ÖZET
Enerji, her zaman insanlık tarihinin en önemli konularından biri olmuştur. Enerjiye olan talep, Dünya nüfusunun da hızla artmasıyla paralel bir şekilde artış göstermektedir. Günümüzde enerji ihtiyacının %80’i fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Ülkeler, artan iklim krizi ve fosil yakıt depo rezervlerindeki azalma ile alternatif enerji kaynaklarına yönelmiş durumdadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan biyodizelin üretiminde hammaddenin büyük çoğunluğunun tarım ürünü olması biyodizel üretiminde çeşitli kısıtlamalar meydana getirmektedir. Son zamanlarda bu kısıtlamaları ortadan kaldırabilmek için biyodizel üretiminde tarım ürünleri kullanmak yerine farklı alternatifler geliştirilmeye yönelik çalışmalar devam etmektedir. Bu çalışmalar neticesinde üçüncü nesil biyoyakıt olan mikroalglerin de biyodizel üretiminde kullanılabileceği görülmektedir. Biyodizel üretiminde kullanılan çeşitli yöntemler arasında mikroalglerin biyokütle lipit üretiminin yüksek olması ve aynı zamanda çevre dostu olması dikkat çekmektedir.
Anahtar Kelimeler: mikroalg, biyodizel, yenilenebilir enerji, üçüncü nesil biyoyakıt
ABSTRACT
Energy has always been one of the most important issues in human history. The demand for energy is increasing in parallel with the rapid increase in the world population. Today, 80% of energy needs are met from fossil fuels. Countries have turned to alternative energy sources with the increasing climate crisis and the decrease in fossil fuel storage reserves. The fact that the majority of the raw material in the production of biodiesel, which is one of the renewable energy sources, is agricultural product, creates various restrictions in biodiesel production. In order to eliminate these restrictions, studies have been continuing to develop different alternatives instead of using agricultural products in biodiesel production. As a result of these studies, it is seen that microalgae, which is a third-generation biofuel, can also be used in biodiesel production. Among the various methods used in biodiesel production, the high biomass lipid production of microalgae and its environmental friendliness are noteworthy.
Keywords: microalgae, biodiesel, renewable energy, third generation biofuel
GİRİŞ
Günümüzde iklim ve enerji krizi, küresel bir problem halini almış bulunmaktadır. Küresel ölçekte kullanılmakta olan fosil yakıtlar her geçen gün atmosfere salınmakta olan karbondioksit oranını arttırarak küresel ısınmayı tetiklemekle beraber iklim ve enerji krizi sorununu da günden güne derinleştirmektedir. Karbon salınımını azaltmak için fosil yakıtların yerine yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına yönelmek gerekmektedir.
Yenilenebilir enerji türleri güneş, rüzgâr, jeotermal, hidroelektrik, biyokütle, dalga, gelgit ve hidrojen enerjisi olarak sınıflandırılabilir. Ham petrol fiyatlarının ve küresel ısınmanın her geçen gün daha büyük bir boyuta ulaşması ile biyokütle enerjisine verilen önem de artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları sınıfında yer alan biyokütle enerjisi, fosil kaynaklara iyi bir alternatiftir. Biyokütle enerjisinin alt başlıklarından biri de biyodizeldir.
“Biyo” kelimesi,yakıtın canlı kaynaklı (hayvansal ve bitkisel yağlar) olduğunu; “dizel” ise motorlu dizel taşıtlarda kullanımını ifade etmektedir (Özdemir&Mutlubaş.2016). Biyodizel ham maddesi; yağlı tohum bitkileri (kolza, ayçiçeği, aspir, soya…), hayvansal yağlar veya atık yağlardır. Biyodizel,diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına nazaran üretiminin daha az maliyetli olması ve kolay olmasından kaynaklı olarak her geçen gün daha da yaygınlaşmaktadır.
