BİYOKÜTLE ÇEVRİM YÖNTEMLERİBİYOKÜTLE ÇEVRİM

YÖNTEMLERİ

YAKITLAR UYGULAMA

ALANLARI

ORMAN ATIKLARI HAVASIZ ÇÜRÜTME BİYOGAZ ELEKTRİK ÜRETİMİ

TARIM ATIKLARI PİROLİZ ETANOL ISINMA

ENERJİ BİTKİLERİ DOĞRUDAN YAKMA HİDROJEN SU ISITMA

HAYVANSAL

ATIKLAR

FERMANTASYON METAN OTOMOBİLLER

ÇÖPLER GAZLAŞTIRMA METANOL UÇAKLAR

ALGLER HİDROLİZ SENTETİK YAĞ ROKETLER

ENERJİ ORMANLARI BİYOFOTOLİZ DİZEL ODUN

KÖMÜRÜ

ÜRÜN KURUTMA

1

2

DOĞRUDAN YAKMA

• Doğrudan yakma prosesi, biyokütlenin oksijen ile reaksiyonagirmesi şeklinde tanımlanır. Bu proseslerde hem homojen hemheterojen reaksiyonlar meydana gelir.

• Homojen reaksiyonlar ; gaz fazında gerçekleşen reaksiyonlardır.

• Heterojen reaksiyonlar ; gaz ve katı arayüzeyinde gerçekleşenreaksiyonlardır.

3

4

Şekil 1. Doğrudan Yakma Prosesi Akım Şeması

YAKMANIN AŞAMALARI

Doğrudan yakma prosesi 4 aşamada gerçekleşmektedir.

1. Kurutma

2. Piroliz

3. Uçucu Maddelerin Yanması

4. Kalıntı Katının Yanması

5

YAKMANIN AŞAMALARI1. Kurutma : Kurutma, yanma işlemi sonucunda ortaya çıkan ısının biyokütleiçerisindeki nemi uzaklaştırması işlemidir.

Bu süreçte biyokütle yakma sistemine girdiğinde iletim, taşınım ve ısınım ile ısınmaya başlar. Sıcaklık 100 ˚C geçtiğinde, suyun taşınım ve gözeneklerden difüzyon (Yayınım) ile kaybeder.

2. Piroliz : Bu aşamada uçucu gazlar (CO, CO2 ve CH4) oluşmaktadır. Katran

düşük sıcaklıklarda yoğuşarak sistemde katman oluşturmaktadır. Bunun yanı sıra,

sıcaklığın yükselmesi ile birlikte katı ara ürün, gazı alınmış katıya dönüşür ve CO

ile Hidrojen gazları açığa çıkar.

6

YAKMANIN AŞAMALARI3. Uçucu Maddelerin Yanması : Biyokütle partiküllerin yüzeyinde oluşan uçucular, yığın gaza doğru difüze olur. Bu nedenle, biyokütleden uzaklaştıkça uçucu maddeler konsantrasyonu azaltır. Uçucu maddelerin homojen yanması çok yüksek hızlarda gerçekleşmektedir, yanma süresi uçucu maddelerin salınma hızı ve hava ile karışma süresiyle belirlenir.

4. Katı Kalıntıların Yanması : Karbon, yeterince yüksek biyokütle partikül yüzeyi sıcaklığında Oksijen ile oksitlenerek CO, CO2 ve Su Buharı oluşturur. Kalıntı katının heterojen yanma hızı, uçucu maddenin homojen yanma hızından düşüktür.

2C + O2 → 2CO

C + CO2 → 2CO (Boudouard Reaksiyonu)

C + H2O → CO + H2O (Karbon – Su Reaksiyonu)

7

YAKMANIN AŞAMALARIBu reaksiyonlar sonucunda kalıntı katının etrafında ;

- Oksitlenme ürünleri ; CO ve Hidrojen

- Oksitleyici Oksijen, CO2 ve H2O dan oluşan gaz atmosferi bulunur.

Oksitleyiciler, partiküllerin içine difüze olmaya çalışırken yanma ürünleri partiküllerden dışarıya doğru difüze olur. Bu esnada partiküllerin hemen çevresinde aşağıda görülen homojen oksitlenme reaksiyonları oluşur.

2CO + O → 2CO2

2H2 + O2 → 2H2O

Böylece, homojen oksitlenme reaksiyonu ürünleri olan H2O ve CO2 ‘ya çevrilir.

