Enerji, Şalt, Enerji Kalitesi, Pano, Trafo, Kablo, Motor, Kesintisiz Güç Kaynağı, Topraklama, Aydınlatma, Test-Ölçüm, Elektrik Proje-Taahhüt, Elektronik, dergi

Biodizel Üretim Tekniği

1. Giriş

Biodizel üretimi, yeni ve yenilenebilir enerji kaynağı üzerine çalışan birçok araştırmacının ilgi odaklarından birisidir [1-7]. Kurumsal bazda gelişmiş bazı ülkeler, konuyu planlama kapsamında değerlendirirken, kişisel olarak araştırmacıların üretim tekniği konusunda bilgi ve tecrübeleri artmaya devam etmektedir [2, 4, 8]. Ülkemizde ise girişimcilerin konuya ilgisi oldukça yoğun olmakla birlikte teknik bilgi, devlet politikası ve yasal düzenleme eksiklikleri mevcuttur. Yeni enerji kaynakları üzerine bir denetleme, düzenleme, yasa oluşturma ve girişim yönlendirme acil ihtiyaçtır. Konunun önemi ve değeri girişimciler tarafından anlaşılmakta ve günden güne ilgi artmaktadır.

Bu çalışmada, elde edilen yan ürün olması ve sanayide kullanım alanının yaygın olması nedeniyle ilk başta gliserin ve gliserin elde etme tekniği hakkında bilgi verilmiştir [2, 7]. Üçüncü bölümde biodizelin yakıt olarak kullanımı anlatılmıştır [4, 9]. Dördüncü bölümde biodizel üretimi için en yaygın olarak kullanılan teknik anlatılmış, üretimin hassas noktaları ve dikkat edilmesi gereken hususlar belirtilmiştir [2, 5, 10-12]. Tartışma ve sonuç kısmında ise konunun önemi vurgulanmıştır.

2. Gliserin Ayrıştırma

1779 yılında İsveçli bilim adamı K.W. Shele tarafından keşfedilmiştir. Yunanca glykys kelimesinden türetilmiştir ve adından anlaşılacağı gibi oldukça tatlıdır. Gliserol veya gliserin olarak isimlendirilir; temiz, renksiz, kokusuz ve kıvamlı bir sıvıdır. Dokununca yağ hissi verir. Üç-hidroksil grubu (OH) bir alkoldür. Diğer eşanlamları 1,2,3-üç-hidroksil propan veya 1,2,3-propanetriol’dur. Suda veya alkolde çözünür fakat eter, benzen veya yağlarda çözünmez. Kimyasal ifadesi C3H8O3’dür, teknik özellikleri ise; erime noktası 20°C, kaynama derecesi 290°C, hava ile karıştığında en düşük yanabilirlik derecesi 177°C’dir. Normal ortamında kimyasal olarak dengelidir. Kendi kendine reaksiyon oluşturma, yanma ve patlama özelliği yoktur. Potasyum klor veya potasyum mangan gibi sağlam oksitleyici ajanlar ile temasa geçtiğinde patlayıcı haline gelir [1].

Keşfedildiği ilk yıllarda yapıştırıcı ve şişe mantarı olarak kullanıldı. 1867 yılında A.B. Nobel gliserinden dinamit yaptı. Bu olay gliserin kullanımında bir devrim oluşturdu ve bugün gliserin 1500’den fazla çeşit üründe kullanılmaktadır. Doğal olarak bitkilerden ve sentetik olarak petrolden elde edilir.

Biodizel üretiminde, esterleme ile gliserin yan madde olarak üretilir. Esterleme ile ham gliserin elde edilir. Değişik oranlarda sabun, alkol, katalizör (sodyum hidroksit: NaOH veya potasyum hidroksit: KOH) ve su karıştırılır. Kullanılan oranlara bağlı olarak katı veya sıvı halde olabilir. Rengi ise şeffaftan açık sarı, opak veya koyu kahverengiye kadar değişebilir. Bu karışımdaki gliserin oranı yaklaşık %40 civarındadır. Biodizel işlemi sırasında bir miktar da sabun üretilir. Sabun miktarı serbest yağ asidine ve kullanılan suya bağlıdır. Serbest yağ asit oranı düşük ise, az su ve az katalizör kullanılırsa yan ürün olarak daha az sabun elde edilir. Az su ve katalizör kullanabilmek için ön işlem aşamasında sülfürik asitli ve iki aşamalı asit-baz metodu bir teknik olarak tercih edilebilir.

