik maddeye ve sistem sıcaklığına bağlı olarak bekleme süresi değişmektedir. Bu süre sonunda tesisin fermantörü (reaktörü) tamamen boşaltılmakta ve yeniden doldurulmaktadır [19]. 2.7.2. Beslemeli kesikli fermantasyon Burada reaktör başlangıçta belirli oranda organik madde ile doldurulmakta ve geri kalan hacim mayalanma süresine bölünerek günlük miktarlarla tamamlanmaktadır. Belirli mayalanma süresi sonunda mayalayıcı tamamen boşaltılarak yeniden doldurulmaktadır [19].

39 2.7.3. Sürekli fermantasyon Bu mayalanma biçiminde reaktörden gaz çıkışı başladığında günlük olarak besleme yapılır. Sisteme aktarılan karışım kadar gazı alınmış çökelti sistemden dışarıya alınır. Organik madde mayalayıcıya her gün belirli miktarlarda verilmekte, alıkoyma süresi kadar bekletilmekte ve aynı oranlarda mayalanmış madde günlük olarak mayalayıcıdan alınmaktadır. Böylece günlük beslemelerle sürekli biyogaz üretimi sağlanmaktadır [19]. 2.8. Biyogaz Tesisleri Biyogaz tesisleri büyüklüklerine kullanım amaçlarına göre sınıflandırılmaktadır. 2.8.1 Aile tipi biyogaz tesisleri Aile tipi 6 12 m 3 kapasiteli sabit kubbeli biyogaz tesisleri Çin de çok yaygın bir biçimde kullanılmakta ve bu tip tesislerde oluşan biyogaz tesis içinde (kubbe bölümünde) toplanmakta ayrı bir gaz depolama tankı kullanılmamaktadır [88]. 2.8.2. Çiftlik tipi biyogaz tesisleri 50 100 150 m 3 kapasiteli, hayvan sayısının az olduğu, küçük ölçekli işletmelerde kurulumunun ve işletiminin ucuz olması nedeniyle tercih edilen tesis tipleridir. Çin, Nepal, Hindistan ve Brezilya gibi gelişmekte olan ülkerlerde küçük ölçeklileri, Avrupa ülkelerinde ise daha büyük modelleri yaygın olarak kullanılmaktadır [88]. 2.8.3. Köy tipi biyogaz tesisleri 100 200 m 3 kapasiteli, birbirine yakın çiftliklerin atıklarının birleştirilerek kullanıldığı böylece işletme giderlerinin azaltıldığı tesis tipleridir [88].

40 2.8.4. Merkezi tip biyogaz tesisleri Pek çok çiftliğin atıklarının belli bir merkezde toplanarak işlendiği çürütücü tipleridir. Tesisler 1000 8500 m 3 hacminde ve 1000 15000 m 3 /gün biyogaz üretecek kapasitededir. Elde edilen biyogaz daha çok elektrik üretiminde kullanılır. Tesislerden elde edilen gübre tekrar üreticiye dağıtılarak değerlendirilir [88]. 2.9. Biyogaz Üretiminde Kullanılan Anaerobik Reaktörler Biyogaz üretiminde kullanılan reaktörler kullanılan atığa, sistemin kullanım amacına, biyogaz üretim miktarına, biyogaz üretim tesisinin büyüklüğüne göre değişmektedir [88]. 2.9.1 Sabit kubbeli reaktörler İmkânların kısıtlı olduğu kırsal kesimde eldeki malzemelerle rahatlıkla yapılabilen reaktörler, 1930 larda Çin de kullanılmaya başlanmış, sistem toprağa gömülü olarak inşa edilmiş su ve hava sızdırmazlığı sağlanmıştır. Bazı küçük sistemlerle evde yemek pişirme, aydınlanma gibi ihtiyaçların karşılanabildiği verimi düşük sistemlerdir [88]. 2.9.2. Hareketli kubbeli reaktörler 1950 lerde Hindistan da kullanılmaya başlanan bu sistem sabit kubbeli reaktörlerin geliştirilmiş tasarımlarıdır. Sabit kubbeli reaktörlere göre avantajı kubbenin hareketli oluşu sebebiyle basıncın kontrolüyle verimin sabitlenmesi olmasına karşın dezavantajı işçilik ve kubbede kullanılan malzemelerin maliyetinin fazla olmasıdır [88].

41 2.9.3. Torba reaktör 1960 larda Tayvan da ülkedeki inşaat malzemeleri ve işçiliğin pahalı oluşu nedeniyle, daha ucuz olan PVC, plastik gibi sızdırmaz malzemeler kullanılarak geliştirilen, torba reaktör içlerine atıkların doldurulduğu kapalı sistemlerdir [88]. 2.9.4. Sabit film reaktörleri Bu reaktörlerde anaerobik işlemleri gerçekleştiren bakteriler reaktör içindeki plastik, kum, PVC, seramik veya toksik olmayan farklı destek maddelerinden oluşan dolgu materyallerinin üzerine tutunurlar. Atıklar reaktör içindeki dolguda tutunan bakterilerin üzerlerinden akarken, çözünerek gaza çevrilir. Ancak parçacıkları büyük olan katıları bakteriler parçalamaya fırsat bulamayabilirler. Bu yüzden bu tip reaktörler özellikle atık suların işlenmesiyle biyogaz üretilmesinde uygundur. Sistemin avantajı kuruluşlarının kolay olması, mekanik karıştırma gerektirmemesi olmasına rağmen dezavantajı hacimlerinin dolgu maddesine bağlı olduğundan büyük olmalarıdır [88]. 2.9.5. Yukarı akışlı anaerobik biyoreaktör Herhangi bir dolgu materyali olmasa da yüksek derişimlerde tutuklanmış bakteriler reaktörün tabanında örtü şeklinde tabaka oluşturan büyük granüllü artıklara tutunurlar ve sisteme beslenen atıklar sistemin tabanındaki bu katmandan geçerken gaz çıkışını sağlayan reaksiyonlar gerçekleştirirler. 1980 lerde Hollanda da geliştirilen, endüstride yaygın olarak kullanılan reaktörlerdir. Tasarımı yardımıyla yüksek yükleme miktarlarına dayanıklıdır. Ayrıca işletme maliyetleri, çok farklı atıklarla çalışmaya olanak verdiğinden uygundur [88]. 2.9.6. Yatay engelli reaktörler Bu tür reaktörler yukarı akışlı anaerobik biyoreaktörlerin benzerleridir. Reaktörlerin içlerinde bulunan engeller yardımıyla, sisteme giren atıklar engellere takılarak

