ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
DOKTORA TEZİ
MİKROBİYEL LİPİTLERİN BİYODİZEL ÜRETİMİNDE KULLANIM KAPASİTELERİNİN BELİRLENMESİ
Sevgi ERTUĞRUL KARATAY
BİYOLOJİ ANABİLİM DALI
ANKARA 2010
Her hakkı saklıdır
i ÖZET Doktora Tezi
MİKROBİYEL LİPİTLERİN BİYODİZEL ÜRETİMİNDE KULLANIM KAPASİTELERİNİN BELİRLENMESİ
Sevgi ERTUĞRUL KARATAY Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Biyoloji Anabilim Dalı
Danışman: Prof. Dr. Gönül DÖNMEZ
Tez çalışmasında on üç adet maya, dört adet filamentli fungus ve beş adet termofil siyanobaktari izolatının hücre içi lipit biriktirme kapasiteleri belirlenerek, biyodizel üretiminde kullanım potansiyeline sahip üç adet maya (Candida tropicalis, Candida lypolitica, Rhodotorula mucilaginosa), bir adet filamentli fungus (Aspergillus versicolor) ve üç adet termofil siyanobakteri türü (Synechococcus sp., Cyanobacterium aponinum, Phormidium sp.) seçilmiştir.
Seçilen mikroorganizmaların yüksek kapasite ile hücre içi lipit biriktirdiği koşullar belirlenerek bu lipitlerin alkali katalizörle transesterifikasyonları sonucu oluşan metil ester dönüşüm verimleri gaz kromatografisinde hesaplanmıştır.
Mayaların ve filamentli fungusların hücre içi lipit birikim kapasiteleri melaslı besiyerinde, siyanobakterilerin hücre içi lipit birikim kapasiteleri ise azot içeren BG-11 besiyerinde kesikli sistem ile belirlenmiştir. Mikroorganizmaların en yüksek seviyede lipit biriktirdiği koşulların bulunması amacıyla pH, karbon çeşidi ve miktarı, azot çeşidi ve miktarı ve inkübasyon süresi için optimum değerler bulunmuştur.
C. lypolitica, C. tropicalis, R. mucilaginosa hücreleri, inkübasyon süresinin dördüncü gününde,1 g/L (NH4)2SO4 ve %8 ml melas çözeltisi içeren pH değeri 5’e ayarlanmış besiyerinde en yüksek lipit konsantrasyonuna ulaşmışlardır. En yüksek hücre içi lipit içerikleri ve C16 ve C18 metil ester verimleri C. lipolytica hücreleri için %59.9 ve %84.9, C. tropicalis hücreleri için %46.8 ve %92.3, R. mucilaginosa hücreleri için %69.5 ve %92.3 olarak bulunmuştur. A.
versicolor hücreleri ise; 1.0 g/L KNO3, %6 melas çözeltisi içeren pH değeri 4’e ayarlanmış besiyerinde inkübasyon süresinin onuncu gününde %22.8 lipit içeriğine ulaşmıştır. Fungal lipitin %17.2’sini C16, %82.8’ini ise C18 oluşturmaktadır. Synechococcus sp., C. aponinum ve Phormidium sp. hücrelerinin hücre içi lipit oranları 0.25 g/L NaNO3 içeren pH değeri Synechococcus sp. için 7’ye, C. aponinum için 8’e, ve Phormidium sp. için 9’a ayarlanmış BG- 11 besiyerlerinde inkübasyon süresinin 15. gününde belirlenmiştir. En yüksek hücre içi lipit içerikleri ve C16 ve C18 metil ester verimleri Synechococcus sp. için %42.8 ve %46.9, C.
aponinum için %45.0 ve %67.7, Phormidium sp. için %38.2 ve %90.6 olarak bulunmuştur.
Çalışmada kullanılan mikroorganizma lipitlerinin çoğunluğunu C16 ve C18 metil esterlerinin oluşturması, bunların biyodizel üretiminde hammadde olarak kullanılabilirliğini göstermektedir.
Haziran 2010, 110 sayfa
Anahtar Kelimeler: Mikrobiyel lipit, Biyodizel, Lipit birikimi
ii ABSTRACT Ph. D. Thesis
DETERMINATION OF THE MICROBIAL LIPID USAGE IN BIODIESEL PRODUCTION
Sevgi ERTUĞRUL KARATAY Ankara University
Graduate School of Naturel and Applied Sciences Department of Biology
Supervisor: Prof. Dr. Gönül DÖNMEZ
In the study, the lipid accumulation properties of thirteen yeast, four fungi ve five thermophyl cyanobacteria isolates were determined. Of these microorganisms Candida tropicalis, Candida lypolitica, Rhodotorula mucilaginosa, Aspergillus versicolor, Synechococcus sp., Cyanobacterium aponinum, Phormidium sp. were selected to evaluate biodiesel production capacities. The optimum conditions for the highest lipid production were determined and the extracted lipids were transesterified by an alkali catalyst. Gas Chromatograph was used to determine the methyl ester yields.
The lipid accumulation properties of the yeast and fungal cells were determined in molasses medium, whereas BG-11 medium was used for the lipid accumulation properties of cyanobacteria in a batch system. In order to determine the optimum conditions for the highest lipid accumulation, pH, incubation time, different carbon and nitrogen sources and amounts were examined
Candida lipolytica, Candida tropicalis, Rhodotorula mucilaginosa cells reached their maximum lipid accumulation in the media 1 g/L (NH4)2SO4 and 8% molasses solution at pH 5 after four days incubation time. The maximum lipid contents and C16 and C18 methyl ester yields were measured as 59.9% and 84.9% for C. lypolitica, 46.8% and 93.2% for C. tropicalis, 69.5% and 92.3% for R. mucilaginosa. A. versicolor fungal pellets were reached their maximum lipid content as 22.8% in the media containing 1.0 g/L KNO3 and 6% molasses solution at pH 4 after ten days incubation time. The fungal lipid contains C16 methyl ester as 17.2% and C18 methyl ester as 82.8%.
The lipid concentrations of Synechococcus sp., Cyanobacterium aponinum and Phormidium sp.
were determined in the BG-11 media containing 0.25 g/L NaNO3 and pH values of the media was 7 for Synechococcus sp., 8 for Cyanobacterium aponinum and 9 for Phormidium sp. the fifteenth incubation time. The maximum lipid contents and C16 and C18 methyl ester yields were measured for Synechococcus sp. as 42.8% and 46.9%, for Cyanobacterium aponinum as 45.0 % and 67.7%, for Phormidium sp. as 38.2% and 90.6%, respectively. The composition of the lipids of the microorganisms that were used in the thesis showed that they are favourable feedstocks for biodiesel production.
June 2010, 110 pages
Key Words: Single cell oil, Biodiesel, Lipid accumulation
iii TEŞEKKÜR
Tez çalışmamın her aşamasında yakın ilgi ve desteğini gördüğüm, çalışmalarımın yönlendirilmesi ve sonuçlandırılmasında çok büyük emeği geçen ve aynı zamanda kendimi geliştirmem için beni sürekli teşvik eden, her konuda destekleyen ve yönlendiren tez danışmanım Sayın Prof. Dr. Gönül DÖNMEZ’e (Ankara Üniversitesi Biyoloji Anabilim Dalı), tezimin hazırlanması sırasında her türlü olanağı sağlayan Ankara Üniversitesi Biyoloji Bölümü’ne, Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi’ne, çalışmalarım sırasında beni maddi olarak destekleyen TÜBİTAK BİDEB’e, deneylerim sırasında yardım ve desteğini gördüğüm bütün laboratuvar arkadaşlarıma, her konuda ve her zaman desteklerini aldığım ve tezimin hazırlandığı sürede gösterdikleri sabır, ilgi ve hoşgörüden dolayı anneme, babama, eşime ve kardeşime sonsuz şükran ve teşekkürlerimi sunarım.