Biodizel üretiminde yan ürün olarak mümkün olduğu kadar fazla gliserin elde etmenin bir yolu da asitleme işlemidir. Sabun, fosforik asit (H3PO4) kullanarak serbest yağ asidi ve tuzlarına ayrılır. Bu işlemde 3 katlı tabaka oluşur. Üst tabakada serbest yağ asidi, orta tabakada gliserin ve alt tabakada tuzlar. Elde edilen gliserin %95 saflıktadır. Metanol ile alkol, tuz ve serbest yağ asitlerinden ayrıştırılarak saflaştırılır. Karışımdan alkol ayrıştırılıp daha sonra bu tekniği uygulamak gliserin saflığını ilk aşamada %80 değerine ulaştırır [3].

3. Biodizel

Bitki yağları ile dizel araç çalıştırmak yeni bir düşünce değildir. Rudolph Diesel icat ettiği motorda değişik bitki yağlarını ve özellikle yer fıstığı yağını denedi [4]. Petrol fiyatının ucuz olması nedeniyle bitki yağlarının yakıt olarak kullanımı terk edildi. Petrol fiyatlarındaki artış, petrolün tükenme korkusu, küresel kirlenme ve petrol savaşları yüzünden maliyet ve gelecek analizleri petrole olan bağımlılığı azaltmanın gerekli olduğunu gösterdi. Gelişen çevre bilinci de bunların üzerine eklenince yeni ve yenilenebilir yakıt türleri üzerindeki çalışmalar ve uzun vadeli yatırım planları uygulamaya konuldu. Bu kapsamda biodizel; zehirsiz, biyolojik bir yakıt olmasıyla dikkat çekmektedir. Hatta kullanılmış yağlardan bile elde edilmesi cazibesini artırmaktadır.

Genel olarak biodizel;

  • Bitkisel veya hayvan yağlarından elde edilebilir.
  • Kullanılmış yağlardan elde edilebilir.
  • Metanol ve sodyum hidroksitten elde edilebilir.
  • Araçlarda saf olarak veya petrol dizele belirli bir yüzde katılarak kullanılabilir.
  • Zehirsizdir.
  • Üretimi ve depolanması güvenlidir.
  • Zararlı egzoz emisyonu oluşturmaz.
  • Amerika Enerji Bakanlığı’nca en az %20 biodizel ve %80 dizel karışımının alternatif yakıt olarak kullanılması önerilmektedir [5]. Bazı kullanıcılar biodizel miktarını %70 seviyesine kadar değişik değerlerde kullanmaktadır.

Birçok ülkede ve Amerika’da posta araçlarında, üniversitelerde, ulusal parklarda, çöp ve geri dönüşüm şirketlerinin çoğunda zorunlu kullanıma sokulmuştur.

Biodizelin Emisyon Avantajları

  • Karbondioksit emisyonundaki azalma %100,
  • Kükürt dioksit emisyonundaki azalma %100,
  • Araç yaşına ve motor ayarına bağlı olarak, azot oksit emisyonundaki azalma %5-10,
  • İs ve kurum miktarındaki azalma %40-60,
  • Karbon monoksit emisyonundaki azalma %10-50,
  • Hidrokarbon emisyonundaki azalma %10-50,
  • Bütün hidrokarbon çeşitlerinde azalma,
  • Dizel kokusu yerine hoş bir patates kızartma kokusu yayması.

Biodizel yakıt kullanımında bazen azot oksit emisyonunda artış olabilmektedir. Bu sorun motor ayarları ile veya katalitik konvertör kullanarak giderilebilmektedir. Soğuk iklimlerde kullanılması yoğunluğunda artışa neden olmaktadır.

4. Biodizel Üretim Tekniği

Biodizel üretimi, teknik olarak çok zor değildir. Araçlarda güç kaybına neden olmaması için bitkisel yağın akışkanlığını artırmak yani viskozitesini azaltmak gerekir. Bunun birçok yolu vardır.

Bitkisel yağların yapısı, bir gliserin molekülüne tutunmuş 3 bitkisel yağ molekülü veya esterinden oluşur. Gliserin bitkisel yağı kalın ve yapışkan yapar. Biodizel elde etmek için, gliserini ortamdan ayırmak ve yerine alkol koymak gerekir. Bu işleme esterleme denir. Alkol olarak metanol kullanılır. Reaksiyon oluşturmak için katalizör kullanılmalıdır. Bitkisel yağ bir asittir ve molekülünü ayırmak için kuvvetli baz gerekir. Bu amaçla sodyum hidroksit (NaOH) kullanılabilir. Yeni yağ kullanıldığında NaOH miktarı sabittir. Yağ kullanılmış ise serbest yağ asitleri sıcaklıkla değiştiğinden NaOH miktarı farklılık gösterir1. Serbest yağ asidi miktarı titrasyon ile belirlenir.