Biyokütle enerjisi ile elde edilen biyoyakıtların sıvı formunda olan şekli biyodizeli, ilk olarak Rudolf Diesel kullanmıştır. Biyodizel genel olarak tarımsal ürünlerin atıklarından ve bitkisel yağlardan elde edilir. Diesel, ilk olarak fıstık yağını kullanarak biyodizel eldesi üretmiştir (Knothe ve diğerleri, 2005).
Motorlu dizel taşıtlarda biyodizel kullanımı için özellikle iki alanda çalışmalar yapılmaktadır. Bunlardan ilki kaliteli yakıt üretebilmek amacıyla yakıt özelliklerinin iyileştirilmesi; ikinci alan ise motor tipi değişikliğidir. Kaliteli yakıt üretimi için biyodizel üretiminde kullanılacak yağların viskozitelerinin azaltılması gerekmektedir. Viskozitelerin azaltılmasında kimyasal yöntemler kullanılmaktadır. Kullanılan kimyasal yöntemler; seyreltme, mikroemülsiyon oluşturma, piroliz ve transesterifikasyon (iç ester değişim reaksiyonu) ‘dur.
Bu dört yöntemin içerisinde en yaygın olarak kullanılan transesterifikasyondur. “Transesterifikasyon yöntemi, trigliserit molekülünün alkol ve baz ile reaksiyona girerek, yağ esterleri ve gliserin oluşum süreci olarak tanımlanır.” (Özdemir&Mutlubaş.2016). Biyodizel üretimi bu yöntem ile gerçekleştirilir. Ayrıca petrolden elde edilen dizelin kalitesinin arttırmak amacıyla da belli oranlarda dizel-biyodizel karışımı yapılabilmektedir.
B20-(%20 Biyodizel-%80 Dizel)
B40-(%40 Biyodizel-%60 Dizel)
B60-(%60 Biyodizel-%40 Dizel)
B80-(%80 Biyodizel-%20 Dizel)
B100-(%100 Biyodizel)
Bu işlemin yapılmasındaki amaçlardan biri karbon salınımını düşürmektir.
Mikroalglerden Biyodizel Üretimi
Üçüncü nesil biyoyakıt grubunda yer alan mikroalglerden biyodizel üretme çalışmaları günümüzde hızla artış göstermektedir. Dünya’da yaklaşık olarak elli bine yakın mikroalg türü bulunmaktadır (Frac,2010). Mikroalgler, biyodizel üretiminde kullanılan diğer tarımsal ürünlere göre daha üstün özelliklere sahiptir.
Yağlı bitkilerden 5-30 kat daha fazla hızda büyüyebilirler (Teo,2014). Basit hücre yapısına sahip mikroalgler; içerdikleri yüksek lipit oranı ile (%80) gıda dışı biyoyakıt için iyi bir örnektir (Um,2019). Potansiyel enerjiyi bünyelerinde tutma özelliğine sahiptirler ve fotosentez ile bir yılda ürettikleri biyokütle,Dünya’da üretilen biyokütlenin %40’ına denk gelmektedir (Cheng vd.2013). Üretilen bu biyokütleyi biyodizele dönüştürmek mümkündür. Aşağıda bazı bitki ve mikroalglerin yağ verimi (L/ha) ve gereksinim duyulan arazi alanları (Mha) karşılaştırılmıştır.
Biyodizelin Üretim Aşamaları
Mikroalglerden biyodizel üretimi için çeşitli yöntemler vardır. Öncelikle çevrede var olan mikroalglerden örnek alınır. Alınan örnekler seyreltme yöntemi veya tek hücre izolasyonu yöntemi ile izolasyona tabii tutulur. Daha sonra mikroalglerin moleküler ve morfolojik analizleri yapılır. Yetiştirme ve hasat prosedürüne uygun bir şekilde yetiştirilip, hasat edilen mikroalgler; transesterifikasyon ve lipit ekstraksiyonu işlemlerinden geçerek biyodizel üretilir. Mikroalglerden biyodizel üretim aşamaları şematik diyagramı aşağıda verilmiştir.