42 reaktör içinde ilerlerken aynı anda aşağı ve yukarı yönlü hareket olanağı bulur. Aşağı hareket sırasında reaktör tabanında oluşan anaerobik katmanlardaki bakterilerle etkileşip tepkimeler gerçekleşmesi sağlanırken, sürüklenme riski engeller ile aşılmaya çalışılır. Reaktör verimini artırmak için beslenen atıkların taneciklerinden ayrılmasını sağlayacak ayırma işlemlerinin uygulanması gerekmektedir. Sistemin dezavantajı ise katı tanecikli atıkların işlenmesinde çökelmelerden dolayı sistemde oluşan tıkanmalar ve düzensizlikler oluşmasıdır [88]. 2.9.7. Anaerobik havuz Bu reaktörler üzerleri gaz sızdırmaz örtülerle kapatılmış basit havuzlardır. Besleme bir taraftan sağlanırken belli tepkime süresi sonunda artıklar diğer taraftan dışarı alınır. Bu tip reaktörler özellikle yaz kış sıcaklık farkının düşük olduğu bölgelerde sıcaklık denetimine gerek olmadan normal ortam koşullarında kullanılabilirler. Bu yüzden kuruluş ve işletme maliyeti düşüktür. Sistemin dezavantajları ise verimin dış ortam sıcaklık değişimine bağlı olarak mevsimsel değişmesi, gaz üretimlerinin düşük oluşu, karışmanın neredeyse hiç olmaması ve katıların dibe çökerek verimi etkilemesi olarak sıralanabilir [88]. 2.9.8. Karıştırmalı reaktörler Amerika ve Avrupa da yerel hayvan çiftliklerinde çok yaygın kullanılan bir reaktör sistemidir. Ayrıca kanalizasyon atıkları ve endüstriyel atık işleyen birimlerde de bu sistem kullanılmaktadır. Isıtma ve karıştırmanın eşliğinde uygun değer koşullar sağlanmaktadır. Mezofilik ve termofilik aralıklarda çalıştırılabilirler. Yükseklikleri az, taban alanları fazla olabilir veya tam tersi tasarımlar kullanılabilir. Sabit kubbeli, hareketli kubbeli tasarımları vardır. Gaz karıştırmalı, mekanik karıştırmalı ve farklı ısı değiştirici sistemli reaktörler bulunmaktadır. Karıştırmalı reaktörlerin en önemli üstünlükleri çok farklı koşullara uyarlanabilmeleri, hızlı gaz dönüşümünü sağlamaları ve sistem içindeki eş dağılımı korumaları olarak sıralanabilir. Fakat kuruluş ve enerji maliyetleri açısından sakıncaları vardır, bakteri kayıpları nedeniyle ek besleme gerekebilir [88].

43 2.9.9. Tapa akışlı biyoreaktörler Karıştırmalı biyoreaktörler gibi mikroorganizma büyümesinin temel alındığı sistemler olan bu biyoreaktörler 1957 de Güney Afrika da kullanılmaya başlanmıştır. Yatay veya dikey olarak tasarlanabilen, kuruluş maliyeti en düşük biyoreaktörlerden biridir. Sistemden ayrılan atıklarla birlikte mikroorganizma kaybı olduğu için sisteme mikroorganizma beslemesi gerekebilir. Katıların çökmesinden dolayı oluşacak katmanları önlemek için sistemin düzenli temizlenmesi gerekmektedir, bu gibi işlemler ek mali yük getirmektedir [88]. 2.9.10. Kontakt biyoreaktörler Bakteriyel biyokütle, biyoreaktörde alıkoyularak korunduğu için gaz verimi artan bu biyoreaktörlerde katılar farklı bir birimde ayrılır, konsantre edilir ve daha sonra reaktöre beslenirler. Termofilik ve mezofilik aralıklarda kullanılabilirler. Seyrelmiş veya konsantre atıklarla çalışmaya uygundurlar. Çünkü sistemde ayırma işlemi kullanılmaktadır. Bu tip biyoreaktörlere karıştırma sistemi de uyarlanabilir [88]. 2.9.11. Asit fazlı biyoreaktörler Kanalizasyon ve şehir sularının işlenmesinde kullanılan bu biyoreaktörler asit üreten mikroorganizmaların metan üretenlere göre daha hızlı büyümesini temel alırlar. Sistemde ilk biyoreaktörün asit üreten bakteriler için uygun asidik ortam sağladığı diğer biyoreaktörün ise metan üreten bakteriler için uygun koşulların sağladığı bütünleşmiş biyoreaktörler kullanılmaktadır Bu sistemler asit yardımıyla parçalanmanın hızlandığı ve parçalanan atıkların diğer bir tanktaki metan üreten organizmaların işini kolaylaştırdığı için verimlidir [88]. 2.9.12. Akışkan yataklı anaerobik biyoreaktörler Bakterilerin tutunduğu dolgu materyali (aktif karbon, pelletler, kum v.s), beslenen atıklar ile her an akışkan halde bulunurlar. Bu sayede her parçacık yüzey alanını