Her çeşit saf yağdan biodizel elde etmek amacıyla reaksiyon oluşturmak için yağ miktarının %1’i civarında NaOH kullanılır. Bu, her litre yağ için 3.5 gram NaOH demektir. Kullanılmış yağlar, yeni yağlara göre daha asidiktir. Çünkü yağı ısıtmak serbest yağ asidi oluşturur. Serbest yağ asitleri damarlarda olduğu gibi yakıt borularında da tıkanmaya sebep olur. Bu yüzden biodizel işleminde nötr hale getirilmelidir. Bu asitler trigliserin içerisinde serbest olarak yüzer ve NaOH gibi bazik olan herhangi bir şeye tutunmaya çalışır. Bu yüzden eklenecek katalizör miktarını belirlemek gerekir. Titrasyon için metanol değil bitkisel yağ ile reaksiyona girmeyen izopropil alkol kullanılır. Böylece bitkisel yağ solüsyonda kalır2.Titrasyon işlemi;

  • 1 litre distile su içerisinde 1 gram NaOH eritilir.
  • 10 mililitre isopropil asit içerisinde 1 mililitre bitkisel yağ eritilir.
  • NaOH’lu solüsyonu seyreltilmiş bitkisel yağa damlatılırken her mililitrede bir PH miktarı ölçülür.
  • PH miktarı 8 veya 9 değerine çıkarsa serbest yağ asidi nötrleştirilmiş demektir.
  • PH seviyesi artıkça alkalinlik, azaldıkça asitlik oluşur. PH 8.3 civarında solüsyon renksiz, daha yüksek değerlere çıktıkça önce pembe ve sonra 10.4 civarında kırmızıya döner.
  • Bitkisel yağa eklenen her mililitre, biodizel reaksiyonu için her bir litre bitkisel yağa kaç gram NaOH katılacağına gösterir. Örneğin yağ/alkol karışımına 1 mililitre NaOH/Su solüsyonu katılmışsa, her bir litre kullanılmış bitkisel yağa 3.33 gram NAOH gerekli demektir. Bu miktar yağın özelliğine göre 3 ile 4.5 arasında değişir. Yeni yağ kullanıldığında titrasyona gerek yoktur ve 1 litre yağ için 3.5 gram NaOH kullanılır.

Her ölçekte biodizel üretimi yapılabilir. Miktarlar arasındaki tek fark kullanılan kabın boyutu veya yağ miktarıdır. Alkol olarak etanol veya metanol, katalizör olarak ise NaOH veya KOH kullanılır. Farklı alkol veya katalizör kullanıldığında bunların eklenme oranları değişir. Metanol ve NaOH kullanılmış ise bunlar birlikte karıştırılır. Karışım bir organik tuz olan sodyum metoksit (NaOCH3) oluşturur. Bitkisel yağ ile karıştırılan sodyum metoksit sonuçta biodizel ve gliserin üretiminin en temel yolunu oluşturur. Bir litre biodizel üretim aşamaları;

  • Eklenecek NaOH miktarını belirlemek amacıyla titrasyon yapmak,
  • 200 mililitre metanol içerisinde NaOH eritmek,
  • 1 litre bitkisel yağ ile elde edilen sodyum metoksidi 20 dakika karıştırmak,
  • 8 saat süresince gliserin çökelmesini beklemek3,
  • Biodizeli gliserinden ayırmak,
  • Her 10 litre biodizel karşılığında 2 litre gliserin elde etmek,
  • Hazır olan yakıtı saf veya katkılı olarak kullanmaktır.

Üretim aşamasında bitkisel yağı 50°C civarına ısıtmak yağın akışkanlığını artıracağı için işlemi hızlandırır. Denemeler sonunda ideal sıcaklık 55°C olarak belirlenmiştir. Daha yüksek sıcaklıklarda metanol buharlaşacağı için işlem verimi azalır (metanolun kaynama derecesi 64.7°C’dir). Karıştırma işlemi süresince sıcaklığı sabit tutmak verimi artırmaktadır. Eğer kapalı çevrim sistem tasarlanırsa alkolü geri kazanmak ve yeniden kullanmak mümkündür.

Bazı çevreci üreticiler metanol fosil yakıtlardan üretildiği için biyolojik olan etanolu tercih etmektedir. Etanol fazla zararlı değildir. Metanol ise öldürücü bir zehirdir. İçildiğinde iki saat içerisinde önce kör eder sonra ölüme sebep olur. Fakat etanol kullanarak biodizel üretmek biraz daha karmaşıktır.

Elde edilen biodizel içerisinde su olup olmadığını belirlemek için 50°C civarına kadar ısıtılır. Kabarcıklar ve çıtırdama varsa yakıtta su vardır. 60°C civarına kadar çıkıldığında bir reaksiyon yoksa su mevcut değildir. Bitkisel yağı 60°C civarında 15 dakika tutup sonra üretime başlamak daha kolay bir yöntemdir. Bu sıcaklıkta bekletilen yağdaki su dibe çöker, böylece ayrıştırmak ve yağı kurutmak kolaylaşır. Suyu kaynatıp buharlaştırarak ayırmak zordur. Çünkü yağ ısındıkça üste çıkar. Kullanılmış yağda tuz varsa suyu kurutmak daha zordur. Titrasyon sonucunun yüksek çıkması da su oranının fazla ve ayırmanın zor olduğunun bir göstergesidir.