Transesterifikasyon Yöntemi ile Mikroalglerden Biyodizel Üretimi
Hasat edilen mikroalglerden çıkarılan yağlar yüksek viskoziteye sahip olduğu için direkt olarak biyodizel formunda kullanılamaz. Yüksek viskozitenin düşürülebilmesi için transesterifikasyon yöntemi kullanılır. Uygun katalizörler seçilerek trigliseritler alkol ile tepkimeye girer. Bu tepkimede genellikle hem verimli hem de ucuz olmasından kaynaklı olarak metanol kullanılır.
Üç metanol molekülü, üç yağ asidi uygun bir katalizör yardımıyla tepkimeye girerek tepkime sonucunda bir molekül gliserol ve bir molekül biyodizel açığa çıkar. Bu tepkimede atık ürün ise gliseroldür. Atık ürün gliserol kozmetik endüstrisinde veya farmasötik olarak kullanılabilir. Tepkime üç aşamada gerçekleşir. İlk aşamada trigliseritler önce digliserite daha sonra monogliserite dönüştürülür. Son ürünler ise üç yağ mol asidi metil ester ve bir mol gliseroldür. Biyodizel üretimi için altı mol metanol ile bir mol gliserit tepkimeye sokulur. Bu aşama ile biyodizel üretilir ve verimliliği de %95’in üzerine çıkarılmaya çalışılır. (Frac ve ark.,2010).
SONUÇ VE ÖNERİLER
Günden güne artan enerji ihtiyacı ve talebi ile fosil yakıt rezervlerinin de tükeniyor olması her geçen gün yenilenebilir enerji kaynakları arayışını da arttırıyor. Dünya küresel ısınmanın tehditi altındayken yapılan önemli çalışmalardan biri de sera gazı emisyonlarını minimize etmektir. Bu doğrultuda yenilenebilir enerji kaynaklarından olan biyodizel ön plana çıkmaktadır.
Mikroalglerden biyodizel eldesi üretmek için kullanılan transesterifikasyon yöntemi birçok avantaj sağlamakla birlikte mikroalglerin yetiştirilmesinden hasadına kadar olan süreçlerin maliyetinin yüksek olması sebebiyle ticari boyutta biyodizel üretimine geçişte zorluklar yaşanmaya devam etmektedir.
Bu makalede yalnızca mikroalglerden transesterifikasyon yöntemi ile biyodizel üretimi tekniklerine kuramsal temelde yer verilmiştir. Biyodizel üretimi ile ilgili farklı teknik ve yöntemler olup, hepsinin birlikte incelendiği bir makale yazılabilir.
KAYNAKÇA
- Cheng, R., Ma, R., Li, K., Rong, H., Lin, X., Wang, Z., Yang, S., Ma, Y., 2012. Agrobacterium tumefaciens mediated transformation of marine microalgae Schizochytrium, Microbiological Research, 167, pp. 179– 186
- Frac, M., Tys, S.J., Tys, J., 2010. “Microalgae for biofuels production and environmental applications”: A review. , African Journal of Biotechnology, 9 (54), pp. 9227-9236.
- Knothe G., Van Gerpen Jon, Krahl Jon Van. The biodiesel handbook. AOCS Publication; 2005.
- Onay, M., 2015. Bio-fuel production from microalgae.
- Özdemir, Zafer., Ö., Mutlubaş, H. (2016). Biyodizel Üretim Yöntemleri ve Çevresel Etkileri. Kirklareli University Journal of Engineering and Science 2. 129-143
- Teo, C. L., Idris, A., 2014. Rapid alkali catalyzed transesterification of microalgae lipids to biodiesel using simultaneous cooling and microwave heating and its optimization, Bioresource Technology, 174, pp. 311–315.
- Um, B. H., Kim, Y. S., 2009. Review: a chance for Korea to advance algal-biodiesel technology J. Ind. Eng. Chem., 15 , pp. 1–7.