44 tamamen kullanma fırsatı bularak bakteri tutunmasını artırır ve dolayısıyla biyofilm oluşumu artarak verim artar. İnhibisyona ve yüksek yükleme miktarlarına dayanıklıdırlar. Akışkan yataklı reaktörler, sabit yataklı sistemlere göre daha verimlidirler. Çünkü mikroorganizmaların substratlarla daha iyi etkileşimi gerçekleşebilir ve maliyetleri, daha düşük hacimlerle çalışmaya uygundur [88]. 2.9.13. Yukarı akışlı filtreli kombine biyoreaktör Bu biyoreaktörler temelde sabit film biyoreaktörleri ile yukarı akışlı anaerobik biyoreaktörlerin bileşimidirler. İçlerinde sabit bir elek tarzında geçirgen yapının altında tutulan, biyolojik etkinliğin gerçekleştiği, anaerobik bir artık örtüsü bulunmaktadır. Sistemin avantajı işletim açısından sabit bir ortam sağladığından denetimi kolay olması, uzun süre çalıştırılmasa da kısa zamanda yeniden çalışması ve enerji kullanımlarının düşük olmasıdır. Dezavantajı ise geçirgen yapının tıkanma riskidir, fakat bu risk düzenli temizleme ile azaltılabilir. Tıkanmaların önlenmesi için sistemin yukarıdan aşağıya dogru beslenmesi de yapılmaktadır. Ancak sistemden çıkan artıklarda biyokütlenin kaybedilme riski arttığından yukarı akıştan daha az verim elde edilmektedir [88]. 2.9.14. Ardışık kesikli anaerobik reaktörler Anaerobik sistemlerde karşılaşılan, yüksek inkübasyon miktarı, karıştırma verimi, tepkime dengesizlikleri gibi sorunların giderilmesi için tasarlanan bu reaktörler Amerika da geliştirilen farklı tür kontakt reaktörleridir. Reaktörde hem ayırma hem biyolojik dönüşümler gerçekleşir. Ayırma işlemi çökelme ile gerçekleşir. Genelde iki veya daha fazla tank sistemi doldurma ve boşaltmada destek sağlar [88]. 2.9.15 Hibrit biyoreaktörler Hibrit biyoreaktörler farklı tasarımların üstünlüklerini yapılarında toplayarak en yüksek verim eldesini ve sorunların giderilmesini sağlamak amacıyla tasarlanan sistemlerdir. Örneğin yukarı akışlı anaerobik biyoreaktörler ile anaerobik filtre

45 biyoreaktörleri veya yatay akışlı engelli biyoreaktörlerin özelliklerini bir biyoreaktörde birleştiren hibrit sistemler üzerinde çalışılmaktadır [88]. 2.10. Biyogaz Kaynaklarından Biri Olan Tavuk Gübresinin Özellikleri Ülkemizde hayvancılık adına en çok gelişen tavukçuluk sektörü olmuştur. Gelişen tavukçuluk, beraberinde bazı sorunları da getirmiştir. Tavukçuluk endüstrisinin karşılaştığı en büyük sorunlar arasında, üretim sırasında meydana gelen artıkların çevreye zarar vermesidir. Tavuk üretimindeki artış, çok miktarda gübre, ölü hayvan, kuluçkahane ve kesimhane artıkları gibi maddelerin oluşmasına sebep olmaktadır [89]. Tavukçuluk artıkları içinde en fazla yeri gübre işgal etmektedir. Tavukçulukta, gübre terimi; sindirilmeyen yemlerden ibaret idrar ile karışık hayvan dışkısı ve belirli vücut artıkları ile altlıklı yer kümeslerinde altlık materyali karışımı olarak tanımlanır. Kapasite giderek artmış olan tavukçuluk işlemlerinde gübre ve altlıktan kaynaklanan önemli sorunlar vardır. Bu sorunlardan en önemlileri yapısal düzenin sürdürülmesinde, kokuda, sineklenmede gaz oluşumunda, toz oluşumunda, toprak, su ve hava kirliliginde gerçekleşmektedir. Bu yüzden gelecekte birçok gelişmiş ülkede, tavuk başına üretilen atık miktarı azaltılmaya çalışılacaktır. Aynı zamanda tavukçuluktan kaynaklanan bu çevre sorununa karşı anaerobik artım süreçleri kurularak çevresel etkileri azaltılmakta ve yararlı bir gaz olan biyogaz elde edilmektedir [90]. Tavuk gübresi bitki beslemede değerli bir gübre olmakla birlikte azot ve fosfor içermesinden dolayı yeraltı ve yerüstü sularının kirlenmesine sebep olmaktadır. Ayrıca özellikle yaş tavuk gübresi, sinek ve böcek larvalarının gelişmesi için uygun bir ortam oluşturmaktadır. Bundan başka ortalıkta bırakılan kuluçkahane, kesimhane artıklarıyla tavuk kadavraları çevreye yaydıkları pis kokunun yanısıra yine zararlı mikroorganizmalar ve çeşitli hastalık etkenleri bakımından bir üreme ortamı oluşturması, çevresel kaygılan gündeme getirmiştir [89].