Elde edilen biodizeli yıkayıp kullanmak; içindeki sabun, NaOH, metanol, gliserin ve diğer kalıntılardan arıtmak için gereklidir. Yakıtın kalitesini artırır. Bu konudaki birçok araştırmacı bu kalıntıların motor için zararlı miktarda olmayacağı düşüncesi ile yıkamanın gerekli olmadığı görüşündedir [6].

Petrol dizel kullanımı sırasında yakıt tankında kalıntılar oluşur. Biodizelin çözücü etkisi vardır ve bu kalıntıların çoğunu ortadan kaldırır. Yakıt olarak saf biodizel kullanıldığında yakıt sistemindeki lastik hortum gibi aksamlar zarar görebilir. Yeni model araçlarda yakıt sistemi boyunca daha dayanıklı malzemeler kullanılmaktadır. Eski model araçlarda ise ya yakıt sistemindeki lastik aksamlar değiştirilmeli veya saf biodizel kullanılmamalıdır.

Biodizel üretim sahası havalandırılmalı, çocuk ve hayvan girmemeli, vücut ve ayaklar korumalı giysi ile kapatılmalı, ellerde kimyasallara dayanıklı eldiven kullanılmalı, gözler korunmalı, ağızda maske olmalı ve karışım kapalı bir sistemde tutularak koklanmamalıdır. Karışımın kapalı ortamda olması son derece önemlidir. Oda sıcaklığında metanol buharlaşması az olmasına rağmen karışımın sıcaklığı yüksek olduğu için metanol buharlaşır. Açık kapta metanol buharı ortama yayılır ve ağız maskesi uzun işlem süresince yetersiz kalır. Metanol kabı havadan nem almaması için kapalı tutulmalıdır. Metanol katmak için en güvenli yol; kapalı bir kap ve kapalı sistem kullanmaktır. Metanol pompa ile kapalı bir sisteme yavaş yavaş katılabilir. Karışım ilk başta metanol katmanın etkisiyle ısınsa da, kapalı sistemden bir gaz çıkışı olmaz. Elde edilen metoksiti yine aynı şekilde kapalı sistemde tutulan yağa pompalayarak katmak en güvenli yoldur.

5. Tartışma ve Sonuç

Bu çalışma bir araştırma derlemesidir. Değişik ülkelerde bu konuda yıllar boyunca elde edilmiş tecrübe ve devlet politikaları gelişmiştir. Ülkemizde bu konuda planlı yatırım ve projelendirme gelişme aşamasındadır. Bu konudaki kişi ve kurum bazında insanların ilgisi ve yapmış olduğum bir önceki çalışmaya gelen talep sonucunda, biodizel üretim tekniği konusunda bilgilendirici bir yazıya ihtiyaç olduğu ortaya çıkmıştır. Bu çalışmada, biodizel üretim tekniği, gliserin elde edilmesi, kimyasal kullanımı, süreç tasarımı, güvenlik ve uyarılar verilmiştir. İncelemelerden elde edilen bir üretim işlemi anlatılmıştır. Bu konuya ilgili olan üçüncü şahıslara araştırma aşamalarında kullanacakları en temel bilgiler verilmiştir.

Kaynaklar

[1] http://www.sy-kogyo.co.jp/english/sei/1_gly.html

[2] http://journeytoforever.org/biodiesel_glycsep.html

[3] http://www.veggieavenger.com/store/propaganda.shtml

[4] http://www.boulderbiodiesel.com/tim/Rudolph/index.jsp

[5] http://www.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/epact/

[6] http://www.biodiesel.org/

[7] Gürleyük S.S. ve Akpınar S., Yeni Enerji Kaynakları : Biodizel, Yenilenebilir Enerji Kaynakları II. Sempozyum, YEKSEM’2003, Ekim 2003 İZMİR, pp.406-411

[8] Joshua Tickell, From the Fryer to the Fuel Tank, Tickell Enerji Consulting, Ashland Ohio, 2000

[9] Georges Vermeersch, “Development of a Biodiesel Activity”, International Congress and Expo Lipids, Fats, and Oils, sayfa 3, Würzburg, Almanya, 8-10 Ekim 2000

[10] J. Connemann ve J Fischer, “Biodiesel World 2000”, International Congress and Expo Lipids, Fats, and Oils, sayfa 4, Würzburg, Almanya, 8-10 Ekim 2000

[11] http://www.mnsu.edu/research/URC/OnlinePublications/URC2004Articles/CraigHaase.pdf

[12] http://www.cytoculture.com/Biodiesel/Handbook.htm