8

KULLANILAN FIRINLAR

➢ Izgara Fırın ; Hava girişinin atığın yanma özelliğine göre belirlenen bir ızgara ile yapıldığı fırınlardır. Karıştırma işlemi mekanik yolla yapılmaktadır. Birincil hava ızgaranın altından veya yanından, ikincil olarak ise bacadan son yakma bölümünde türbülans yaratmak amacı ile verilir. Ateşleme ünitesi tasarıma göre değişebilir. Doğru akışlı ızgaralarda, ızgara atıkların gideceği istikamete göre, ters akışlıda ise ters yönde yerçekimiyle hareket eder. Silindirik ızgarada ise döner silindirlerin hızları ayarlanarak iletim sağlanır.

9

KULLANILAN FIRINLAR➢Akışkan Yataklı Fırınlar ; Çok düşük veya çok yüksek kalorifik değerlere sahip homojen atıkların yakılmasında kullanılır. Atıkların yakılması için 100 mm tane çapına kadar parçalanması gerekmektedir. Hava girişi aşağıdan verilen hava ile yapılır. Genel olarak her kapasitede inşa edilebilirler. Akışkan yataklı fırınlarda 1000-2000 ˚C varan ve homojen sıcaklıklar elde edilebilir.

10

KULLANILAN FIRINLAR➢ Döner Silindir Fırınlar ; Bu teknoloji özellikle tehlikeli atıklar için uygulanmaktadır. Evsel atıklar için kullanıldığında sınıflandırma, ayırma gibi ön işlemlere gerek yoktur.

11

KULLANILAN YAKITLARBu proseste kullanılan yakıtlar katı, sıvı ve gaz fazlarda bulunabilirler,

➢ Katı yakıtlar : Odunsu ve bitkisel maddeler, tarımsal ve orman atıkları/artıkları, hayvansal atıklar vb.

➢ Gaz yakıtlar : Biyokütleden üretilen, biyokütle kaynaklı gaz yakıtlar, anaerobik, piroliz, gazlaştırma ve bu proseslerle elde edilen ara ürünlerin çeşitli sentez işlemlerine tabi tutulması ile elde edilir.

➢ Sıvı yakıtlar : Piroliz –özellikle hızlı piroliz- prosesinden elde edilen biyoyağlarve bunların iyileştirme işlemi görmüş formlarıdır. Şeker’in fermantasyonu sonucu elde edilen ethanol, bütanol ve diğer alkoller. Bunun yanısıra, yağlı tohumlar, algler ve diğer yağ içeren biyokütle maddelerden elde edilen lipitler örnek olarak gösterilebilir.

12

SONUÇ

Bilinen en eski yöntemdir. Bu alanda verim yükseltme çalışmaları sürdürülmektir.

Bu prosesle verimli bir şekilde elektrik üretilir.

Aynı zamanda bu yöntemle çeşitli ön hazırlama işlemleri uygulanmaktadır.

Nem yükseldikçe ısıl değerin azalması nem düşürmeye örnektir.

Farklı yakma sistemleri tasarımlarında kullanılmaktadır örnek olarak akışkan yatak sistemleri…

Her türlü biyokütle kaynağını doğrudan yakmak mümkündür.

13

14

Piroliz, Yunanca ısı anlamına gelen ‘pyro’ ve parçalanmak anlamına gelen ‘lyse’ kelimelerinden

oluşan ve organik maddenin oksijensiz ortamda ısıtılarak gaz, katı veya sıvı ürünlere ayrılması

işlemidir. Piroliz sıcaklığı 500-1000°C’dir.

Katı ürünler : İndirgenmiş katı kalıntıları,kömür

Sıvı ürünler : Su, sıvı hidrokarbonlar

Gaz ürünler : H20, CO2, CO, CH4 , H2S, NH4, etan,propan

Oksijensiz ortamda 500-600°C' a kadar yapılan ısıtmada; gaz bileşenleri, uçucumaddeler, mangal kömürü ve kül açığa çıkar.

Yüksek sıcaklığa çıktığında ise gaz bileşenleri ve odun gazı açığa çıkar.

Oksijensiz ortamda karmaşık organik moleküller 400-600 °C sıcaklık bölgesindeparçalanarak yanabilir, yanamaz gazlar, katran ve zift açığa çıkar.