Sevgi ERTUĞRUL KARATAY Ankara, Haziran 2010
iv
İÇİNDEKİLER
ÖZET ... i
ABSTRACT ... ii
TEŞEKKÜR ... iii
ŞEKİLLER DİZİNİ ... vi
ÇİZELGELER DİZİNİ ... viii
1. GİRİŞ ... 1
2. KAYNAK ÖZETLERİ ... 3
2.1 Biyodizel ve Üretimi ... 3
2.2 Triaçilgliserollere Uygulanan Kimyasal Modifikasyonlar ... 3
2.2.1 Transesterifikasyonu etkileyen faktörler ... 6
2.3 Biyodizel Üretiminde Kullanılan Hammaddeler ... 12
2.3.1 Bitkisel yağların biyodizel üretiminde kullanımı ... 12
2.3.2 Hayvansal yağların biyodizel üretiminde kullanımı ... 13
2.3.3 Atık yağların biyodizel üretiminde kullanımı ... 13
2.3.4 Mikrobiyel yağların biyodizel üretiminde kullanımı ... 14
2.4 Biyodizel Üretiminde Kullanılan Mikroorganizmalar ... 15
2.4.1 Bakteriler ... 15
2.4.2 Funguslar ... 16
2.4.3 Mikroalgler ... 16
2.5 Mikroorganizmalarda Lipit Biyosentezi ... 17
2.6 Hammaddenin Yağ Asidi Dağılımı ve Biyodizelin Yakıt Kalitesi ... 19
2.7 Biyodizelin Depolanması ... 25
2.8 Fungal Lipitlerin Hammadde Olarak Kullanıldığı Çalışmalar ... 25
2.9 Mikroalg Lipitlerinin Hammadde Olarak Kullanıldığı Çalışmalar ... 29
2.10 Tez Çalışmasında Kullanılan Mikroorganizmalar……….35
2.10.1 Funguslar……….35
2.10.2 Mikroalgler………...36
3. MATERYAL ve YÖNTEM ... 38
3.1 Materyal ... 38
3.1.1 Mikroorganizma kaynağı ... 38
3.2 Yöntem ... 38
3.2.1 Saf kültürlerin eldesi ... 38
3.2.2 Saf kültürlerin tanılamaları ... 40
3.2.3 Yüksek kapasite ile lipit üreten mikroorganizma seçimi ... 40
3.2.4 Mikrobiyel lipit üretimi için optimum koşulların belirlenmesi ... 42
3.2.5 Transesterifikasyon reaksiyonu ... 44
3.2.6 Analiz yöntemleri ... 45
4. ARAŞTIRMA BULGULARI ... 49
4.1 İzolasyon ve Tanılama ... 49
4.2 Besiyeri Bileşimlerinin Belirlenmesi ... 49
4.3 Maya Hücrelerinin Lipit Biriktirme Kapasitelerinin Araştırılması ... 50
4.3.1 Yüksek kapasitede lipit üreten maya hücrelerinin seçimi ... 50
4.3.2 Maya hücrelerinin lipit biriktirme kapasitesi üzerine ortam pH’ının etkisinin belirlenmesi ... 52
v
4.3.3 Maya hücrelerinin lipit biriktirme kapasitesi üzerine azot miktarının
etkisinin belirlenmesi ... 53
4.3.4 Maya hücrelerinin lipit biriktirme kapasitesi üzerine karbon miktarının etkisinin belirlenmesi ... 50
4.3.5 Maya hücrelerinin gelişimine ve lipit üretimine inkübasyon süresinin etkisinin belirlenmesi ... 56
4.3.6 Maya hücrelerindeki lipitlerin yağ asidi metil esteri dağılımları ... 60
4.4 Fungus Hücrelerinin Lipit Biriktirme Kapasitelerinin Araştırılması ... 63
4.4.1 Yüksek kapasitede lipit üreten fungus hücrelerinin seçimi ... 63
4.4.2 A. versicolor hücrelerinin lipit biriktirme kapasitesi üzerine ortam pH’ının etkisinin belirlenmesi ... 64
4.4.3 Farklı azot kaynaklarının fungal lipit birikimine etkisi ... 65
4.4.4. A. versicolor hücrelerinin lipit biriktirme kapasiteleri üzerine azot ve karbon miktarının etkisinin belirlenmesi ... 66
4.4.5 Fungal hücrelerin lipit birikimine inkübasyon süresinin etkisinin belirlenmesi ... 67
4.4.6 A. versicolor hücrelerindeki lipitlerin yağ asidi metil esteri dağılımları ... 68
4.5 Mikroalg Hücrelerinin Lipit Biriktirme Kapasitelerinin Araştırılması ... 70
4.5.1 Yüksek kapasitede lipit üreten mikroalg hücrelerinin seçimi ve bu hücrelerin lipit biriktirme kapasitesi üzerine ortam pH’ının etkisinin belirlenmesi ... 70
4.5.2 Mikroalg hücrelerinin lipit biriktirme kapasitesi üzerine inkübasyon süresinin etkisinin belirlenmesi ... 71
4.5.3 Mikroalg hücrelerinin gelişme ve lipit biriktirme kapasitesi üzerine azot miktarının etkisinin belirlenmesi ... 72
4.5.4 Triakontanol hormonunun mikroalg hücrelerinin lipit biriktirme kapasitesi üzerine etkisinin belirlenmesi ... 76
4.5.5 Triakontanol hormonu ve NaHCO3’ ın mikroalg hücrelerinin lipit biriktirme kapasitesi üzerine etkisinin belirlenmesi ... 77
4.5.6 Mikroalg hücrelerindeki lipitlerin yağ asidi metil esteri dağılımları ... 79
5. TARTIŞMA ve SONUÇ ... 82
5.1 Fungus Hücrelerinin Lipit Biriktirme Kapasitelerinin Araştırılması ... 82
5.1.1 Besiyerinin bileşimi ... 82
5.1.2 pH değeri etkisi ... 86
5.1.3 Besiyerindeki karbon çeşidi ve miktarı ... 87
5.1.4 Besiyerindeki azot çeşidi ve miktarı ... 89
5.1.5 Biriktirilen lipitlerin yağ asidi dağılımları ... 90
5.2 Mikroalg Hücrelerinin Lipit Biriktirme Kapasitelerinin Araştırılması ... 93
5.2.1 pH değeri etkisi ... 93
5.2.2 Besiyerindeki karbon çeşidi ve miktarı ... 94
5.2.3 Besiyerindeki azot çeşidi ve miktarı ... 96
5.2.4 Biriktirilen lipitlerin yağ asidi dağılımları ... 98
KAYNAKLAR ... 100
ÖZGEÇMİŞ ... 109
vi
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 2.1 Transesterifikasyon reaksiyonunun genel denklemi ... 5
Şekil 2.2 Alkali katalizör ile yapılan biyodizel üretiminin şematik gösterimi ... 9
Şekil 2.3 Lipaz katalizi ile yapılan biyodizel üretiminin şematik gösterimi ... 10
Şekil 2.4.a Hücre dışı, b. Hücre içi lipaz üretiminin karşılaştırılması ... 10
Şekil 4.1 Farklı glukoz konsantrasyonlarının maya hücrelerinin lipit biriktirme kapasiteleri üzerine etkisi ... 55
Şekil 4.2 C. lypolitica hücrelerinin gelişimine ve içerdikleri lipit konsantrasyonuna inkübasyon süresinin etkisi ... 56
Şekil 4.3 C. lypolitica hücrelerinin gelişimine ve içerdikleri lipit konsantrasyonuna 4 g/L glukoz içeren ortamda inkübasyon süresinin etkisi ... 57
Şekil 4.4 C. tropicalis hücrelerinin gelişimine ve içerdikleri lipit konsantrasyonuna inkübasyon süresinin etkisi ... 58
Şekil 4.5 C. tropicalis hücrelerinin gelişimine ve içerdikleri lipit konsantrasyonuna 4 g/L glukoz içeren ortamda inkübasyon süresinin etkisi ... 58
Şekil 4.6 R. mucilaginosa hücrelerinin gelişimine ve içerdikleri lipit konsantrasyonuna inkübasyon süresinin etkisi ... 59
Şekil 4.7 R. mucilaginosa hücrelerinin gelişimine ve içerdikleri lipit konsantrasyonuna 4 g/L glukoz içeren ortamda inkübasyon süresinin etkisi ... 59
Şekil 4.8 Candida lypolitica hücrelerinden elde edilen lipitin transesterifikasyonu sonucu oluşan metil esterleri ... 61
Şekil 4.9 Candida tropicalis hücrelerinden elde edilen lipitin transesterifikasyonu sonucu oluşan metil esterleri ... 61
Şekil 4.10 Rhodotorula mucilaginosa hücrelerinden elde edilen lipitin transesterifikasyonu sonucu oluşan metil esterleri ... 62
Şekil 4.11 A. versicolor hücrelerinin lipit konsantrasyonuna besiyeri pH’ının etkisinin belirlenmesi ... 64
Şekil 4.12 A. versicolor hücrelerinin lipit konsantrasyonuna inorganik azot kaynaklarının etkisinin belirlenmesi ... 65
Şekil 4.13 A. versicolor hücrelerinin lipit konsantrasyonuna organik azot kaynaklarının etkisinin belirlenmesi ... 66
Şekil 4.14 A. versicolor hücrelerinin içerdikleri lipit konsantrasyonuna inkübasyon süresinin etkisi ... 68
Şekil 4.15 Aspergillus versicolor hücrelerinden elde edilen lipitin transesterifikasyonu sonucu oluşan metil esterleri ... 69