46 Tavuk dışkılarındaki yüksek azotun önemli bir kısmı amonyak formunda buharlaşmakta ve koku emisyonu oluşturarak hava kalitesini olumsuz yönde etkilemektedir. Ayrıca fazla miktardaki azotun toprağa karışmasıyla oluşan nitratın yüzey ve yeraltı sularına karışması çevre ve insan sağlığını tehdit etmekte ve çeşitli hastalıklara sebep olmaktadır [91]. Yüksek miktardaki fosfor ise su kaynaklarına karışarak algler tarafından organik fosfora dönüştürülmektedir. Organik formdaki fosforun mikroorganizmalar tarafından parçalanmasıyla yeraltı ve yer üstü su kaynaklarındaki oksijen miktarı düşmektedir. Bunun sonucu olarak da su kaynaklarında canlı ölümleri gerçekleşmektedir [92]. Ayrıca tavuk dışkısı başta olmak üzere tüm hayvan dışkılarının her hangi bir işleme tabi tutulmadan toprağa uygulanması ya da boş alanlarda bekletilmesi bazı hastalıklara sebep olmaktadır. Hayvan atıklarında bazen Salmonella, Campylobacter, Listeria, Yersinia, Mycobacterium, Leptospira, Cryptosporidium, Giardia gibi patojenik organizmalar bulunabilmektedir [92, 93]. Tavuk gübresinin gübre değeri içerdiği su, kum ve katı organik madde miktarına göre değişir. Ahır gübrelerinde olduğu gibi taze tavuk gübresinde de yıkanma ve gaz şeklinde besin maddesi kaybı söz konusudur [94]. Tavuk gübresinin literatürde geçen verilerin ortalaması alınarak elde edilmiş bazı özellikleri Çizelge 2.10, Çizelge 2.11 ve Çizelge 2.12 de verilmiştir.

47 Çizelge 2.10. Tavuk gübresinin bazı özellikleri (tüm veriler literatürde geçen verilerin ortalamasıdır) [94] ph EC (ds/m) Maksimum Nem (%) OM (%) C/N (%) YAZ 7,46 16,65 6,97 29,99 9,38 SONBAHAR 7,52 14,22 16,13 65,33 14,63 KIŞ 7,33 32,33 18,39 75,74 19,52 İLKBAHAR 7,59 42,09 15,18 56,94 11,88 Çizelge 2.11. Tavuk gübresinin bazı kimyasal özellikleri (tüm veriler literatürde bulunan verilerin ortalamasıdır) [94] + NH 4 - N (%) + NO 3 - N (%) Toplam N (%) Organik N (%) Toplam P 2 O 5 (%) Toplam K 2 O(%) YAZ 0,05 0,05 1,84 1,74 2,00 1,85 SONBAHAR 0,11 0,11 2,60 2,36 1,96 1,71 KIŞ 0,06 0,13 2,25 2,05 1,97 1,85 İLKBAHAR 0,10 0,30 2,77 2,37 1,86 1,83 Çizelge 2.12. Tavuk gübresinin bazı ağır metal içerikleri (mg/kg) (tüm veriler literatürde bulunan verilerin ortalamasıdır) [94] Cd Cu Ni Pb Zn Cr YAZ İz 75,99 37,31 iz 124,59 112,91 SONBAHAR İz 8,41 27,52 iz 139,06 55,15 KIŞ İz 33,85 22,68 iz 180,94 109,20 İLKBAHAR İz 42,64 22,87 iz 413,66 32,97

48 3. MATERYAL VE METOT Kanatlı hayvan sektörünün önemli bir potansiyeli mevcuttur ve tarım sektörü ile ekonominin önemli bir parçasıdır. Kanatlı hayvan sektörü, 2005 yılındaki yaklaşık olarak 2,3 milyar $ lık payı ile Türkiye ekonomisinde önemli bir role sahiptir. 1990 yılındaki 217 000 tonluk üretimin 2005 yılında yıllık 1 064 000 tona ulaşması ile geçtiğimiz 15 yıl içerisinde sektörde önemli bir büyüme görülmüştür. Bu hacimle birlikte ülke dünya çapında kanatlı hayvan üretimi bakımından 14. sıraya yerleşmiştir. Bu süre zarfı içerisinde, endüstri entegrasyon yolunda hızla ilerlemiştir ve şimdilerde kanatlı üretiminin %80 inden fazlası entegre işletmeler tarafından gerçekleştirilmektedir [95]. Türkiye, tarım ve hayvancılık üretimi alanında oldukça iyi bir potansiyele sahiptir. Kanatlı sektörü geçtiğimiz birkaç on yılda entegre bir yaklaşım geliştirmiş olup üretim sistemlerini modernize etmiştir. Türkiye nin yurtiçi et pazarı oldukça geniştir ve önümüzdeki yıllarda önemli ölçüde büyüme gösterecektir (Şekil 3.1) [96]. Türkiye de et ürünlerine yönelik iç talep, nüfusun artışı ve harcanabilir gelirin artışının birleşmesi ile oluşan etki nedeniyle hızlı bir şekilde artmaktadır. Kanatlı hayvan eti sektörü, 1990 ve 2005 yılları arasında üretimde %400 lük bir artışla buna yanıt vermiştir ve birtakım vakaların ortaya çıkardığı geçici aksiliklere rağmen artmaya devam edeceği tahmin edilmektedir (Şekil 3.2) [96]. Bolu ili kümes hayvanları ve özellikle broiler piliç üretimi açısından Türkiye genelinde önem taşımaktadır. Son 25 yılda ildeki hayvansal üretimde en fazla artışın, beyaz et ve tavuk yumurtası üretiminde olduğu görülmektedir. Broiler yetiştiriciliğindeki artış ile birlikte ilde entegre tavukçuluk tesislerindeki artış, sanayinin gelişmesine, istihdamın artmasına yardımcı olmuştur. Türkiye'deki beyaz etin yaklaşık 1/3'ünden fazlası Bolu ilinde üretilmektedir [96].