Önce endotermik sonra ekzotermik reaksiyonlarla olur.

Katı atıkların pirolizi esnasında seri ve paralel olmak üzere çok çeşitli ve oldukçakompleks reaksiyonlar gerçekleşmektedir. Bu karmaşık tepkimeler, biyokütlenin araürünlere ayrılması ya da rafinasyonu olarak da ifade edilebilir. Ana pirolizreaksiyonu ve kısmi reaksiyonlar olarak ayrılmaktadır.

Piroliz süreci sonunda, organik maddelerin içerisindeki sabit karbon veuçucu ayrılır. Uçucunun daha sonra yoğunlaştırılmasıyla sıvı ve gazformda iki farklı yakıt elde edilir.

Her maddede uçucu sabit karbon oranı sabittir, fakat elde edilenuçucudan ne kadar sıvı yakıt, ne kadar gaz yakıt elde edileceği; sıcaklık,basınç, reaktör içinde kalma süresi gibi operasyon koşullarıylaayarlanabilir. Sistem, kullanılan hammaddeye bağlı olarak miktarı vekullanım amacı değişen katı ürünün de (karbonca zengin), kullanılmasısayesinde sıfır atık prensibiyle çalışır.

GELENEKSEL PİROLİZ

Geleneksel piroliz süreçleri, yüksek verimli, ucuz maliyete sahip,sürekli sistemler olup, piroliz ürünleri gaz, odun kömürü ve pirolitiksıvıdır.

Süreç şartlarına bağlı olarak ürünler farklı miktarlarda elde edilirler.

Gaz ürün için 650°C’nin üzerindeki sıcaklıklar kullanılırken sıvı ürün için düşük sıcaklıklar tercih edilir.

İLERİ PİROLİZ TEKNOLOJİLERİ

Biyokütlenin alternatif değerlendirme yöntemlerinden biri olan flash (hızlı) piroliz, biyokütledenhidrokarbonların eldesi açısından etkin bir metottur.

Flash pirolizin en belirgin ve yavaş pirolizden ayıran özelliği ısıtma hızı ve biyokütlenin pirolizortamında kalma süresidir.

Flash pirolizde ısıtma hızı 100 °C/s’nin üzerinde ve kalma süresi ms-s mertebesindedir. Böyleceyoğun ısıtma sağlamak mümkündür.

Flash pirolizin yavaş pirolize göre avantajlarından birisi de, elde edilen uçucu ürün veriminindaha yüksek olmasıdır. Düşük ısıtma hızı ve uzun kalma süresinden dolayı yavaş pirolizde oluşanuçucu ürünler kraking ve tekrar katıya dönüşme reaksiyonları verebilmektedir. Bu ise uçucu ürünverimini azaltan bir faktördür.

Flash pirolizin bir diğer avantajı ise bozunma ve bozunma ürünlerinin kontrolününsağlanabilmesidir. Yavaş ısıtma koşullarında bozunmanın ve bozunma ürünlerinin kontrolü güçolup ikincil reaksiyon ürünleri oluşmaktadır.

YAVAŞ PROLİZ

Yavaş piroliz, biyokütlenin enerji içeriği yüksek ve daha değerli ürünlere dönüşümünüsağlamak amacı ile oksijensiz ortamda uzun sürede gerçekleştirilen ısıl bozundurmasürecidir.

Yavaş piroliz, geleneksel olarak odun kömürü üretiminde uygulanmaktadır.

Odun havasız ortamda ısıtıldığı zaman bozunarak karbonize katı ürüne ve uçucu bileşenleredönüşür.

Uçucu bileşenler soğuma ile yoğunlaşarak pirolignitik asit adı verilen sıvı maddeyedönüşürler.

Çam gibi yumuşak ağaçların kuru distilasyonu sonucunda da benzer ürünler oluşmaklabirlikte, daha hafif çam yağları ve terpentin gibi terpen sıvıları, metanol, asetik asit, allilalkol, eser miktarda aseton ve diğer suda çözünebilen bileşikler oluşmaktadır.

Pirolizi Etkileyen Faktörler

Isıtma Hızı : Isıtma hızının artmasıyla uçucu madde miktarı artmaktadır. Yükseksıcaklıklarda katran bozunarak gaz ürün miktarını da arttırır.