Şekil 4.16 Azot içeren BG 11 besiyerinde geliştirilen mikroalg hücrelerinin farklı pH değerlerinde gösterdikleri hücre gelişimleri ... 71
Şekil 4.17 Farklı miktarlarda azot içeren BG 11 besiyerinde geliştirilen Synechococcus sp. hücrelerinin gösterdikleri hücre gelişimleri ... 73
Şekil 4.18 Farklı miktarlarda azot içeren BG 11 besiyerinde geliştirilen C.aponinum hücrelerinin gösterdikleri hücre gelişimleri... 74
Şekil 4.19 Farklı miktarlarda azot içeren BG 11 besiyerinde geliştirilen Phormidium sp. hücrelerinin gösterdikleri hücre gelişimleri ... 75
Şekil 4.20 Mikroalg hücrelerinin gelişimlerine triakontanol etkisi ... 76
vii
Şekil 4.21 Synechococcus sp.hücrelerinden elde edilen lipitin transesterifikasyonu sonucu oluşan metil esterleri ... 80 Şekil 4. 22 Cyanobacterium aponinum hücrelerinden elde edilen lipitin
transesterifikasyonu sonucu oluşan metil esterleri ... 80 Şekil 4.23 Phormidium sp. hücrelerinden elde edilen lipitin transesterifikasyonu
sonucu oluşan metil esterleri ... 81
viii
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 2.1 Alkali maddelerin ve enzimin katalizlediği transesterifikasyon
reaksiyonlarının karşılaştırılması ... 11
Çizelge 2.2 ASTM biyodizel standardı ... 21
Çizelge 2.3 EN 14214 biyodizel standardı ... 22
Çizelge 2.4 EN 14213 biyodizel standardı ... 23
Çizelge 2.5 Bazı bitkisel yağların ve dizel yakıtın fiziksel ve kimyasal özellikleri ... 24
Çizelge 2.6 Tez çalışmasında kullanılan maya ve filamentli fungusların sınıflandırılması ... 36
Çizelge 2.7 Tez çalışmasında kullanılan mikroalglerin sınıflandırılması ... 37
Çizelge 3.1 Tez çalışmasında kullanılan mikroorganizmalar ve kaynakları... 39
Çizelge 4.1 Farklı besiyeri bileşimlerinin maya hücrelerinin lipit birikimi üzerine etkisi ………...………...50
Çizelge 4.2 Farklı maya türlerinin melaslı besiyerinde gelişimlerinin 2. ve 4. günlerinde gösterdikleri lipit içerikleri... 47
Çizelge 4.3 C.lipolytica, C.tropicalis ve R.mucilaginosa hücrelerinin lipit konsantrasyonuna besiyeri pH’ının etkisinin belirlenmesi ... 52
Çizelge 4.4 C.lipolytica, C.tropicalis ve R.mucilaginosa hücrelerinin lipit konsantrasyonuna başlangıç (NH4)2SO4 konsantrasyonunun etkisinin belirlenmesi ... 53
Çizelge 4.5 C.lipolytica, C.tropicalis ve R.mucilaginosa hücrelerinin lipit konsantrasyonuna başlangıç melaskonsantrasyonunun etkisinin belirlenmesi ... 55
Çizelge 4.6 Melaslı besiyerinde geliştirilen C. lipolytica, C. tropicalis ve R. mucilaginosa hücrelerinin biriktirdikleri lipitlerin yağ asidi metil esteri dağılımları ... 60
Çizelge 4.7 Farklı fungus türlerinin melaslı besiyerinde gelişimlerinin 10. günlerinde gösterdikleri lipit konsantrasyonları... 63
Çizelge 4.8 Aspergillus versicolor hücrelerinin lipit konsantrasyonuna başlangıç KNO3 ve melas konsantrasyonlarının etkisi ... 67
Çizelge 4.9 Melaslı besiyerinde geliştirilen A. versicolor hücrelerinin biriktirdiği lipitin yağ asidi metil esteri dağılımı………..69
Çizelge 4.10 Farklı mikroalg hücrelerinin lipit konsantrasyonuna ortam pH’ının etkisinin belirlenmesi ... 70
Çizelge 4.11 Azot içeren BG 11 besiyerinde geliştirilen mikroalg hücrelerinin artan inkübasyon süresinde içerdikleri lipit miktarları... 72
Çizelge 4.12 Synechococcus sp. hücrelerinin lipit biriktirme kapasitesi üzerine artan inkübasyon süresi ve azot miktarının etkisinin belirlenmesi ... 73
Çizelge 4.13 Cyanobacterium aponinum hücrelerinin lipit biriktirme kapasitesi üzerine artan inkübasyon süresi ve azot miktarının etkisinin belirlenmesi... 74
Çizelge 4.14 Phormidium sp. hücrelerinin lipit biriktirme kapasitesi üzerine artan inkübasyon süresi ve azot miktarının etkisinin belirlenmesi ... 75
Çizelge 4.15 Triakontanolün mikroalg hücrelerinin lipit üretimine (%) etkisi ... 77
Çizelge 4. 16 Synechococcus sp. hücrelerinin gelişimleri ve lipit biriktirme kapasiteleri üzerine triakontanol içeren ve içermeyen ortamlarda artan NaHCO3 etkisinin belirlenmesi ... 78
ix
Çizelge 4.17 Cyanobacterium aponinum hücrelerinin gelişimleri ve lipit biriktirme kapasiteleri üzerine triakontanol içeren ve içermeyen ortamlarda artan
NaHCO3 etkisinin belirlenmesi ... 78 Çizelge 4.18 Phormidium sp. hücrelerinin gelişimleri ve lipit biriktirme kapasiteleri
üzerine triakontanol içeren ve içermeyen ortamlarda artan NaHCO3
etkisinin belirlenmesi ... 78 Çizelge 4.19 BG-11 besiyerinde geliştirilen mikroalg hücrelerinin biriktirdiği lipitin
yağ asidi metil esteri dağılımları ... 82
1 1. GİRİŞ
Günümüzde hızla gelişen sanayi ve artan özel tüketim ihtiyaçlarının karşılanmasına yönelik enerji arzının önemli bir bölümü petrokimyasal ürünlerden sağlanmaktadır.
Petrol ve türev ürünlerinin sınırlı doğal kaynaklardan üretiliyor olması enerji talebinin karşılanmasına yönelik bir takım farklı stratejiler geliştirilmesini mecbur kılmaktadır.
Yenilenebilir ve yüksek verimli enerji kavramı 21. yüzyılın alternatif enerji üretimi konusundaki çalışmaların temelini oluşturmaktadır. Bu durum özellikle son zamanlarda petrol temelli yakıtlarda görülen yüksek fiyat artışları ile daha da önemli hale gelmiştir.
Bu çalışmaların başında da biyodizelin içinde bulunduğu biyolojik materyalden sağlanan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı gelmektedir.
Ticari olarak bitkisel yağlardan üretilen biyodizel, pek çok Avrupa ülkesinde 1988 yılından beri alternatif bir yakıt olarak kullanılmaktadır. Uzun zincirli yağ asitlerinin transesterifikasyonu sonucunda oluşan metil esterleri olarak tanımlanan biyodizelin avantajları arasında biyolojik olarak parçalanabilmesi ve petrodizel yakıtlarla karşılaştırıldığında daha zararsız gaz emisyonları oluşturması sayılabilir. Fakat biyodizel üretiminde kullanılan yağ hammaddesinin pahalı olması petrol türevli yakıtlarla rekabet edemeyip pazarda hak ettiği yeri alamamasına neden olmaktadır.
Biyodizelin üretim maliyetini düşürebilmek için son yıllarda pek çok çalışma yapılmıştır. Bu konuda yapılan bazı çalışmalar biyodizelin bitkisel yağlardan farklı olarak mikrobiyel yağlardan da üretilebileceği gösterilmiştir. Biyodizelin günümüzde kullanılan petrol temelli yakıtların yerini alabilmesi için ticari ölçekte üretilebilmesi, petrol temelli yakıtlardan ucuz olması, yanma kalitesi bakımından günümüzde kullandığımız yakıtlarla aynı standardı taşıması gerekmektedir. Bu amaçla yürütülen araştırmalardan bazıları mikrobiyel lipitlerden biyodizel eldesi fikrini ortaya atmıştır.
Mikroorganizmalar bitkilere kıyasla; daha fazla lipit içermeleri, gelişim süreçlerinin daha kolay olması, değişen mevsim ve iklim şartlarından etkilenmemeleri ve kısa sürede çok miktarda üretilebilmeleri nedeniyle daha avantajlı olmaktadırlar.