49 Çizelge 3.1. Bolu ili 1991 2008 arası tavuk sayıları [97] BOLU Yıllar Toplam (Bin) Kesilen (Bin) Mevcut (Bin) Et (Binton) 1991 47 423 1992 50 450 1993 53 191 1994 53 756 1995 77 188 62 126 15 063 80 764 1996 61 230 48 816 12 414 84 940 1997 88 386 72 319 16 067 101 247 1998 138 862 74 594 64 268 111 891 1999 140 844 83 286 57 558 133 257 2000 154 502 99 147 55 355 158 635 2001 116 129 74 332 41 797 141 230 2002 153 249 90 371 62 878 144 593 2003 231 276 173 481 57 795 277 570 2004 215 969 129 811 86 159 206 139 2005 254 981 136 779 118 202 212 007 2006 287 530 153 527 134 003 289 705 2007 218 625 186 569 32 055 312 090 2008 227 212 201 150 26 062 377 938

50 Çizelge 3.2. Türkiye 1991 2008 arası tavuk sayıları [97] TÜRKİYE Yıllar Toplam (Bin) Kesilen (Bin) Mevcut (Bin) Et (Binton) 1991 88 380 1992 100 305 1993 120 081 1994 125 842 1995 279 725 208 035 71 690 270 445 1996 349 108 250 034 99 074 406 698 1997 410 616 305 745 104 871 464 928 1998 468 824 301 549 167 275 464 928 1999 539 574 371 711 167 863 589 981 2000 604 660 411 200 193 459 639 342 2001 531 504 369 605 161 899 612 744 2002 603 345 414 708 188 637 694 060 2003 723 241 506 108 217 133 862 956 2004 743 515 505 413 238 102 866 862 2005 788 922 531 700 257 221 925 900 2006 776 516 490 394 286 121 910 226 2007 803 557 598 475 205 082 1 059 483 2008 785 238 604 322 180 916 1 069 696

51 Şekil 3.1. Türkiye ve Bolu ili 1991 2008 yılları tavuk sayısı Şekil 3.2. Türkiye ve Bolu ili 1995 2008 yılları üretilen tavuk eti

52 Çalışmamızda Çizelge 3.1 ve Çizelge 3.2 deki TUİK mevcut tavuk sayıları verilerinden faydalanılarak Doğrusal Denklem, Box-Jenkins ARIMA modeli ve SPSS paket programı yöntemleri ile istatistiksel tahminler yapıldı. 3.1. En Küçük Kareler Yöntemi ile Tahmin Zaman serisi yöntemleri, bir olaya ait geçmişteki verilerin incelenmesi ve belirli eğilimlerin ortaya çıkarılarak ileriye yönelik tahminlerin yapılması temeline dayanmaktadır. Bu yöntemlerin amacı, geçmiş gözlem değerlerindeki veri kalıplarını kullanarak istatistiksel modeller oluşturmak ve bu modellerle geleceği tahmin etmektir. Diğer bir anlatımla, çeşitli faktörlerin etkilerinin bir sonucu olarak ortaya çıkan zaman serilerinin bu faktörlerden nasıl etkilendiği incelenerek gelecekte alacağı değerler belirlenmeye çalışılmaktadır. Ekonomi ve iş dünyasındaki belirsizlikler nedeniyle, ekonomik zaman serilerinin gelecekte göstereceği seyri tahmin etmek, planlama ve karar alma açısından önemlidir. Zaman serisi yöntemlerinde gelecegin tahmini yanında geçmiş dönemlerin incelenmiş olması; geçmişteki olumlu ve olumsuz gelişmelerin tespit edilmesine, nedenlerinin araştırılmasına ve yapılan yanlışların tekrarlanmaması için gerekli tedbirlerin alınmasına da imkân sağlamaktadır. Sayılan bu özellikleri nedeniyle bilhassa orta ve kısa dönem tahminlerine ihtiyaç duyulan her alanda yaygın olarak kullanılmaktadırlar [98]. Zaman serisi gözlem değerinin uzun dönemde artma yada azalma şeklinde gösterdiği genel eğilime trend adı verilir. Trend bileşeni, zamana bağlı değişken üzerindeki genel eğilime neden olan uzun dönemli etkileri açıklar [99]. Zaman serilerinin gelecek değerlerinin tahmin edilmesinde çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Kullanılacak yöntemin seçimi; öngörünün ne amaçla ve nerede kullanılacağına, zaman serisinin tipi ve özelliklerine, geçmişe ait ne kadar veri elde edilebileceğine, öngörü döneminin uzunluğuna, analizi yapacak kişinin bilgi ve beceri düzeyi ile kullanılacak bilgisayar programlarının bulunabilirliğine bağlı olarak değişmektedir [100].