Basınç : Basıncın artmasıyla uçucu maddelerin tepkimede kalma süresi azalır. Ortasıcaklıklarda düşük basınç ile katran miktarı artmaktadır.

Piroliz sıcaklığı : Uçucu maddenin miktar ve bileşimini etkileyen önemli birparametredir. Sıvı, gaz ve aktif karbon (katı) miktarları piroliz sıcaklığı ile değişmekteve bunların kimyasal bileşimleri de oldukça farklı olmaktadır. Piroliz sıcaklığınınartması ile sıvı ürünün ve aktif karbonun H/C ve O/C oranları azalmaktadır.

Uzun alıkonma zamanlarında, uçucu ürünlerin bozunması ve karbon atığının tekrar gazlaştığı gözlenmektedir.

Kısa alıkonma zamanlarında yapılan piroliz işlemlerinde, işlem sıcaklığı ile kimyasal bileşim arasında doğrudan bir bağıntı vardır. Sıcaklık arttıkça, yapıdaki oksijen içeriği ve C/H oranı azalmaktadır.

Parçacık Boyutu : Piroliz işleminde, parçacık boyutunun artması ile uçucuların gaz atmosferine geçişi hızlanmakta ve bu durumda kütle iletim sınırlaması söz konusu olmaktadır. Uçucular yüzeyle daha uzun süre etkileşmekte ve ikincil tepkimelerin (yeniden polimerleşme ve sıcak katı yüzeyinde çeşitli parçalanma tepkimeleri) oluşumuna neden olabilmektedir. Polimerleşme tüm piroliz verimini düşürürken, yüzeyde parçalanma tepkimeleri sıvı verimini azaltıp, gaz verimini arttırma yönünde etki etmektedir.

Diğer Yakıt Kaynaklarıyla Karşılaştırılması

Biyokütleden özütlenen ve biyolojik ham petrol olarak adlandırılan özüt ve piroliz sıvı ürününün, yapay yakıt olarak kullanılabilirliğinin belirlenmesi amacıyla, öncelikle bunların H/C oranlarının ticari yakıtlarla karşılaştırılması gerekmektedir.

27

BİYOKÜTLENİN GAZLAŞTIRILMASI

Biyokütlenin gazlaştırılması; katı yakıtların ısıl çevirim teknolojisiyle

yanabilen bir gaza dönüştürülmesi işlemidir. Üretilen gaz temizlendikten sonra

kazanlarda, motorlarda, türbinlerde ısı ve güç üretilmek üzere kullanılmaktadır.

Gazlaştırma tekniği ile biyokütleden, yüksek bir randımanla petrolle çalışan

güç ve ısı sağlayan türbinlerde kullanılan bir gaz yakıt elde edilebilir.

3

GAZLAŞTIRMA PROSESLERİ

Gazlaştırma Prosesi

Dört Safhaya Ayrılır:

1. Oksidasyon

2. Piroliz (Distilasyon)

3. Reaksiyon

(Karbonlaştırma)

4. Gazlaştırma

(İndirgenme)

4

OKSİDASYON• 𝐶 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 𝚤𝑠𝚤

• 𝐻 + 𝑂2 → 𝐻2𝑂 + 𝚤𝑠𝚤

Biyokütlenin organik mollekülleri karbon ve hidrojen , yukarıdaki reaksiyonlar gereğince,

okside olarak ısı enerjisi açığa çıkarırlar. Bu reaksiyonlar sıcaklığın dışarıya verildiği ekzotermik

reaksiyonlardır.

Reaksiyonlar sırasıyla karbondioksit ve su buharına dönüşürler. Yanma sonucu yanmayan

inorganik minerallerin bulunduğu kül de açığa çıkmaktadır.

Yakma sonucu kalan kül gibi kararlı atıklar, erime ve katılaştırma, çimento ile katılaştırma,

kimyasal kullanılarak kararlı hale getirme, asit veya diğer solventleri kullanarak ekstrakte etme

işlemleriyle bertaraf edilebilmektedir.

5

KARBONLAŞTIRMA

Karbonlaştırmada; odun, turba, maden kömürü gibi organik maddeler havasız ortamda kimyasal

parçalanmaya uğrarlar. Bu işlem de farklı sıcaklık bölgelerinde gerçekleşir ( 150 - 500 ºC ).

Gaz karışımının yaklaşık kalori değeri 8.9 MJ/m3'tür. Odunun karbonlaştırılmasındaki sıvı ürünler

ise sulu kısım ve katrandır.

