Alg(Yosun) Biyodizeli

ALG ( YOSUN ) BİYODİZELİ

Terminoloji
Algae : Alg, yosun	Cultivation : Yetiştirme (kültür ortamında)
Micro Algae : Mikroalg	Freshwater : Tatlı su
Strain : Suş, tür	Power plant : Elektrik santrali
Life Cycle Assestment (LCA) : Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi	Flue gas : Duman gazı
Succinid asid : Süksinik asit	Land use : Arazi kullanımı
Biorefinery  : Biyorafineri	Byproduct : Yan ürün/ara ürün
Co-product(s) : Yan Ürünler	Greenhouse Gas : Sera Gazı
Raceway Ponds : Yosun Havuzu	Fetilizier : Gübre
Photobioreactor (PBR) : foto-biyoreaktör	Coagulant  : Pıhtılaştırıcı
Dissolved Air Flotation (DAF) : Çözünmüş hava flotasyonu	Transesterification  : Transesterifikasyon
Free Fatty Acid (FFA) : Serbest Yağ Asidi	Esterificaon : Esterleşme
Livestock : Besi Hayvanı	Saline water : Tuzlu su
Feedstock : Hammadde	Global warming : Küresel Isınma

ÖZET

İnsan popülasyonun artışı ve teknolojik gelişmeler 2030 yılına kadar enerji ihtiyacının en az %50 artacağını göstermektedir[1] . Şuandaki mevcut tüketim oranı doğanın sağladığı petrolün 105 katıdır[2].  Dahası , fosil yakıt kullanımı çevreyi sera gazları(Greenhouse gas) ve küresel ısınmayla tahrip etmektedir. [3,4] Bu yüzden temiz enerji (clean energy) gündeme gelmiştir.

Gelecekteki enerji talebini sürdürülebilir bir şekilde karşılamak için alternatif enerji kaynaklarını keşfetmeye ihtiyaç vardır. Tıpkı diğer hayvan yemleri ve kimyasallar gibi algler de biyodizel için hammadde olabilmektedir.

Ticari ölçekte herhangi bir uygulamadan önce bu tür bir üretim sisteminin yaşam döngüsü değerlendirmesi (YDD) yapılmalıdır.

Bu bağlamda, seçilen ürünleri ( biyodizel, protein, süksinik asit ) göz önüne alınmıştır.

GİRİŞ

Biyoetanol ve biyodizeller  biyoyakıtlar arasındadır ve yenilebilir ve/veya yenilebilir olmayan biyokütlelerden üretilirler. Yenilebilir olanlara şeker kamışı, mısır, kolza tohumu, hurma vb. yenilebilir olmayanlara lignoselülozik artıklar ve algler vb. örnekler verilir. Bununla birlikte, yenilebilir biyokütleden biyoyakıt üretiminin, son yıllarda gıda fiyatlarındaki artışın sebeplerinden biri olduğuna inanılıyor [5]  ve bu yüzden çoğu araştırmanın yenilebilir olmayan biyoyakıtlar üzerine odaklandığı görülür.

Biyodizel, soya fasulyesi, mısır yağı, hurma veya alg yağı gibi herhangi bir yağ türünden üretilebilir. Bunların yanı sıra, alg yağı daha çekicidir. Çünkü tarıma elverişli geniş alanlar gerektirmeden daha fazla yağ üretme kabiliyeti, alg türlerinin geliştirilme imkanı ve yüksek katma değerli ürünler çıkarma kapasitesinin olmasıdır. Aslında alglerden sadece biyodizel üretilmesi-nispeten düşük değerleri olmasından -ekonomik olarak mümkün olmamaktadır. Bu yüzden çoğu araştırma çalışmaları alglerin çoklu ürünleri üzerine yapılmaktadır. [6,7] Dizel, etanol ve yüksek katma değerli ürünler üretebilen “algal biorafinerisi(biyo arıtımhanesi)” ekonomik zorlukların üstesinden gelmek için bir seçenek olabilir. Hayvan yemi, sağlık ürünleri, kozmetik ürünler ve biyokimyasallar gibi katma değerli ürünler alglerden üretilebilir.