53 Zaman serilerinde trend bileşeninin tahmin edilemesinde y 1, y 2,..., y n serisinin t dönemindeki y t bileşenini tahminleyebilmek için, bu serinin gözlem değerlerine, genellikle doğrusal trend için Eş. 3.1 eğrisel trend için Eş. 3.2 uygulanır. y t = b 0 + b 1 t (3.1) y t = b 0 + b 1 t + b 2 t 2 (3.2) Bu uygulamayla zaman ve gözlem değerleri arasında fonksiyonel bir ilişki kurulmuş olur. Burada b 0, b 1 ve b 2 tahminlenecek modelin parametrelerini göstermektedir ve En küçük kareler normal denklemlerinin çözümlenmesiyle hesaplanırlar. Doğrusal Trend modeline ilişkin En Küçük Kareler Normal Eşitlikleri Σyt = nb 0 + b 1 Σt (3.2) Σyt t = b 0 Σt + b 1 Σt 2 (3.3) Eğrisel Trend modeline ilişkin En Küçük Kareler Normal Eşitlikleri Σyt = nb 0 + b 1 Σt + b 2 Σt 2 (3.4) Σyt t = b 0 Σt + b 1 Σt 2 + b 2 Σt 3 (3.5) Σyt t 2 = b 0 Σt 2 + b 1 Σt 3 + b 2 Σt 4 (3.6) Ancak, bilgisayar desteğinin olmadığı durumlarda, hesaplamalarda kolaylık sağladığı için, yukarıdaki En Küçük Kareler Normal Denklemlerinden değil, onların sadeleştirilmiş yazılımlarından yararlanılır. En Küçük Kareler Normal Denklemlerinde sadeleştirmeler zaman dönemlerine t = 1, 2,..., n kodları vermek yerine, serinin medyan dönemine sıfır kodu verilmesi ve diğer dönemlere ilişkin kodlamalarda, Σt = 0 olacak şekilde, düzenleme yapılmasıyla sağlanmış olur. Serinin terim sayısı n tek sayıysa medyan dönem vardır ve bu dönem t = 0 olarak kodlanırsa, diğer dönemler... -3, -2,-1, 0, 1, 2, 3... kodlanmış ve dolayısıyla Σt = 0 elde edilmiş olur. Serinin terim sayısı n çift sayıysa medyan dönem yoktur. En ortadaki

54 iki dönemin aritmetik ortalaması medyan dönem olarak kabul edilir. Böylece iki zaman noktasının aralığı iki birim uzunluk olarak tanımlanmış olur. Bu tanıma göre serinin en ortasındaki iki dönemden ilkine t = -1 diğerine t = 1 kodu verilerek diğer t dönemleri -5, -3, -1, 1, 3, 5, şeklinde kodlanmış olur. Burada da amaç Σt = 0 a eşit kılmaktır. Zaman değişkeninin şıklarına verilecek kodların cebirsel toplamlarının sıfıra eşitlenecek şekilde düzenlenmesi, En Küçük Kareler Denklemlerini sadeleştirir. Çünkü n bilinmeyenli denklem sistemi n-1 bilinmeyenli denklem sistemine dönüştürülmüş olur. Doğrusal Modele İlişkin Sadeleştirilmiş Normal Eşitlikler Σyt = nb 0 (3.7) Σytt = b 1 Σt 2 (3.8) Eğrisel Modele İlişkin Sadeleştirilmiş Normal Eşitlikler Σyt = nb 0 + b 2 Σt 2 (3.9) Σyt t = b 1 Σt 2 (3.10) Σyt t 2 = b 0 Σt 2 + b 2 Σt 4 (3.11) Standart hata n < 30 ise Eş. 3.12, n 30 ise Eş. 3.13 şeklinde hesaplanır [101]. (3.12) (3.13)

55 Mevcut verilerden Regresyon analizi yapılarak en uygun modelin doğrusal denklem olduğu görülmüştür. Doğrusal denklemi elde etmek için Çizelge 3.3 de veriler hesaplanmıştır. Çizelge 3.3. Doğrusal denklem hesaplamak için oluşturulan değerler YIL t y t 2 y.t 1991 1 47 423 1 47 423 1992 2 50 450 4 100 900 1993 3 53 191 9 159 573 1994 4 53 756 16 215 024 1995 5 77 188 25 385 940 1996 6 61 230 36 367 380 1997 7 88 386 49 618 702 1998 8 138 862 64 1 110 896 1999 9 140 844 81 1 267 596 2000 10 154 502 100 1 545 020 2001 11 116 129 121 1 277 419 2002 12 153 249 144 1 838 988 2003 13 231 276 169 3 006 588 2004 14 215 969 196 3 023 566 2005 15 254 981 225 3 824 715 2006 16 287 530 256 4 600 480 2007 17 218 625 289 3 716 625 2008 18 227 212 324 4 089 816 t 171 y 2 570 803 t 2 2 109 yt 31 196 651 Çizelge 3.3 te hesaplanan değerler Eş. 3.2 ve Eş. 3.3 de yerine konulduğunda b 0 = 10 000 b 1 =13 981 bulunur. Bulunan katsayılar Eş. 3.1 de yerine konarak y=13 981t + 10 000 denklemine ulaşırız.