Karbonlaşma işlemi sonucu açığa çıkan gaz bileşenleri:

• %50 𝐶𝑂2,

• %35 CO,

• %10 𝐶𝐻4,

• %5 diğer hidrokarbon ve

• 𝐻2'dir.

8

GAZLAŞTIRMA

Gazlaştırma işlemi kömür ve biyokütle gibi katı yakıtların oksidantlar ile temas edeceği bir

ortamda, reaktörlerin içerisinde gerçekleştirilmektedir. Gazlaştırma proseslerinde farklı fazlarda

birçok reaksiyon meydana gelmektedir.

9

Gazlaştırmadaönemli olan biyokütlenin nem oranının % 30'u geçmemesidir.Nemoranı arttıkça

gazın kalorifik değeri düşmektedir. Hacimsel olarak yanabilir gaz olan CO miktarı düşerken

𝐶𝑂2miktarı da artmaktadır. Bitkisel atıklar yakılırsa kısmi yanmada kalori değeri 4.5-6

MJ/molan gaz üretilir.

Oluşan karbondioksit ve hidrojen reaksiyonları gereğince indirgenme reaksiyonu olan ikinci bir

işleme tabii olarak karbon monoksit ve hidrojene dönüşürler. Bunun yanı sıra kömür ve katran

da oluşur teknoloji gereğince katrana dönüşen kömür gazlaştırılır. Oluşan gazlar yanıcı gazdır

ve üründeki partikül madde konsantrasyonu azalmıştır.

10

Gazlaştırıcı Tipleria) Sabit Yataklı Gazlaştırıcılar

Yukarı akışlı gazlaştırıcılar

Aşağı akışlı gazlaştırıcılar

Karşıt akışlı gazlaştırıcılar

Açık akışlı gazlaştırıcılar

b) Akışkan Yatak Gazlaştırıcılar

Kabarcıklı Akışkan Yatak Gazlaştırıcı

Dolaşımlı Akışkan Yatak Gazlaştırıcı

11

Yukarı Akışlı Gazlaştırıcı

(+)Basit

(+)İç ısı değişimi

(+)Yüksek gazlaştırma

verimi

(-) Yüksek miktarda katran miktarı

(-) Piroliz ürünleri

12

Aşağı Akışlı Gazlaştırıcı

(+) Aşağı akışlı gazlaştırıcının en önemli avantajı,

üretilen gazın oldukça düşük miktarda katran içermesidir.

(-) Dar kısımlarda akışların birbirlerini engellememeleri

için biyokütle boyutunun ayarlanması gereklidir.

(-) Biyokütlenin nem içeriği %25’ten düşük olmalıdır.

(-) Çıkış gazlarının yüksek sıcaklığı, düşük gazlaştırma

verimine sebep olur

13

Karşıt Akışlı Gazlaştırıcı

(+) Sistemin avantajı düşük ölçülerde de

üretim yapılabilmesidir.

(-) Dezavantajı ise yüksek kalitedeki

odun kömürü ihtiyacına karşılık düşük

katran dönüşümüdür.

14

Açık Akışlı Gazlaştırıcı

Açık akışlı gazlaştırıcılar,

özellikle düşük yoğunluğa sahip

saf maddeler (örn. Pirinç

kabukları) için dizayn edilmiştir.

15

Akışkan Yataklı Gazlaştırıcı

17

GAZLAŞTIRMA

PROSESİNİN

AVANTAJ &

DEZAVANTAJLARI

27

AVANTAJLARI:

-Gazlaştırma daha temiz enerji üretebilen bir enerji üretim teknolojisidir.

-Yenilenebilir enerji teknolojileri arasında, farklı hammadde kombinasyonlarının

kullanılabilindiği bir teknolojidir.

-Fosil yakıtlar, kükürt dioksit, azot oksitler ve radyoaktif alanlar (nükleer) atmosfer kirletilirken,

direk yakma yerine gazlaştırma teknolojisi kullanımında emisyonlar büyük bir şekilde

sıfırlanabilmektedir.

-Gazlaştırma yöntemi ile elde edilen gazın kalitesi iyileştirildiğinden, makinalarda kullanımında

daha verimli ısı ve elektrik enerjisi elde edilebilmektedir.

-Fosil yakıtlar ve radyoaktif gücün yerine biyokütlenin konulabilmesini sağlayabilecek bir

teknolojidir.