Litaratüre göre çok ürünlü alg biyorafinesinin ileriye dönük olabileceği açıktır. Piyasa talebine ve çevresel performansa dayalı olarak alg biyorafinesine dahil olabilecek diğer yüksek değerli ürünlerin seçimini keşfetmeye ihtiyaç duyulduğu da açıktır [8, 9,10].

ALG ÜZERİNE

Algler mikro ve makro görünebilirliklerine göre 2 sınıfa ayrılmaktadır:

§  Makro Algler : Mikroskop yardımı olmadan görülebilen büyük sucul fotosentetik bitkiler

§  Mikro Algler : Mikroskop yardımı gerektiren küçük mikroskobik sucul fotosentetik bitkileri.[11]

Yakıt hammaddesinde yağ oranı ve kalitesi önemlidir. Ağırlıkça:

§  Mikroalg’de %70 lipit(yağ)

§  Makroalg’de %30 lipit bulundurmaktadır. [12]

Hem yağ oranlarının yüksek olması hem de mikro alg suşlarının(türlerinin) laboratuvar ortamında gelişime açık olmasından dolayı yakıt hammaddesi olarak mikroalgler kullanılmaktadır.

Ayrıca, mikroalgler uygun büyüme koşulları altında, biyokütlelerini 24 saatten daha az bir sürede ikiye katlayabilirler [13,14].

Binlerce alg türü bulunmaktadır ancak bazı alg türleri biyoyakıt için diğerlerinden daha uygundur.

Alg üretimine uygun türün seçilmesinde etkili olan özellikler :

*  lipit (yüksek ve sabit)

*  büyüme ve verimlilik (değişken ortamlarda sürekli ve istikrarlı)

*  kirlenme (asgari)

*  hasat (kolay, esnek ve çıkarılabilirlik)

Chorella vulgaris ve Scenedesmus obliquus gibi bazı türlerinin şuan için sürdürülebilir olduğu düşünülmektedir.

Alglerden elde edilen algal yakıt 3. nesil biyo-yakıt olarak adlandırılır.

Genetik mühendislerinin, kimyagerlerin ve biyologların microalg suşları üzerinde çalışmalar yaparak endüstrinin taleplerini karşılayacak katma değeri yüksek yan ürünlerin yapılması mümkün gözülmektedir.

ALG YETİŞTİRME SİSTEMLERİ

Mikro algler, açık havuz, kapalı havuz, foto biyoreaktör veya hibrit fotobiyoreaktörler gibi çeşitli sulu sistemlerden yetiştirilebilir.

Şu anda iki ana mikroalgal yetiştirme sistemi benimsenmiştir: açık havuzlar ve fotobiyoreaktörler [15]. Avantajları ve dezavantajları Tablo'da listelenmiştir.

Yosun gelişimi için en uygun yetiştirme sıcaklığı 20-30 ° C olmalıdır [16].

İlk defa 1960'lı yılların başlarında Chlorella türleri kullanılarak Japonya'da büyük ölçekli ticari mikroalg ekimi başlamıştır.

Alg Açık Havuzları ( Open Ponds )

Açık havuz sisteminde ,mikroalg biyokütle verimliliğini doğrudan etkileyen çevre ortam koşullarını (örneğin sıcaklık ve hava durumu) kontrol etmek zordur.

Photobioreactors (PBR)

Photobioreactors (PBR) – DÜZ PLAKA

Fotobiyoreaktörler (PBR), fototrofik mikroorganizmaları yetiştirmek için bir ışık kaynağı kullanan biyoreaktörlerdir.

Açık havuzlara göre daha pratik ve daha üretgenlerdir. Ancak daha yüksek sermaye gerektirirler.

Fototroflar, enerji elde etmek için foton yakalamayı gerçekleştiren organizmalardır. Microalgler fototrofiktir.