2
Tüm canlılar zarları, yapısal ve fonksiyonel görevlerini yerine getirebilmek için lipit sentezlemek zorundadır. Fakat az sayıda mikroorganizma lipitleri depo maddesi olarak biriktirebilir. Yüksek lipit içeriğine sahip mikroorganizmalarda biriktirilen lipit daima triaçilgliserol formundadır. Genellikle bakteriler triaçilgliserol üretmezler, bunun yerine poli beta hidroksi bütirat ve alkanoat depo etmektedirler. Bu sebeple lipit biriktirme özelliği sadece bazı maya, fungus ve mikroalglerde görülmektedir. Bu özelliği taşıyan mikroorganizmalara “yağlı mikroorganizmalar” denmektedir.
Gerçekleştirilen bu tez çalışması kapsamında, maya, fungus ve daha önce literatür çalışmalarında yer almayan termofil özellikteki mikroalglerin lipit üretim kapasiteleri, biyodizele hammadde olması bakımından ilk defa çalışılmıştır. Bu mikroorganizmaların en yüksek kapasitede lipit ürettiği deneysel koşullar (pH, inkübasyon süresi, farklı azot ve karbon kaynakları, farklı azot ve karbon miktarları) tespit edilmiştir. Denenen her bir mikroorganizmanın en yüksek kapasitede lipit ürettiği optimum şartlar kesikli kültür sistemi ile belirlendikten sonra buradan elde edilen lipit alkali bir katalizör ile transesterifikasyona uğratılmıştır. Transesterifikasyon reaksiyonu sonucunda oluşan metil esterleri Gaz Kromatografi’de belirlenmiştir.
Gerçekleştirilen bu tez çalışması ile mikrobiyel lipitlerden biyodizel üretimi teknolojisine önemli bir katkı sağlanacağı düşünülmektedir.
3 2. KAYNAK ÖZETLERİ
2.1 Biyodizel ve Üretimi
Biyodizel, bitkisel veya hayvansal yağların uzun zincirli yağ asitlerinin metil esterlerinden oluşturulan ve “B100” şeklinde formüle edilen yakıt türüdür. Günümüzde biyodizel yakıt özellikleri Amerika’da ASTM D6751, Avrupa ülkelerinde ise EN 14214 standardına göre belirlenmektedir (Knothe 2010).
Biyodizel, petrol dizellerle karşılaştırıldığında biyolojik olarak parçalanabilir, zehirsiz özellikte ve daha düşük emisyon profiline sahiptir. Biyodizel kullanımı tarım, ekonomik gelişme ve çevre arasında dengenin kurulmasını sağlamaktadır (Meher vd. 2006).
Günümüzde biyodizel petrol temelli dizel yakıtların yerini tamamen alamasa bile, üretimini destekleyen birçok neden vardır. Bu nedenlerin başında bitkisel ve hayvansal yağların üretimi için pazar oluşturması, ülkelerin petrol ithalatına olan bağımlılığını azaltması, yenilenebilir özelliği ve kapalı karbon döngüsü sayesinde küresel ısınmaya katkı sağlamaması, petrol temelli dizelle karşılaştırıldığında tüm CO2 emisyonunu 78%
oranında azaltması, karbon monoksit, yanmamış hidrokarbon ve tanecikli emisyon çıkışının normal dizel yakıtından daha düşük olması gelmektedir. Bu özellikleri sayesinde normal dizel yakıta %1–2 oranında biyodizel eklendiğinde, zayıf yağlama özellikleri ile yakıtı modern ultra düşük sülfür dizel yakıtında olduğu gibi kabul edilebilir yakıt haline dönüştürebilir. Buna karşın biyodizelin bir çok emisyon testi nitrojen oksitlerin çok az miktarda da olsa arttığını göstermektedir (Gerpen 2005).
2.2 Triaçilgliserollere Uygulanan Kimyasal Modifikasyonlar
Bitkisel yağlar genellikle serbest yağ asitleri, fosfolipitler, steroller, su, odorantlar ve diğer bileşikleri içermektedir. Bu yüzden yağ direk yakıt olarak kullanılamamaktadır Dizel bir yakıtla kıyaslandığında bitkisel yağlar 10-20 kat daha yüksek bir viskoziteye sahiptir (Meher vd. 2006). Dizel yakıtların yerine kullanılan triaçilgliserollerin yüksek
4
viskoziteye, düşük uçuculuğa ve çoklu doymamış yapıya sahip olmaları kullanımları sırasında bazı problemlere sebep olmaktadır. Bitkisel yağların ve yağ atıklarının dizel yakıtların performansına yaklaşabilmesi için sözkonusu bu triaçilgliserollere bazı kimyasal modifikasyonların uygulanması gerekmektedir (Srivastava ve Prasad, 2000).
Bu gibi problemlerin çözülebilmesi için uygulanan kimyasal modifikasyonlar dilüsyon, mikro-emülsifikasyon, piroliz ve transesterifikasyon olmak üzere 4 grupta toplanabilmektedir (Demirbaş 2005).
Dilüsyon; triaçilgliserollerin dizel bir yakıt, etanol veya başka bir çözücü ile seyreltilmesidir (Srivastava ve Prasad 2000).
Mikro-Emülsifikasyon; bitkisel yağların yüksek viskozite sorununu çözmek için metanol, etanol ve 1-bütanol gibi solventlerle mikroemülsiyonları oluşturulmaktadır.
Mikroemülsiyonlar isotropik, saydam veya yarı saydam, yağ, su ve sürfaktantların dağılmasında termodinamik olarak kararlı ve çoğunlukla “kosurfaktant” olarak adlandırılan küçük amfifilik moleküllerdir (Fukuda vd. 2001).
Piroliz; Fukuda vd. (2001) gerçekleştirdikleri çalışmada piroliz işlemini hava veya nitrojen püskürtmesi varlığında termal enerji uygulamak suretiyle yağların kimyasal değişikliğe uğratılması şeklinde tanımlamışlardır. Çalışmada ayrıca, dizel makineler için uygun ürünlerin elde edilmesi amacıyla triaçilgliserollerin pirolizi hakkında birçok araştırma yapıldığı, yağ asitlerinin ısıya maruz bırakıldıklarında yapılarında önemli değişiklikler olduğu vurgulanmıştır. Pirolize uğramış yağların saf bitkisel yağlarla karşılaştırıldığında düşük viskoziteye ve yüksek setan numarasına sahip olması, bu yağların, kabul edilebilir miktarlarda sülfür, su, sediment ve bakır korozyon değerlerine sahipken; kül ve karbon kalıntısı bakımından tercih edilmemesi çalışmada belritilen hususlar arasındadır. Tüm bunlara ek olarak aynı çalışmada, bu ürünlerin kimyasal olarak petrol türevi olan gazolin ve dizel yakıtlara kimyasal olarak benzese de termal süreç sırasında oksijenin uzaklaştırılması oksijenlenmiş yakıtın kullanımının sağladığı çevresel faydayı yok etmiş olacağı belirtilmiştir.
5
Şekil 2.1 Transesterifikasyon reaksiyonunun genel denklemi
Transesterifikasyon; triaçilgliserollerin dizel yakıtların yerine kullanılabilmesi için gereken kimyasal modifikasyonlar arasında en çok tercih edilen anahtar basamak niteliğindeki yöntem transesterifikasyondur. Transesterifikasyon, triaçilgliserollerin viskozitesinin düşürülmesinde ve böylelikle yenilenebilen yakıtların makine performansını arttırmada fiziksel özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla kullanılmaktadır (Fukuda vd. 2001).
Transesterifikasyon reaksiyonu üç tane ardışık tersinir reaksiyondan oluşmaktadır. Bu süreçte, triaçilgliserol; her bir basamakta 1 mol alkil esterinin oluştuğu adım adım diaçilgliserol, monoaçilgliserol ve son olarak gliserole dönüştürülür (Helwani vd. 2009).
Diğer bir tanımla Şekil 2.1’de de görüldüğü gibi lipitlerde bulunan gliseritlerin bir katalizör varlığında bir alkol ile reaksiyona girerek ester ve gliserol oluşturmasıdır.
Reaksiyonda kullanılan katalizör, reaksiyonun hızını ve verimini arttırmaktadır.
Transesterifikasyon reaksiyonu geri dönüşümlü bir reaksiyon olması nedeniyle, ortamda bulunan aşırı alkol tepkimeyi ileri yön lehine çevirebilir. Bu amaçla kullanılan alkoller genellikle 1 ve 8 arasında karbon atomuna sahip primer ve sekonder monohidrik alifatik alkollerdir. Alkol olarak metanol, etanol, propanol, bütanol ve amil alkol kullanılmaktadır. En çok kullanılan alkoller metil alkol ve etil alkoldür. Ticari uygulamalarda sıklıkla tercih edilen alkol ise ucuz olmasından dolayı metil alkoldür (Fukuda vd. 2001, Banerjee ve Chakraborty 2009).
Bu katalizörlere ek olarak mikrobiyel lipazlar da katalizör olarak kullanılabilmektedir (Kaieda vd. 2001). Lipazlar (EC 3.1.1.3) hidroliz, alkoliz, esterifikasyon ve karboksilik asitlerin transesterifikasyon reaksiyonlarını katalizleyen enzimler olarak bilinmektedir.