56 Standart sapma ise veri sayımız 30 dan küçük olduğu için Eş. 3.12 te değerler yerine konularak yaklaşık 28 900 bulunur. y=13981t+10000 denkleminden Çizelge 3.4 teki değerler hesaplandı ve gerçek değerlerle karşılaştırıdı (Şekil 3.3). Elde edilen denklemle 2050 yılına kadar tahminler yapıldı (EK-1) ve grafiksel olarak gösterildi (Şekil 3.4). Çizelge 3.4. Doğrusal denklem ile tahmin edilen veriler ile gerçek veriler Yıllar Gerçek Doğrusal Denklem 1991 47 423 23 981 1992 50 450 37 962 1993 53 191 51 943 1994 53 756 65 924 1995 77 188 79 905 1996 61 230 93 886 1997 88 386 107 867 1998 138 862 121 848 1999 140 844 135 829 2000 154 502 149 810 2001 116 129 163 791 2002 153 249 177 772 2003 231 276 191 753 2004 215 969 205 734 2005 254 981 219 715 2006 287 530 233 696 2007 218 625 247 677 2008 227 212 261 658

57 Şekil 3.3. Doğrusal denklem tahmini ile gerçek değerlerin karşılaştırılması Şekil 3.4. Doğrusal denklem ile 2050 yılına kadar yapılan tahmin

58 3.2. Box-Jenkins ARIMA Modeli ile Tahmin George Box ve Gwilym Jenkins tarafından 1970 yılında geliştirilmiştir. Box-Jenkins yönteminde temel olarak iki ayrı yöntemin (Otoregresyon ve Hareketli Ortalama) bir birleşimi oluşturulmaya çalışılmaktadır. Bu birleşimi ifade etmek için kısaca ARMA (Auto Regressive Moving Averages) ifadesi kullanılmaktadır. Ancak söz konusu modeller sadece durağan serilerde kullanılabildigi için, seriye fark alma (differencing) işlemi uygulanması gerekmektedir. Fark alma işlemlerinin sayısını belirleyen entegrasyon indeksinin de ifadeye katılması ile birlikte ARIMA (Auto Regressive Integrated Moving Average) modelleri ortaya çıkmaktadır [98]. ARIMA modellerinde temel yaklaşım, incelenen degişkenin bugünkü değerinin, geçmiş değerlerinin ağırlıklı toplamı ve rassal şokların bileşimine dayandığı şeklinde ifade edilmektedir. ARIMA modelleri, öngörü için ek bilgi gerektirmemesi ve özellikle kısa ve orta dönem öngörü başarısının yüksek olduğunun çeşitli çalışmalarda ortaya konmuş olması nedeni ile yaygın kullanım alanı bulmuşlardır. Bunun yanında, çeşitli model seçenekleri arasında uygun olanı seçme ve seçilen modelin her aşamada incelenen seriye uygunluğunu denetleme gibi üstünlüklere sahiptir [100]. Model seçiminde, serinin durağan olup olmaması ve mevsim etkisi taşıyıp taşımaması belirleyici olmaktadır. Bu nedenle ilk olarak zaman serisinin özellikleri ortaya çıkarılmakta ve uygun bir model bulmaya çalışılmaktadır. Ardından seriyi en iyi öngöreceği saptanan form üzerinde analizler yapılmaktadır [98]. Uygulamada kullanacağımız Box-Jenkins modelinin belirlenmesi için farklı modeller oluşturulup, Ortalama Mutlak Yüzde Hata değerleri dikkate alınarak en uygun modelin ARIMA(1,0,0) olduğu gözlendi. ARIMA(1,0,0) modeli ile mevcut yıllar için tahmin yapıldı (Çizelge 3.6). Değerler gerçek değerler ile karşılaştırıldı (Şekil 3.5) ve 2050 yılına kadar tahmin yapılarak (EK-2) grafiksel olarak gösterildi (Şekil 3.6).

59 Çizelge 3.5. ARIMA(1,0,0) ile tahmin edilen veriler ile gerçek veriler Yıllar Gerçek ARIMA(1,0,0) 1991 47 423 26 715 1992 50 450 45 458 1993 53 191 56 479 1994 53 756 67 428 1995 77 188 77 841 1996 61 230 93 894 1997 88 386 100 232 1998 138 862 117 203 1999 140 844 139 925 2000 154 502 150 687 2001 116 129 164 329 2002 153 249 165 140 2003 231 276 184 568 2004 215 969 214 084 2005 254 981 220 583 2006 287 530 240 477 2007 218 625 258 778 2008 227 212 252 059

60 Şekil 3.5. ARIMA(1,0,0) modeli ile yapılan tahminlerin gerçek değerlerle karşılaştırılması Şekil 3.6. ARIMA(1,0,0) modeli ile 2050 yılına kadar yapılan tahmin

61 3.3. SPSS Programı ile Tahmin SPSS programı ile Zaman Serileri Analizi yapılabilmektedir. Zaman Serisi girildiğinde program ileriye dönük kaç yıllık tahmin isteniyorsa Normal Senaryo, İyimser senaryo ve Kötümser Senaryo sonuçlarını otomatik olarak hesaplayıp vermektedir. Uygulamada mevcut veriler SPSS programında girilerek tahmin değerleri ürettirildi (Çizelge 3.8). Değerler gerçek değerler ile karşılaştırıldı (Şekil 3.7) ve 2050 yılına kadar tahmin yapılarak (EK-3) grafiksel olarak gösterildi (Şekil 3.8). Çizelge 3.6. SPSS programı ile tahmin edilen veriler ile gerçek veriler Yıllar Gerçek SPSS 1991 47 423 1992 50 450 63 430 1993 53 191 66 457 1994 53 756 69 198 1995 77 188 69 763 1996 61 230 93 195 1997 88 386 77 237 1998 138 862 104 393 1999 140 844 154 869 2000 154 502 156 851 2001 116 129 170 509 2002 153 249 132 136 2003 231 276 169 256 2004 215 969 247 283 2005 254 981 231 976 2006 287 530 270 988 2007 218 625 303 537 2008 227 212 319 544