Fotobiyoreaktörler farklı şekillerde oluşturulabilir:

      -Düz Plaka

      -Tübüler

      -Piramidal (üretim hızını arttıran tam kontrollü ve otomatik bir sistem     kullanması ve herhangi bir iklim koşulunda herhangi bir mikroaljın büyümesini sağlaması nedeniyle diğer tasarıma göre avantajlıdır )

Photobioreactors (PBR) – TÜBÜLER

Photobioreactors (PBR) – PİRAMİDAL

ALG YETİŞTİRME SİSTEMİ

Tüm süreç birkaç adım içerir. Süreç; ışık, karbon dioksit, su ve inorganik besinlerin kullanılıp mikroalg biyokütlesinin üretilmesiyle başlar. Sonra artık besinlerden ve sudan ayrılan hücrelerin hasadının yapılmasıdır. 3.adım biyokütleden alg yağının elde edilmesidir. 4. adımda anaerobik sindirimle elde edilen biogazdan elektrik üretilmesidir, ve bu üretilen elektriğin çoğu alg yetiştirme sistemi içinde kullanılır. Fazlalık olan elektrik satılabilir. Bu süreçte, enerji üretim aşamasından kaynaklanan karbondioksit emisyonları ilk adımda algleri beslemektedir. Böylece alglerin üretilmesi ve işlenmesi için gereken tüm güç prosesin kendi içinden elde edilebildiğinden bu işlem karbon-nötr olarak adlandırılmaktadır.

 
Mikroalg deniz suyunda ve ve tatlı suda(fresh water) yetiştirilebilir. Tatlı su kıtlığı düşünüldüğünde deniz suyu suşu/türü (Chorella vulgaris) yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bazı kaynaklarda ( Bknz : [17] ) ekonomik mikroalg yetiştirme sistemlerinde, mikroalglerin fotosentez için atmosferden emdiği CO2 miktarının  yeterli olmadığını bu yüzden fosil yakıt yakan elektrik santrallerinin bacalarından daha yüksek konsantrasyona sahip CO2’lerin tutulması gerektiği söylenmektedir.  Bu tutulan CO2 ler NOx ve SOx emisyonlarından sıyrılarak kullanılmaktadır. Bu yöntem karbon emisyonlarının ömrünü uzatmak için umut verici bir seçenek olabilmektedir.

ALGTEN BİYODİZEL,HAYVAN YEMİ, SÜKSİNİK ASİT VE DİĞER YAN ÜRÜNLER ÜRETİM SİSTEMİ ÖRNEĞİ

Bu örnekte yosun havuzları(raceway pond) için kullanılabilecek  önceden soğutulmuş,NOX ve SOX emisyonlarından sıyrılarak elde edilebilen hali hazırda mevcut bir CO2 akışının olduğu varsayılmıştır [18].

Chlorella vulgaris'in (kuru kütle bazında) bileşiminin [protein (% 50), karbonhidratlar (% 15) ve lipitler (% 25) diğerleri (% 10)] olduğu varsayılmıştır. [19].

Yosun havuzlarındaki yetiştirme işleminden sonra biyokütle büyüdüğü ortamdan ayrılmalıdır. Alg biyokütle hasadı için çeşitli teknik ve kavramsal(conceptual) teknolojiler önerilmiştir [20,21]. Bu çalışmada hasat aşaması birbirini takip eden 3 aşamaya göre modellenmiştir: ekim havuzlarıyla birleşik çökeltme tankları, çözünmüş hava flotasyonu ÇHF(üretilecek cevherin su sevme ve su sevmeme özelliklerini kullanarak sıvı içerisinde kabarcık oluşturarak suda yüzmesi veya batması ile diğer malzemelerden ayrılmasını sağlayan bir zenginleştirme yöntemidir.) birimi ve santrifüj birimidir. 