Gliserol esteri
asidi Ya ğ
Alkol t
Trigliseri
OH CH
R COO R
R OOC CH
OH CH R
COO R
OH R R OOC CH
Katalizör
OH CH
R COO R
R OOC CH
−
−
−
−
−
− +
−
−
⇔ +
−
−
−
−
−
−
−
2 '
3 3
2
' 2
' 2
2 '
1 1
2
|
|
3
|
|
6
Bu enzimler biyodizel üretiminde rol alan esterifikasyon ve transesterifikasyon reaksiyonlarını gerçekleştirmek için kullanılabilecek en iyi ve kararlı biyolojik katalizörlerdir (Tan vd. 2010).
Banerjee ve Chakraborty (2009) yılında gerçekleştirdikleri çalışmada, transesterifikasyon reaksiyonu tamamlandıktan sonra oluşan ürünlerin; ester karışımı, gliserol, reaksiyona girmemiş alkol, katalizör ve tri, di, ve monoaçilgliseroller olduğu belirtmişlerdir. Çalışmada monoaçilgliserollerin ester karışımında bulanıklığa sebep olduğu, transesterifikasyon reaksiyonu tamamlandıktan sonra karışım oda sıcaklığına getirildiğinde ester fazı ve gliserol fazı ayrıldığı ve gliserolün ağırlığından dolayı alt fazda toplandığı ifade edilmiştir. Reaksiyonda yan ürün olarak oluşan gliserol ilaç, gıda ve kozmetik endüstrilerinde kullanılmaktadır. Aynı çalışmada bir çok araştırmacının saf ester elde etmenin zor olduğunu, esterlerin genellikle di, ve monoaçilgliserollerle birlikte bulunduğunu belirttiği görülmektedir.
2.2.1 Transesterifikasyonu etkileyen faktörler
Transesterifikasyon reaksiyonunu etkileyen faktörler reaksiyon sıcaklığı, kullanılan alkolün bitkisel yağa oranı, kullanılan katalizör tipi, miktarı ve çalkalama hızı olmak üzere 4 ana başlık altında toplanabilmektedir (Meher vd. 2006, Banerjee ve Chakraborty 2009).
a) Reaksiyon sıcaklığı; Transesterifikasyon reaksiyonunu etkileyen önemli parametrelerin başında sıcaklık gelmektedir (Banerjee ve Chakraborty 2009).
Transesterifikasyon kullanılan yağ çeşidine bağlı olarak farklı sıcaklıklarda gerçekleşebilir. Yeterli süre verildiği takdirde reaksiyon oda sıcaklığında gerçekleşebilmektedir. Yapılan birçok çalışmada reaksiyon sıcaklığı metanolün kaynama sıcaklığına yakın noktada tutulmuştur. Eğer reaksiyon yüksek basınç (9000 KPa) ve yüksek sıcaklık (240 ºC) altında gerçekleşmemişse serbest yağ asitlerinin ön işlemle ayrılması gerekmektedir. Sonuç olarak; transesterifikasyon reaksiyonu oda sıcaklığından alkolün kaynama noktasına ve hatta daha fazlasına kadar olan sıcaklıklara kadar değişebilmektedir. Kullanılan alkolün kaynama noktasına kadar olan sıcaklıklara
7
kadar diğer parametreler değiştirilmediği sürece sıcaklık biyodizel verimini olumlu yönde etkilemektedir (Ma ve Hanna 1999, Banerjee ve Chakraborty 2009).
b) Kullanılan alkolün bitkisel yağa oranı; biyodizel oluşumunu etkileyen diğer bir önemli faktör de kullanılan alkolün triaçilgliserole oranıdır. Teorik olarak transesterifikasyon reaksiyonunun gerektirdiği sitokiyometrik oran 3 mol yağ asidi esteri ve 1 mol gliserol oluşması için, 3 mol alkol ve 1 mol triaçilgliseroldür.
Transesterifikasyon reaksiyonunda kullanılan alkol miktarının arttırılması triaçilgliserollerin kısa sürede esterlere dönüşümü ile sonuçlanır. Alkol: triaçilgliserol oranının 3’ün üzerinde olması ile reaksiyon hızı maksimuma ulaşır. Ortama daha fazla alkol eklenmesi verimi arttırmadığı gibi reaksiyon sonucunda alkolün geri kazanımını zorlaştırmaktadır. Alkol: triaçilgliserol oranı kullanılan katalizörle de yakından ilişkilidir. Alkali karakterde bir katalizörün transesterifikasyon reaksiyonunda kullanılması durumunda genellikle bu oran 6:1 iken; kızartma yağı gibi fazla serbest yağ asidi içeriğine sahip yağların asit karakterde bir katalizörle transesetrifikasyon reaksiyonuna uğratılması durumunda oran 15:1 olarak değişebilmektedir. Soya yağının transesterifikasyonunda katalizör olarak asit kullanılması durumunda 30:1 oranında bütanol ve soya yağı gerekirken, alkali ile katalizlenen reaksiyonda aynı zamanda ve aynı oranda ester elde edebilmek için 6:1 oranı gerekmektedir (Ma ve Hanna 1999, Leung vd. 2010).
c) Kullanılan katalizör tipi ve miktarı; kullanılan katalizör türü hammadde olarak kullanılan yağın çeşidine göre değişmektedir. Transesterifikasyonda kullanılan katalizörler alkali, asit ve enzim olarak sınıflandırılmaktadır.
Baz ile katalizlenen transesterifikasyon: Alkali katalizör olarak sodyum hidroksit, potasyum hidroksit, karbonatlar, sodyum metoksit, sodyum etoksit, sodyum propoksit, sodyum bütoksit gibi sodyum potasyum alkoksitler kullanılabilmektedir. Genellikle kullanılan katalizörler sodyum hidroksit ve potasyum hidroksittir. Bu katalizörlerin yaygın olarak kullanılma nedenleri; düşük sıcaklık ve atmosferik basınçta reaksiyonu katalizleyebilmeleri, kısa sürede yüksek dönüşüm verimi elde edilmesi, yaygın olarak kullanılabilir ve ekonomik olmasıdır. Bunlara ek olarak asidik bir katalizörle
8
gerçekleştirilen reaksiyona göre 4000 kat daha hızlı olabilmektedir. Fakat bazik bir katalizör ancak, serbest yağ içeriği %0.5’den az olan veya asit değeri 1 mg KOH/g olan rafine bitkisel yağların transesterifikasyonunda kullanılabilmektedir.
Serbest yağ asidi gliserol omurgasından kesilmiş uzun karbon zinciri içermektedir.
Bazen karboksilik asit olarak isimlendirilebilirler. Eğer biyodizel üretiminde hammadde olarak kullanılacak yağ, fazla miktarda oleik asit gibi serbest yağ asidi içeriyorsa alkali katalizör sabun oluşturmak için serbest yağ asitleri ile reaksiyona girer ki, bu istenmeyen bir durumdur. Çünkü bu durum transesterifikasyon reaksiyonunu hızlandıran katalizörü deaktive edecektir. Buna ek olarak aşırı sabun oluşumu yağ asidi metil esteri oluşum verimini düşürecek, biyodizelin saflaştırılma sürecini zorlaştırılacaktır (Banerjee ve Chakraborty, 2009, Lam vd. 2010). Şekil 2.2’de alkali özellikte bir katalizörle reaksiyonun nasıl gerçekleştirildiği şematize edilmiştir.
Asit ile katalizlenen transesterifikasyon: Genellikle kullanılan katalizörler sülfürik ve hidroklorik asittir. Bazik katalizörlere göre iki önemli avantajı vardır; birincisi hammaddede bulunan serbest yağ içeriğinden etkilenmez, ikincisi ise esterifikasyon ve transesterifikasyon reaksiyonlarını birlikte katalizleyebilmeleridir. Esterifikasyon, bir alkol ve bir asit (serbest yağ asidi) varlığında esterin oluşturulduğu kimyasal bir reaksiyondur. Yağda bulunan serbest yağ asidi %1’den daha fazla ise asidik bir katalizör reaksiyon için daha uygundur. Ek olarak tek basamaklı bir süreçten oluşan asidik katalizleme, serbest yağ asitlerini metil esterlerine çevirmek için ekstra basamak gerektiren bazik katalizlemeye göre daha ekonomiktir. Fakat asit bir katalizörün kullanıldığı sistem ticari uygulamalar için uygun değildir. Çünkü, reaksiyon hızı düşüktür, yüksek sıcaklık ve alkol:yağ oranına ihtiyaç vardır. Katalizörün ortamdan ayrılması çevresel endişeler ve korozyon problemleri taşımaktadır (Lam vd. 2010).