-Gazlaştırma atıkların çevirim teknolojisinde (kentsel atıklardan zirai artıklara kadar) kullanışlı

ve yüksek kaliteli enerji sağlaması bakımından türünün tek örneğidir.

28

DEZAVANTAJLARI :

-Daha az kullanılmasındaki en önemli faktör; petrol ürünlerine göre üretimi ve depolanmasının daha

zahmetli olması, gaz üretim sistemlerinin çalıştırılması için farklı üniteler gerektirmesidir.

-Gazlaştırıcı bir sistem başlıca; bir gazlaştırıcı ünite, temizleme sistemi ve enerji dönüşüm

sisteminden (yakma veya içten yanmalı motor) oluşur.

-Gazlaştırmada en önemli problem gaz üretmek değildir. Üretilen gazın içten yanmalı motorların

kullanabileceği şekilde fiziksel ve kimyasal özelliklerini sağlamaktır.

-Gazlaştırıcı ile içten yanmalı makina arasında bir depolama tankı yoktur. Bu nedenle depolama

problem oluşturmaktadır. Üretilen gaz motorda yakılmadan önce ise çok iyi temizlenmelidir.

-Gazlaştırıcıda üretilen yanabilir gazlarda homojen bir karışım yoktur ve zamana bağlı olarak da

gazın fiziksel ve kimyasal özellikleri (bileşimi, enerji miktarı, kirliliği) değişebilir.

30

43

ESTERİFİKASYON NEDİR?

Şekil1 : Ester Yapısı

Genel olarak karboksilik asit ilealkolün ısı ve katalizör eşliğindetepkimeye girerek ester oluşturmasıdır.

KULLANIM ALANLARI

-Koku ve aroma sanayi-Karboksilik asit ve alkol testleri-Polimer endüstrisi-Boya, vernik, sabun, ilaç gibi ürünlerin üretimi

Şekil: Transesterifikasyon Yöntemi Kimyasal Gösterimi

Stokiyometrik bir transesterifikasyon reaksiyonu için alkol ve yağın moloranı 3 :1 olmalıdır.Biyodizel üretiminde en çok kullanılan alkol türü metanoldür.Katalizör olarak en çok sodyum hidroksit ve potasyum hidroksitkullanılır.

Alkol ve Katalizörün karıştırılması

Katalizör alkol içerisinde çözünür. Bu işlem sonucunda sodyum/potasyum metoksit (CH3ONa) oluşur.

NaOH + CH3OH CH3ONa + H2O

Transesterifikasyon ReaksiyonuYağ 60oC ye kadar ısıtılır. Alkol/katalizör karışımı karıştırılarak ilave edilir. Reaksiyon verimini arttırmak için metil alkol fazlası kullanılabilir.

BİYOFOTOLİZ

Biyofotoliz, bazı mikroskobik alglerden güneş enerjisi yardımıyla hidrojen ve oksijen

elde edilme işlemidir.

Deniz suyu içindeki bu algler bir tür güneş pili gibi çalışarak deniz suyunu fotosentetik

olarak ayrıştırmaktadır.

Elde edilen yakıt biyohidrojendir.

BİYOLOJİK HİDROJEN ÜRETİMİ

Biyohidrojen kavramı, yenilenebilir kaynaklardan (güneş, su, organik atıklar) hidrojeninbiyolojik ya da fotobiyolojik yolla üretimi için kullanılmaktadır. Bu amaçla bazı bakterilerve mikroalglerden yararlanılmakta, biyolojik yolla hidrojen eldesi küçük ölçeklerde son 25yıldan beri daha yoğun olarak çalışılmaktadır.

Hidrojen üretiminde biyolojik yöntemlerin kullanılması henüz ucuz olmamakla birlikte,çevre dostu temiz teknolojinin tercih edildiği durumlar ve özellikle 21. yüzyıl için iyi biralternatif enerji kaynağı olması kaçınılmazdır.

Biyolojik yolla hidrojen üretim yöntemleri şeması

Biyolojik hidrojen üretim yöntemlerinin substrat ve ürünlerinin karşılaştırılması

Suyun Biyofotolizi İle Hidrojen Üretimi

Biyofotoliz, alglerden güneş enerjisi yardımıyla hidrojen ve oksijen elde etme işlemidir.