ÇHF ünitesinde organik bir pıhtılaştırıcı (Kitosan) kullanıldığı düşünülmüştür. Hasat bölümü su alma/Suyunu çıkarma ( dewatering), homojenleştirme ve sıvıların pompalanması işlemlerini  de kapsamaktadır.

Mikro algler tarafından üretilen doğal yağın büyük kısmı, biyodizel üretimi için doğru yağ olan triasilgliseroller formunda olduğu için, mikro algler biyoyakıt arenasında tek odak noktasıdır [22]. Alglerden yağ eldesi palm yağının çıkarılmasından yaklaşık 3 kat daha hızlıdır.[23].

Microalgten biyodizel üretmek için alg yağlarının transesterleştirilmesi en etkili yollardan birisidir.

Biyodizel transesterifikasyon reaksiyonu çok basittir.

Biyodizel üretimi, transesterifikasyonu arttırmak için kontrollü bir reaksiyon odasında trigliseritlerin, metanolün ve katalizörün (potasyum hidroksit KOH(baz), sodyum hidroksik NaOH (baz) veya asit gibi alkali olabilir) karıştırılmasını içerir.

DİZEL MOTORUNDA PERFORMANS VE EGZOZ EMİSYONLARINA ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI

 Deney Motoruna ait Teknik Özellikler

Bu çalışmada mikroalglerde transesterifikasyon metodu ile biyodizel üretilmiş ve dizel yakıtı ile çeşitli oranlarda karıştırılarak tek silindirli motorda test edilmiştir .

Bu çalışmada, mikroalg yağından transesterifikasyon yöntemi kullanılarak elde edilen biyodizel yakıtı hacimsel olarak %60 ve %80 oranlarında dizel yakıtı ile karışım oluşturularak tek silindirli direkt püskürtmeli ve hava soğutmalı bir dizel motorda kullanılmıştır.

Üretilen karışımlarla motorun tam gaz ve değişik devir sayılarında motor performansı ve egzoz emisyon değerleri alınmıştır.

MOTOR MOMENTİ

Motor Momenti (Nm)

Motor devir sayısı (dev/dak)

  Grafiğin geneli göz önünde bulundurulduğunda D2 yakıtı diğer mikroalg biyodizel karışımlarından daha yüksek motor moment değerler ürettiği gözlenmiştir.

EFEKTİF GÜÇ

Efektif Güç (kW)

Motor devir sayısı (dev/dak)

 

Effektif güç, silindirler içinde elde edilen iç güçten, motorun çalışması için harcanan gücün çıkarılmasından sonra, motorun volanından ölçülen güçtür. Motorun devir sayısı ile motor efektif gücünün değişimi değerleri grafik haline getirilerek değerlendirilmiştir. 

Yakıtlar kendi aralarında değerlendirildiğde D2 yakıtı ile elde edilen güç değerleri mikroalg biyodi (B60.B80) yakıtlarla elde edilen güç değerlerinden daha yüksek değerler üretmiştir.

ÖZGÜL YAKIT TÜKETİMİ

Motor devir sayısı (dev/dak)

Özgül Yakıt Tüketimi (g/KWh)

 

ÖYT tüm devirlerde biyodizel karışımı yakıtlarda, dizel yakıtına göre daha fazla çıkmıştır Bu durum, biyodizel karışımlı yakıtların ısıl değerleri dizel yakıtından düşük olmasından kaynaklanıyor olabilir. Bu açıdan baktığımızdan biyodizel karışımı yakıtların ısıl değerleri düşük olduğundan birim güç başına tüketilen yakıt miktarı daha fazladır.