9
Şekil 2.2 Alkali katalizör ile yapılan biyodizel üretiminin şematik gösterimi
Asit-Baz ile katalizlenen transesterifikasyon (2 basamak): Bu tür reaksiyonda yüksek serbest yağ içeriğine sahip hammaddede bulunan serbest yağ asitleri asidik bir katalizörün rol aldığı esterifikasyon reaksiyonu ile esterlere çevrilir. Bu şekilde hammaddedeki serbest yağ asidi içeriği %0.5-1’ye indirildiği zaman transesterifikasyon reaksiyonuna bazik bir katalizör ile devam edilebilir (Lam vd. 2010).
Enzim (biyokatalizör) ile katalizlenen transesterifikasyon: Lipazlar hidroliz, alkolizis, asidolizis gibi reaksiyonların yanı sıra esterifikasyon ve transesterifikasyon gibi reaksiyonları da katalizleyebilen enzimlerdir. Lipazlar (triaçilgliserol açilhidrolazlar; EC 3.1.1.3) uzun zincirli yağ asitlerinin gliserol esterlerini parçalayan enzimlerdir. Lipazlar endüstride ve tıpta oldukça geniş uygulama alanı bulan biyokatalizörlerdir. Bu enzimler bakteri, fungus, maya, hayvan ve bitki kaynaklı olabilir. Bakterilerden elde edilen lipazlar ökaryotik organizmalardan elde edilenlere göre daha fazla olduğu için mikrobiyel lipazlar daha çok ilgi çekmiştir. Lipazların biyolojik uyumluluğu ve parçalanabilirliği tarımsal ve tıbbi uygulamalarda istenen özellikleri arasında yer almaktadır. Hem hücre içinde hem de hücre dışında salgılanan lipazlar triaçilgliserollerin transesterifikasyon reaksiyonunu etkili bir şekilde katalizleyebilmektedir (Iso vd. 2001, Jaeger ve Eggert 2002).
Transesterifikasyon reaksiyonunda katalizör olarak lipazların kullanımının avantajları arasında; immobilize edildikleri takdirde defalarca kullanılabilmeleri, reaksiyonda kullanılan çözücülerden etkilenmemeleri, yüksek konsantrasyonda kullanılabilmeleri,
Alkali+MeOH
yağlar transesterifikasyon Reaksiyon karışımının ayrılması
MeOH
buharlaştırılması (üst faz)
MeOH
buharlaştırılması (alt faz)
MeOH
yıkama Gliserol saf eldesi
Sabunlaşmış ürün
Metil esterleri Alkali atıksu
gliserol
10
enzimin doğal yapısından kaynaklanan büyük bir termal kararlılık sağlamaları ve katalizörden ürünün ayrımının kolay olması sayılabilmektedir. Biyokatalizör kullanımının dezavantajları olarak da; pahalı olmaları, yağ molekülünün hacmi sebebiyle başlangıçta biraz aktivite kaybı olması ve immobilizasyon sırasında enzimin her alana düzgün dağılamaması gösterilebilir (Marchetti vd. 2007). Şekil 2.3’de lipaz enziminin katalizör olarak kullanıldığı transesterifikasyon reaksiyonu, Şekil 2.4’de ise mikroorganizmadan hücre içi ve hücre dışı lipaz eldesi karşılaştırılmaktadır. Alkali karakterde bir katalizör ve lipaz enzimiyle gerçekleştirilen transesterifikasyon reaksiyonun birbirine karşı üstünlükleri Çizelge 2.1’de gösterilmiştir (Fukuda vd. 2001).
Şekil 2.3 Lipaz katalizi ile yapılan biyodizel üretiminin şematik gösterimi
Lipazın saflaştırılması Lipazın immobilizasyonu
geliştirme ayırma
ekstraksiyon
adsorbsiyon
kromotografi
kristalizasyon
çapraz bağlama
kovalent bağlama
tutuklama
geliştirme ve
immobilizasyon
ayırma transesterifikasyon a
b
yağlar transesterifikasyon
Reaksiyon karışımının ayrılması
Gliserol saf eldesi
(alt faz)
Üst faz Metil
esterleri
gliserol Lipaz+MeOH
esterifikasyon
Şekil 2.4.a. Hücre dışı, b.Hücre içi lipaz üretiminin karşılaştırılması
11
Çizelge 2.1 Alkali maddelerin ve enzimin katalizlediği transesterifikasyon reaksiyonlarının karşılaştırılması
Özellik Alkali kataliz Lipaz kataliz
Reaksiyon sıcaklığı 60 – 70 oC 30 – 40 oC
Hammaddedeki serbest yağ asidi sabunlaşmış ürün metil ester
Ham maddedeki su reaksiyonu engeller etkilemez
Metil ester eldesi normal yüksek
Gliserol geri kazanımı zor kolay
Metil esterlerin saflaştırılması tekrarlı yıkayarak yıkamadan
Katalizör maliyeti ucuz nispeten pahalı
Süperkritik yöntem ile katalizlenen transesterifikasyon: Transesterifikasyon reaksiyonu normal şartlar altında heterojen katalizörler ile gerçekleşebileceği gibi, süperkritik metanol ile katalizör olmadan da gerçekleşebilmektedir. Transesterifikasyon reaksiyonu bu yöntem ile yüksek sıcaklık ve basınç altında (250 °C ve 10 MPa) ve metanolün alkole oranının 42:1 olduğu şartlarda gerçekleştirilebilir. Bu şartlarda metanol- triaçilgliserol karışımı homojen bir faz oluşturur ve raksiyonun tamamlanması için katalizöre gerek kalmaz. Bu avantajların yanı sıra, yüksek maliyet, fazla metanol kullanımı ve gliserol ayrımının zor olması bu yöntemin başlıca dezavantajlardır (Marulanda vd. 2010).
d) Çalkalama hızı; transesterifikasyon reaksiyonunda karıştırma işlemi çok önemlidir.
Çünkü yağlar sodyum hidroksit ve metanol çözeltisinde karışmazlar. İki faz karıştığı anda reaksiyon başlar ve bu aşamadan sonra karıştırmaya gerek yoktur.
Transesterifikasyon reaksiyonunda hammadde olarak hayvansal yağların kullanıldığı bazı çalışmalarda karıştırma işlemi olmadan reaksiyon gözlemlenememiştir (Meher vd.
2006).
12
2.3 Biyodizel Üretiminde Kullanılan Hammaddeler
Her ne kadar 1930 ve 1940’larda acil durumlarda bitkisel yağlar dizel yakıt kaynağı olarak kullanılsa ve biyodizel sadece bitkisel yağların metil esterleri olarak bilinse de, alternatif yakıtın sahip olması gereken önemli özelliklerin başında ekonomik olması gelmektedir (Fernández-Álvarez vd. 2007, GuanHua vd. 2010).
Bu bağlamda biyodizel maliyetinin en büyük kısmını, üretiminde kullanılan hammaddenin maliyeti belirlemektedir. Şöyleki, hammadde maliyetindeki artış biyodizel fiyatını %40 oranında etkilemektedir. Bu durum biyodizel üretiminde hammadde seçiminin son derece önemli olduğunu vurgulamaktadır (Yan ve Lin 2009).
2.3.1 Bitkisel yağların biyodizel üretiminde kullanımı
Bitkisel yağların yakıt olarak kullanımı günümüzden yüzyıl öncesine dayanmaktadır.
Dizel motorun mucidi Rudolf Diesel ilk kez sıkıştırmalı ateşleme yapan motorda yer fıstığı yağını kullanmıştır. O dönemde insanlar tarafından bitkisel yağların dizel motor yakıtı olarak kullanımın önemsiz olduğu düşünülse de bu yağların zaman ilerledikçe petrol ve kömür kadar önemli olacağını söylemiştir (Panwar vd. 2010). Fakat günümüzde petrol ürünleri çok daha ucuz olduğu için bu tür yakıtlar henüz bu ürünlerin yerini alamamıştır. Bitkisel yağlar alternatif yakıtların geliştirilmesinde göze çarpsa da özellikle direk enjeksiyon yapan makinelerde birçok problemle karşılaşılmaktadır. Bu problemlerin başında; koklaşma ve enjektörlerde çok ses çıkarma, karbon kalıntıları, yağdan dolayı oluşan yapışma, bitkisel yağ kontaminasyonu sonucu oluşan kalınlaşma ve jelleşme ve yağlama problemleri gelmektedir (Meher vd. 2006).