62 Şekil 3.7. SPSS programının verilere göre yaptığı tahmin ile gerçek değerler Şekil 3.8. SPSS programının verilere göre yaptığı 2050 yılına kadar normal senaryo, iyimser senaryo ve kötümser senaryo tahmini

63 3.4. Tahmin Değerlerinin Doğruluğunun Ölçülmesi Çeşitli tahmin modelleri arasından birini seçme sürecinde yaygın kabul gören kriterlerden birisi de, modelin verilere iyi uyum göstermesi yani modelin öngörü başarısının yüksek olmasıdır. Örnegin iki ARIMA modelinin faydası ve geçerliliği eşit oldugunda, iki modelin tahmin başarıları karşılaştırılmakta ve daha iyi öngörü doğruluğu sağlayan model tercih edilmektedir. Bu bağlamda modellerin öngörü doğruluklarının karşılaştırılması amacı ile çeşitli istatistikler kullanılmaktadır. Öngörünün doğruluk testi için, öngörü dönemine ait gözlem değerleri bilinmiyormuş gibi gözlem dışı bırakılır ve tahmin edilen modele dayanılarak bu dönemler için değişkenlerin alacağı değerler öngörülür. Bu öngörü değerleri ile mevcut olan gerçek değerler arasındaki farklar, yani öngörü hataları (kalıntılar residuals), bazı formüllerle modellerin öngörü doğruluğunu karşılaştırmaya yardımcı olabilecek şekilde standartlaştırılır. Modellerin öngörü doğruluğunun ölçümünde kullanılan istatistikler; Ortalama Kare Hata (Mean Squared Error - MSE), Kök Ortalama Kare Hata (Root Mean Squared Error - RMSE), Ortalama Mutlak Hata (Mean Absolute Error - MAE), Ortalama Yüzde Hata (Mean Percentage Error MPE), Ortalama Mutlak Yüzde Hata (Mean Absolute Percentage Error - MAPE) olarak sıralanabilir [100]. (3.16) (3.17) (3.18) (3.19)

64 (3.20) (3.21) Eşitliklerde y t t döneminde gerçekleşen değeri, ỷ t t değeri için hesaplanan öngörü değeri, n öngörülen dönem sayısını ve e t ise t dönemindeki öngörü hatasını temsil etmektedir. Ele alınan bütün istatistiklerde arzu edilen sonuç, en küçük değere sahip MSE, RMSE, MAE, MPE ve MAPE istatistiklerine sahip tahmin modelini oluşturmaktır. Ancak hangi istatistiğin kullanılması gerektiği konusunda belirli bazı kriterler takip edilmektedir. Hata değerlerinin büyüklükleri benzer ise Ortalama Kare Hata (MSE) kullanılabilir. Ancak örneğin, tahmin sonrası bir ya da birden fazla ortalamanın üzerinde büyük hata(lar) elde edilmiş ise, fazla uygun olmayabilir. MSE istatistiği, hataların karelerini aldığı için büyük sapmaların olması durumunda abartılı sonuçlar vermektedir. Bu istatistiğin yerine bu durumda, Ortalama Mutlak Hata (MAE) kullanılabilir. Bazen bir tahmin yönteminin yansız olup olmadığının belirlenmesi gerekebilir. Modelden hesaplanan değerler, gerçekleşen değerlerin altında veya üstünde çıkıyorsa yansızlık gerçekleşmez. Bu gibi durumlarda Ortalama Yüzde Hata (MPE) kullanılmaktadır. Hata değerlerinin birim değerleri farklılık gösteriyorsa, örneğin bir tahmin modeli gerçek değerleri kullanıyor iken bir başka tahmin modeli doğal logaritması alınmış değerleri kullanıyorsa, yararlanılabilecek istatistik Ortalama Mutlak Yüzde Hata (MAPE) dır. MAPE istatistiği, farklı birim değerlere sahip modellerin karşılaştırılmasında ortaya çıkabilecek dezavantajları elimine etmektedir [98]. Modellerin uygulanması sonucu bulunan değerler gerçek değerlerle karşılaştırılıp (EK-4), Mutlak Yüzde Hata değerleri bulunup (EK-5), Ortalama Mutlak Yüzde Hata değerleri hesaplandı (Çizelge 3.7). Her modelin 2050 yılına kadar tahmin değerleri

65 bulunup (EK-6), 5 er yıllık periyotların tahmin değerleri grafik üstünde karşılaştırıldı (Şekil 3.9). Çizelge 3.7. Her yöntemin ortalama mutlak yüzde hata (OMYH) değerleri Doğrusal Denklem ARIMA (1,0,0) SPSS 18,71 16,72 22,72 Şekil 3.9. Tahmin edilen değerlerin 5 er yıllık periyotlarda karşılaştırılması 3.5. Bolu İli İçin 2050 Yılına Kadar Tavuk Sayısının Tahmini OMYH değerleri incelendiğinde en uygun yöntemlerin sırasıyla ARIMA(1,0,0), Doğrusal Denklem ve SPSS olduğu gözlenmektedir. Tahminlerde OMYH ler göz önünde bulundurularak Doğrusal Denklemle elde edilen verilerin %33,5 i, SPSS