Deniz suyu içindeki algler, bir tür güneş pili gibi çalışarak deniz suyunu fotosentetikolarak ayrıştırırlar.

Fotokimyasal reaksiyonlar genelde, radyasyon (kızılötesi, görünür veya morötesi)şeklinde absorbe edilen enerji ile başlatılır.

Fotokimyasal reaksiyonlar bazen ışık enerjisinin kimyasal enerjiye çevriminde oldukçayüksek verim gösterirler. Yeşil bitkilerdeki fotosentez olayında, sudaki hidrojen veoksijen molekülleri arasındaki kararlı yapının ışık enerjisi yardımıyla kırılması şeklindebaşlar. Ancak, bu reaksiyon sadece bitkilerde oluşur.

Fotosentetik olarak aktif bazı mikroorganizmalar, içerdikleri pigmentler nedeniyle,

suyun ayrıştırılması için daha düşük enerjili, yani görünür bölgede ışınıma gerek

duyarlar. Son yıllarda bu alanda yapılan çalışmalarda, çeşitli mikroorganizmalar ile

deniz yosunları (makroalgler) hidrojen üretimi için oldukça ümit verici

bulunmuştur.

Biyofotoliz işlemi, bitki ve alglerdeki fotosentezin esasını oluşturur. Fotosentezde,

ışığın absorbe edilmesiyle iki ayrı fotosentetik sistem serisi oluşur:

1) Suyun ayrılması ve O2’nin yayılması sistemi (“ fotosistem II” veya “PS II”)

2) Fotosistem I (PSI) ,CO2 ‘in indirgenmesi.

1)BİYOFOTOLİZ

• DOĞRUDAN BİYOFOTOLİZ

• DOLAYLI BİYOFOTOLİZ

Doğrudan Biyofotoliz

Doğrudan biyofotoliz ile hidrojen üretiminde mikro- ve makro-algler ışık enerjisinikullanarak hidrojen üretirler.

Üretilen hidrojen iyonları, hidrojenaz enzimi ile hidrojen gazına dönüşür.

Direkt biyofotoliz reaksiyonunda elektronlar sudan iki fotosistem (PSII ve PSI) aracılığı ilehidrojene akar.

Direkt biyofotoliz suyun parçalanması (PSII) ve ferredoxin-indirgenmesi fotosistem(PSI)’den meydana gelir

Doğrudan biyofotoliz sistematiği şeması

Doğrudan Biyofotoliz Özellikleri

Yapılan çalışmalarda doğrudan biyofotoliz ile hidrojen üretiminin maliyetinin 20 $/GJolduğunu belirtmiştir.

Düşük hidrojen üretim potansiyeli ve hiçbir atığın kullanılmıyor olması diğerdezavantajlarıdır

Direkt biyofotoliz prosesi 1 atm oksijen basıncına yakın kısmı basınçta işletilmelidir.

Direkt biyofotolizde literatürde açıklanan hidrojen üretim hızı 0,07 mmol/saat L’dir.

Bu proses oldukça zayıf ve hassas bir yapıya sahiptir. Hız oldukça düşüktür (diğerfotosentetik reaksiyonların onda birinden daha az), kısa ömürlüdür (yaklaşık 15 dakikadevam eder). Bütün bunların sebebi O2 birikimine bağlanmıştır.

Dolaylı BiyofotolizDirekt biyofotolizde gözlenen O2’nin engelleyici etkisinden kaçınmak için, indirektbiyofotoliz önerilmiştir. İndirekt biyofotoliz şu adımlardan meydana gelir:

1) Fotosistemde biyokütlenin oluşumu

2) Alg hücrelerindeki glukozun 1 molü, başına 2 mol asetat ve 4 mol hidrojenin aerobik karanlık fermentasyonda üretimi

3) 2 mol asetatın hidrojene dönüşümü

Dolaylı biyofotoliz sistematiği şeması

2) FOTOSENTETİK BAKTERİ İLE ORGANİK BİLEŞİKLERDEN HİDROJEN ÜRETİMİ

Moleküler hidrojen üreten fotosentetik mikroorganizma güneş enerjisi varlığında

indirgenmiş bileşikleri (organik asitleri), azotun yetersiz olduğu şartlar altında

nitrojenaz ile katalizler.