Bitkisel yağların özellikle de hayvansal yağların kullanımındaki diğer önemli dezavantajlar dizel yakıttan 11-17 kat daha fazla olan yüksek viskozite ve motorda kalıntıların kalmasına sebep olan düşük uçuculuktur. Bu problemlerin sebebi büyük triaçilgliserol molekülü ve yüksek moleküler ağırlığıdır. Bu problemler motorların modifiye edilmesiyle az veya çok aşılabilir. Almanya ve Malezya’da Elsbett ve yine
13
Almanya ve Amerika’da Diesel Morten und Geraetebau Gmbh (DMS) firmalarının oluşturduğu modifiye motorlar farklı oranlarda bitkisel yağ ile çalıştırıldıkları zaman başarılı performans göstermektedir (Srivastava ve Prasad 2000, Meher vd. 2006).
2.3.2 Hayvansal yağların biyodizel üretiminde kullanımı
Biyodizelin yüksek kaliteye sahip, pahalı bitkisel yağlardan yapılıyor olmasından kaynaklanan yüksek üretim maliyeti, yemeklik olmayan yağların hammadde olarak kullanımıyla indirgenebilmektedir (Kondamudi vd. 2009).
Literatürde hayvansal yağların biyodizel üretiminde kullanımları ile ilgili yapılan çalışmaların başında kuyruk yağı ve tavuk artıklarından kalan yağların kullanımı gelmektedir. Başta kuyruk yağı olmak üzere hayvansal yağlar insanların beslenme alışkanlıklarına bağlı olarak kullanım miktarı değişmektedir ve sabun endüstrisi üretilen hayvansal yağın tamamını alamamaktadır (Bhatti vd. 2008).
Bu yağların C14:0, C16:0 ve C18:0 gibi doymuş yağ asitlerinden oluşması yüksek setan numarasına sahip olmasını ve doymamış yağlara göre oksidasyona daha az yatkın olmasını sağlamaktadır. Fakat bu özelliğin yüksek sıcaklıklarda kristalize olma eğilimi göstermesi önemli bir dezavantajdır (Alptekin ve Çanakcı 2010).
2.3.3 Atık yağların biyodizel üretiminde kullanımı
Günümüzde bitkisel yağ fiyatlarındaki hızlı artış, biyodizel üretiminde bu yemeklik yağlar yerine kızartma yağları gibi atık yağların kullanımı gibi alternatif çözümler bulmayı gerektirmektedir (Chung vd. 2009).
Biyodizel üretiminde maliyetin yaklaşık %75 kadarını hammaddenin oluşturması göz önüne alındığında, bitkisel yağların hammadde olarak kullanılması biyodizelin fiyatını petrol kaynaklı dizele göre 1.5 kat daha pahalı kılmaktadır. Buna karşın atık kızartma yağlarının fiyatı bitkisel yağlardan 2-3 kat daha ucuzdur. Ayrıca atık kızartma
14
yağlarından ve bitkisel yağlardan üretilen biyodizel kalitesinin benzer olması bu yağların değerlendirilmesi için uygun bir çalışma koşuludur (Phan ve Phan 2008).
Yiyeceklerin kızartılması sırasında bitkisel yağlar çok yüksek sıcaklıklara maruz kalırlar. Bu esnada hidroliz, polimerizasyon ve oksidasyon meydana gelir ve yağın hem kimyasal hem de fiziksel yapısı bozulur. Nem ve oksidasyon varlığında triaçilgliserolün hidrolize olması sebebiyle yağ içersindeki serbest yağ asidi miktarı artar. Serbest yağ asidi ve su içeriğinin transesterifikasyon reaksiyonu üzerinde negatif etkisi vardır.
Ayrıca yağ asidi esterleri ve gliserolün ayrılmasını engeller. Kızartma yağlarında dimerik ve polimerik asit ve gliseritlerin oluşumu yağın viskozitesini önemli ölçüde arttırır. Böylece moleküler kütle ve iyot değerleri düşerken, sabunlaşma değeri ve yoğunluğu artar. Bu durum biyodizelin oluştuğu transesterfikasyon reaksiyonunun direkt olarak meydana gelmesini engeller. Bu yüzden asit karakterde bir katalizörle serbest yağ asidi içeriğinin azaltılması gerekmektedir. Hem atık yağların hem de hayvansal yağların doymuşluk oranları yüksektir. Bu sebeple bu yağlardan üretilen biyodizelin soğuk akış özellikleri ele alınmalıdır (Çanakcı 2007, Enweremadu ve Mbarawa 2009).
2.3.4 Mikrobiyel yağların biyodizel üretiminde kullanımı
Biyodizel üretiminde kullanılan hammaddenin pahalı olması ve hammadde maliyetinin toplam üretim maliyetinin %70–75’ini oluşturması sebebiyle biyodizel kullanımı fosil yakıt kullanımına göre ekonomik değildir. Bu yüzden biyodizel günümüzde sıklıkla kullanılan bir yakıt değildir. Bu sorunun çözümü daha ucuz hammadde sağlanmasıdır.
Dünyada insan nüfusunun hızla artmasıyla tarım için daha fazla alana ihtiyaç duyulacaktır. Bu sorun günümüzde dahi Asya’da görülmektedir. Burada bitkisel yağ fiyatları daha fazladır. İlerleyen yıllarda bu eğilimin dünyanın geri kalan kısmında da görüleceği düşünülmektedir. Bu noktadan yola çıkılarak mikrobiyel lipitlerden üretilen biyodizel diğer enerji formlarına yardımcı bir alternatif bir enerji kaynağı olarak ön plana çıkmaktadır (Ma ve Hanna 1999).
15
Mikrobiyel yağlar (tek hücre yağları) birçok mikroorganizma tarafından üretilmektedir ve bu yağların biyodizel üretiminde hammadde olarak çok yüksek bir potansiyele sahip olacağı düşünülmektedir. Çünkü mikroorganizmalar değişen mevsim ve iklim şartlarından etkilenmezler, hücrelerinde yüksek miktarda lipit içeriğine sahiptirler, kısa sürede çok miktarda üretilebilmektedirler (Xue vd. 2006).
2.4 Biyodizel Üretiminde Kullanılan Mikroorganizmalar
Hücrelerindeki lipit içerikleri %20’yi geçen mikroorganizmalar bulunmaktadır. Bu mikroorganizmalardan elde edilen ve tek hücre yağları (SCO) olarak isimlendirilen mikrobiyel yağlar günümüzde tüm dünyada yoğun ilgi görmektedir. Her ne kadar mikroalgler, Bacillus cinsine ait bakteriler, fungus ve mayalar gibi birçok mikroorganizma lipit depo edebilme özelliğine sahip olsa da bu mikroorganizmaların tamamı biyodizel üretiminde kullanılamamaktadır. Tek hücre yağı ilk ticari üretimi 1995 yılına kadar başlayamamıştır ve maliyeti fazla olduğu için 6 yıl önce bu üretim durdurulmuştur. Günümüzde birçok maya ve mikroalg türü bitkisel yağalara benzer nitelikte lipit üretebilmektedir. Ürettikleri bu lipitin miktarı ve içeriği sıcaklık, pH, inkübasyon süresi gibi geliştirildikleri ortam şartlarına göre değişmektedir (Meng 2009).
Son yıllarda literatürde yapılan çalışmalarda fungus ve mikroalglerin biyodizel üretiminde yağ kaynağı olarak kullanımının avantajları önemle vurgulanmaktadır.
Şüphesiz bu avantajların en başında kolay üretilebilmeleri, üretimleri sırasında çok ilgiye gerek duyulmaması, besiyerlerinin ucuz olması ve insan tüketimi için uygun olmayan sularda (atıksular gibi) geliştirilebilmeleri gelmektedir (Mata vd. 2010).
2.4.1 Bakteriler
Bakteriler genellikle triaçilgliserol üretmezler bunun yerine polibeta hidroksi bütirat ve alkanoat depo ederler. Bu yüzden yağ biriktirme özelliği sadece bazı maya, fungus ve alglerde görülmektedir (Ratledge 2004).
16
Her ne kadar mikroalgler hücrelerinde yüksek miktarda lipit biriktirebilse de, geliştirilebilmeleri bakterilere göre daha uzun zaman almakta ve büyük arazilere ihtiyaç duyulmaktadır. Genellikle bütün bakterilerin lipit içeriklerinin ortalama %20-40 olması nedeniyle mikroalglerden düşük olduğu bilinse de çok kısa sürede gelişebilmeleri bu mikroorganizmaları biyodizel üretiminde hammadde olarak kullanılabilirliğini akla getirmektedir. Fakat birçok bakteri genellikle lipit üreticisi değildir. Sadece birkaç bakteri türü hücrelerinde karışık lipoid yapılar (polihidroksialkanoat) biriktirebilmektedir. Bu yapılarda dış zarda olduğu için ekstrakte edilmeleri çok zordur.
Bu sebeple yüksek lipit içeriğine sahip bakterilerin biyodizel üretiminde hammadde olarak kullanımının hiçbir ticari önemi yoktur (Meng vd. 2009).