AZOT OKSİT (NOx) EMİSYON

Motor devir sayısı (dev/dak)

Nox (ppm)

 

Dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre Nox emisyonunun değişimi görülmektedir. 2 500 dev dak- 1’da ki değer durumları hariç tüm biyodizel karışımları dizel yakıtından daha fazla azot oksit emisyonu Dizel yakıtı ile biyodizel karışımlarının motorun tam gaz ve değişik devir sayılarına göre Nox emisyonunun değişimi görülmektedir. 2 500 dev dak- 1’da ki değer durumları hariç tüm biyodizel karışımları dizel yakıtından daha fazla azot oksit emisyonu

KARBONDİOKSİT CO2

Motor devir sayısı (dev/dak)

Karbondioksit (%)

 

Düşük devirlerde CO2 tüm deney yakıtları için düşük iken bütün yakıtlar için maksimum CO2 değerleri 2000 dev dak-1 da D2 için: 3.4(%) B60 için: 3.5(%) B80 için ise: 2.8 (%) şeklinde ölçülmüştür.

SONUÇ :

§  Mikroalg biyodizelinin dizel yakıtıyla olan B60 ve B80 karışımlarının motor performansı ve egzoz emisyon değerleri dizel yakıtına benzerlik göstermiştir. Elde edilen motor performans verileri D2 yakıtından daha düşük değerler üretmiştir.

§  Algten elde edilen biyodizel ile petrol dizeli aynıdır ve ihmal edilebilir bir değişim ile mevcut yakıt altyapısına dahil edilebilir.

§  Mikroalga biyoyakıtların ticari düzeyde üretimi, düşük biyokütle konsantrasyonundan dolayı hala mümkün olmamaktadır. Yosun üretiminin geleceği, gelişmiş fotobiyo reaktörler tasarlayarak, yüksek biyokütle hasadı, kurutma ve yağ çıkarma için düşük maliyetli teknolojiler geliştirerek sağlanabilir.

• Mikroalgler, üretiminin tarıma elverişli olmayan bir arazide yer alabilmesi nedeniyle, petrol kaynaklı taşımacılık yakıtlarının, gıda ve diğer mahsul ürünlerinin arzını olumsuz yönde etkilemeden tamamen yerinden etme potansiyeline sahiptir.
• Artık sular(waste water) ve CO2 temizliği açısından ciddi bir potansiyel olarak düşünülmeltedir.
• Mikroalgal biyokütle üretimi genellikle ekin büyütmekten daha pahalıdır. Mikroalgal biyokütle üretimi, ışık seviyelerinde günlük ve mevsimsel değişiklikler olsa da, serbest güneş ışığına dayanıyorsa maliyet minimize edilebilir. Dahası, diğer kullanımlarla birleşme, yüksek değerli ürünleri hedefleme ve artık yan ürünleri kullanma üretim ekonomisini artırabilir [40]. Bu açıdan, bol güneş ışığına sahip Etiyopya gibi tropik ülkeler, mikroalgal biyokütlesinin maliyet etkin üretimi için ideal bir yer olabilir.
• Life cycle emission olarak karbon döngüsü içinde fotosentez ile karbondioksidi dönüştürdüğü için karbon döngüsünü hızlandırır ayrıca sera gazı etkisine arttırıcı etkisi yoktur.
• Microalgae, ürettikleri değerli doğal ürünler, atık suları iyileştirme yetenekleri ve enerji bitkileri olarak potansiyelleri konusunda son yıllarda büyük ilgi görmüştür.
• Alg yağından biyodizel üretimi için jeotermal enerjiyle ısıtmalı uygun bir inşa yaklaşımı büyüleyici bir başarıdır.

İLERİ OKUMA – TÜRKİYE’DE ÇALIŞMA YAPAN AKADEMİSYEN VE BAZI ÇALIŞMALAR

• İMBİYOTAB – Mikroyosun Araştırma ve Geliştirme Birimi, Boğaziçi Üniversitesi (karbon negatif biyorafineri )
• Algal Biyoteknoloji Çalışmaları – 2013 : http://www.aquast.org/uploads/pdf_139.pdf
• Prof.Dr. ŞEVKET GÖKPINAR, Ege Üniversitesi - Ülkemizde ilk mikroalg kültür çalışması P.tricornutum ile başlamıştır.
• Prof.Dr. Oya Işık, Çukurova Üniversitesi
• Prof.Dr. Selim Çetiner, Sabancı Üniversitesi
• Doç.Dr. Leyla Uslu, Çukurova Üniersitesi
• Prof.Dr. Tolga Göksan, On Dokuz Mayıs Üniversitesi