Bu mikroorganizmalar suyu parçalamada yeterince etkili değillerdir. Bununla birlikte

anaerobik şartlar altında, bu mikroorganizmalar elektron vericisi olarak asetik asit gibi

basit organik asitleri kullanmaya yeteneklidirler. Bu elektronlar, ATP formunda enerji

kullanan ferredoksin ile nitrojenaza taşınır. Azot mevcut olmadığı zaman, nitrojenaz

enzimi protonu hidrojen gazına indirgeyebilir.

Bu Prosesin Faydaları:

1- Yüksek teorik dönüşüm verimine sahip oluşu

2- Farklı biyolojik sistemlerde aktivitenin yitirilmesi problemine sebep olan O2-gelişim olmayışı

3- Geniş spektrumdaki ışığın kullanılabilirliği

4- Atıklardan türeyebilen organik substratları ve onları tüketebilmesi, atık suarıtımı ile birlikte kullanım potansiyeline sahip oluşumu

3)ORGANİK BİLEŞİKLERDEN FERMENTATİF HİDROJEN ÜRETİMİ

Hidrojen, karbonhidratça zengin substrat üzerinde karanlıkta büyüyen anaerobik bakteriile de üretilebilir.

Fermentasyon ve en son ürüne bağlı olarak glukozdan farklı miktarda hidrojenüretilebilir. Laboratuvar denemelerinde hidrojen üretim hızı 77 mmol/saat L olarak eldeedilmiştir.

Organik atıkların anaerobik asetojenizinde üç tip fermentasyon meydana gelir; bunlarpropiyonik asit, bütirik asit ve etanol tipli fermentasyondur. Aynı işletme koşullarındayapılan çalışma göstermiştir ki organik atıktan hidrojen üretiminde etanol tiplifermentasyon (2,96 mol/kg MLVSS gün), propiyonik asit ( 0,022 mol/kg MLVSS gün)ve bütirik asit ( 0,57 mol/kg MLVSS gün) tipli fermentasyondan daha uygun olduğubulunmuştur.

Endüstriyel üretim için fermentasyon ile hidrojen üretimi bazı

avantajlara sahiptir. Bunlar:

1-Fermentatif bakteri yüksek hidrojen gelişim hızına sahiptir .

2-Fermentatif bakteriler organik maddeden gün ve gece boyunca sabit

olarak hidrojen üretebilirler .

3-Fermentatif bakteriler, üretim sisteminde iyi bir büyüme hızına

sahiptirler .

PROSES MİKROORGANİZMA

TİPİAVANTAJ DEZAVANTAJ

H2 ÜRETİM

HIZI

(mmol/l.saat)

DİREKT

FOTOLİZYEŞİL ALG

Su ve güneş ışığında

direkt olarak H2

üretebilir.

Solar dönüşüm

enerjisi ağaçlar ve

küçük bitkilere

nazaran 10 kata

kadar artar.

Yüksek ışık yoğunluğu gerekir.

02 sistem için tehlikeli olabilir. 0.07

DOLAYLI

BİYOFOTOLİZCYANOBACTERİA

Sudan H2 üretebilir.

Atmosferden gelen

N2’yi sabitleme

yeteneğine sahiptir.

Daha düşük fotokimyasal verimlilik.

Hidrojenaz enziminin alımı H2 ‘nin

degradasyonunu durdurmak için

kaldırılmalıdır.

Gaz karışımı içinde yaklaşık olarak

%30 O2 bulunur.

O2 nitrogenaz üzerinde sınırlayıcı bir

etkiye sahiptir.

0.335

PROSES AVANTAJ DEZAVANTAJ

FOTO -FERMENTASYONFarklı atık madde ve geniş spektrumdaki ışık

kullanılabilir.

O2 nitrojenaz üzerinde inhibitor etki

yaratır. Işık dönüşüm verimliliği çok

düşüktür,sadece%1-5

KARANLIK

FERMENTASYON

Işık olmaksızın tüm gün boyunca H2 üretilebilir.

Farklı karbon kaynakları substrat olarak

kulllanılabilir, yan ürün olarak değerli metabolitler

üretir, aneorobik prosestir,bu yüzden oksijenin

sınırlanması problemi yoktur.

Fermentör çıkışının daha ileri arıtımına

ihtiyaç vardır. O2 hidrojenaz için

kuvvetli bir engelleyicidir. Üretilen gaz

karışımı CO2 içerir,özel ayırma

teknikleri ile ayrılması gerekir.