 

KAYNAKÇA

[1] Maness PC, Yu J, Eckert C, Ghirardi M. Photobiological hydrogen production: efforts to scale up the capacity of green algae and cyanobacteria to use sunlight to convert water into hydrogen gas for energy use. Microbe 2009;4(6):275–80.
[2] Netravali AN, Chabba S. Composites get greener. Mater Today 2003;6(4):22–9.

[3] Chisti Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv 2007;25(3):294–306.
[4] Medipally SR, Yusoff FM, Banerjee S, Shariff M. Microalgae as sustainable renewable energy feedstock for biofuel production. BioMed Res Int 2015, [519- 513].

[5] Elbehri A, Segerstedt A, Liu P. Biofuels and the sustainability challenge: a global assessment of sustainability issues, trends and policies for biofuels and related feedstocks. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations, Trade and markets division; 2013.

[6] Subhadra BG, Edwards M. Coproduct market analysis and water footprint of simulated commercial algal biorefineries. Appl Energy 2011;88:3515–23.
[7] Rawat I, Ranjith Kumar R, Mutanda T, Bux F. Biodiesel from microalgae: a critical evaluation from laboratory to large scale production. Appl Energy 2013;103:444–67

[8] Subhadra BG, Edwards M. Coproduct market analysis and water footprint of simulated commercial algal biorefineries. Appl Energy 2011;88:3515–23

[9] Van Boxtel AJB, Perez-Lopez P, Breitmayer E, Slegers PM. The potential of optimized process design to advance LCA performance of algae production systems. Appl Energy 2015;154:1122–7.

[10] Gnansounou E, Dauriat A, Panichelli L, Villegas J. Energy and greenhouse gas balances of biofuels: biases induced by LCA modelling choices. J Sci Ind Res 2008;67:885–97.

[11] www.thesprucepets.com/defining-micro-and-macro-algae-2924083

[12] http://www.academicjournals.org/journal/AJB/articlefull-text/759466B62779

[13] Chisti Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv 2007;25(3):294–306.
[14] Schneider D. Grow your own?: would the wide spread adoption of biomassderived transportation fuels really help the environment. Am Sci 2006;94:408–9.

[15] Cazzola P. Algae for biofuels production Process description, life cycle assessment and some information on cost. OECD/IEA; 2010.

[16] Menetrez MY. An overview of algae biofuel production and potential environmental impact. Environ Sci Technol 2012;46(13):7073–85.

[17] FAO. Algae-based biofuels: a review of challenges and opportunities for developing countries. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations; 2009.

[18] Ajayebi A, Gnansounou E, Kenthorai Raman J. Comparative life cycle assessment of biodiesel from algae and jatropha: a case study of India. Bioresour Technol 2013;150:429–37.

[19] Becker EW. Micro-algae as a source of protein. Biotechnol Adv 2007;25:207–10.

[20] FAO. Algae-based biofuels: a review of challenges and opportunities fordeveloping countries. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations; 2009.
[21] Tran DT, Le BH, Lee DJ, Chen CL, Wang HY, Chang JS. Microalgae harvesting and subsequent biodiesel conversion. Bioresour Technol 2013;140:179–86.

[22] Wen Z. Microalgae as a feedstock for biofuel production. Virginia Cooperative Extension publication; 2009. p. 442–886 〈http://pubs.ext.vt.edu/442-886〉.

[23] Chisti Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv 2007;25(3):294–306.

Makale Yazarı : Burak Erbilen - Otomotiv Mühendisi

TEŞEKKÜRLER

                    

  DÜNYANIN KARBON NEGATİF ÜLKESİ BHUTAN’DAN SELAM !
 

Makale Yazarı : Burak Erbilen - Otomotiv Mühendisi

Paylaş :