2.4.2 Funguslar
1980’li yıllardan bu yana funguslar (tek hücreli mayalar ve filamentli funguslar) ilgi çeken yağlı mikroorganizmalar olmuştur. Rhodosporidium sp., Rhodotorula sp, ve Lypomyces sp. gibi bazı maya türleri hücrelerinde kuru ağırlıklarının %70’i kadar lipit biriktirebilme yeteneğine sahiptir. Yüksek lipit içeriğine sahip funguslara örnek olarak Mortierella sp. cinsine ait türler verilebilmektedir. Yağlı mayalar ve küfler çoklu doymamış yağ asitlerince zengin triaçilgliserol biriktirmektedirler. Bu hücrelerde en fazla rastlanan yağ asitleri arasında C18:1, C18:2, C16:0, C16:1 gelmektedir. Bu bilgiler ışığı altında yağlı maya ve fungusların biyodizel üretimi için alternatif yağ kaynakları olduğu söylenebilmektedir (Meng vd. 2009).
2.4.3 Mikroalgler
Mikroalgler zaman zaman gıda ve kimyasal madde üretiminde kullanılmaktadır. Ama son yıllarda mikroalglerin enerji kaynağı olarak kullanımı revaçtadır. Şöyle ki; bu mikroorganizmalar metan üretimi için parçalanabilir, fotosentetik olarak hidrojen üretebilirler veya bazı algler sıvı yakıt üretiminde yağ kaynağı olarak kullanılabilirler.
Mikroalglerin avantajları; fotosentetik olarak gelişebildikleri için karbon kaynağına ihtiyaç duymamaları ve daha önceki tüketimlerin ürünü olan karbondioksiti enerji
17
kaynağı olarak kullanıp karbondioksit nötralizasyonunu sağlamalarıdır (Sawayama 1995, Chen 1996, Hirano vd. 1998, Lorenz ve Cysewski 2000, Scragg vd. 2003)
Mikroalglerin biriktirdikleri lipitler genellikle (>%80) triaçilgliserol formunda olup 16 ve 18 numaralı karbon atomlarınca zengin yağ asitleri içermektedir. Alg hücrelerinin ortalama lipit içeriği %1 ile %70 oranında değişse de, optimum koşullar sağlandığında
%90 oranında lipit biriktirebilen mikroalgler de vardır (Meng vd. 2009).
Mata vd. (2010) mikroalglerin biyodizel üretiminde kullanımlarını anlattıkları detaylı çalışmalarında mikroalglerin, tarımsal ürünlerle ve diğer sucul bitkilerle karşılaştırıldığında gelişme hızları çok büyük olduğunu bildirmişlerdir. Bununla birlikte biyodizel üretimi için kullanılan tarımsal hammaddelerle karşılaştırıldığında gelişimleri için kolza için ayrılan alandan 49, soya fasulyesi için ayrılan alandan 132 kat kadar daha küçük alana ihtiyaç duydukları için mikroalglerin biyodizel üretiminde hammadde olarak kullanımı sayesinde ekilebilir alanların biyodizel üretimine hammadde yetiştirmek için ayrılması önemli ölçüde azaltılacağını belirtmişlerdir. Aynı çalışmada bazı alg ve siyanobakteri türlerinin yüksek lipit içeriğine sahip olduğu ve optimum şartlarda bu fotosentetik mikroorganizmaların aynı alanda geliştirilen bitki sisteminden 100 kat daha fazla lipit üretebildiğini bildirmişlerdir. Araştırıcılar, alglerden üretilen biyodizelin sülfür içermediğini ve petrol kaynaklı dizel yakıtlar gibi performans gösterebildiğini, partikül, CO, hidrokarbon ve SOx emisyonlarının az olmakla birlikte NOx emisyonunun bazı motor türlerinde fazla olabildiğini ifade etmişlerdir.
2.5 Mikroorganizmalarda Lipit Biyosentezi
Gelişme ortamındaki besin dengesizliği yağlı mikroroganizmalarda lipit birikimini tetiklemektedir. Genellikle azot olmak üzere anahtar bir besin maddesi azalıp, karbon miktarı artınca, hücreler karbonu kullanıp yağ şeklinde depo ederler. Bu durum lipit biriktirebilen maya ve filamentli funguslarda görülmektedir. Bu canlılarda karbonun fazlalığı biyokütle oluşturmadan ziyade, lipit birikimine kanalize edildiği için gelişme hızı lipit biyosentezinden düşüktür (Ratledge ve Wynn 2002).
18
Heterotrof gelişen alglerde ise bu durum görülmez. Heterotrof alg, gelişirken lipit biriktirir, lipit biriktirme özelliği azot kaynağının tükenmesine bağlı değildir. Hücreler karbonu hızlıca kullanır, yeni hücrelere çevirir, fazla karbonun depolanma mekanizması yağa dönüştürülmesi ile bulunur (Ratledge ve Wynn 2002).
Kısa karbon zincirli yağ asitlerinin oluşumu bitki, hayvan, fungus, bakteri ve alg hücrelerinde birbirine benzemektedir. Örneğin, yeşil alg hücrelerinde palmitoleik, oleik, linoleik ve linolenik yağ asitlerinin sentezi, bitki ve maya hücrelerindekine benzemektedir (Ratledge ve Wynn, 2002). Yüksek kapasitede lipit biriktirebilme özelliğine sahip bir mikroorganizma hücresinde sırasıyla aşağıda ifade edilen kaskat reaksiyonları gerçekleşmektedir (Ratledge 2004).
1. Ortamdaki azot miktarı azalınca yağlı hücrede AMP deaminaz aktivitesi 5 kat artar.
2. Artan AMP deaminaz aktivitesi hücrenin ve mitokondrinin AMP içeriğini azaltır.
3. Mitokondride azalan AMP içeriği yağlı hücrelerde bulunan izositrat dehidrogenaz enzimini durdurur. Çünkü bu enzim aktivitesi için AMP ye aşırı derecede bağımlıdır.
4. Sonuçta izositrat metabolize edilemez, biriktirilir. Akonitaz aracılığı ile sitrik aside dengelenir.
5. Bu yüzden mitokondride sitrat biriktirilir.
6. Mitokondriyel membrvea sitratın dışarıya taşınması için etkili bir akış sistemi bulunmaktadır. Sitrat malat ile değiştirilir.
7. Sitrat sitozole gelir ve ATP sitrat liyaz tarafından bağlanır, asetil CoA ve oksaloasetat oluşturulur.
8. Asetil CoA yağ asidi biyosentezi için kullanılır.
9. Oksaloasetat ise malat dehidrojenaz ile sitrat akış sisteminde kullanılacak malata dönüştürülür.
Aynı şartlarda geliştirilen fungusların bazılarının lipit biriktirirken, bazılarının biriktirememesinin nedeni 4 farklı başlık altında toplanabilir (Ratledge ve Wynn 2002):
19
1. Besiyerindeki azot miktarı azaldığında, yağlı olmayan türler glukoz asimilasyonunu durdururlar. Bu yüzden yağ asidi biyosentezinin öncü maddesi olan asetat üniteleri oluşmamış olur.
2. Yağlı maya hücrelerinde yağ asidi biyosentezinde ilk enzim olan asetilCoA karboksilaz enzimi çok çalışıyor olabilir. Yağlı olmayan mayalarda yağ asidi sintazın son ürünü olan yağ açil CoA esteri tarafından inhibe ediliyor olabilir.
3. Yağlı olmayan mayalarda lipit oksidayonu ile birlikte gerçekleşen işe yaramayan lipit biyosentez döngüsü olabilir. Bu yüzden net bir lipit akümülasyonu sağlanmaz.
4. Ara metabolizma her iki grupta da farklı regüle ediliyor olabilir. Örneğin yağlı türlerde karbonun asetilCoA’ya akışı arttırılmışken, yağlı olmayan türlerde hücresel regülasyonlar ile azaltılmış olabilir.
2.6 Hammaddenin Yağ Asidi Dağılımı ve Biyodizelin Yakıt Kalitesi
Günümüzde kullanılan petrol temelli dizel yakıtın yerini alabilmesi için üretilen biyodizelin; yoğunluk, akışkanlık, yanma noktası, yanma değeri vb. özelliklerin bilinmesi gerekmektedir. Biyodizeldeki önemli yakıt kriteri triaçilgliserollerin kalıntısı ve biyodizel kısmındaki gliseritler olarak iş gören gliserole bağlıdır. Yağ asidi metil esteri formundaki biyodizel yakıt, birçok ülkede üretilmektedir. Amerika Birleşik Devletleri’nde ilgili standart ASTM Biodiesel Standard D 6751 iken, Avrupa Birliği Ülkelerinde araç kullanımına yönelik standart Standard EN 14214, ısınmaya yönelik standart Standard EN 14213’tür. ASTM ve EN standartlarına göre biyodizelin asit sayı limiti uyumlu olup 0.5 değerindedir (Knothe 2006, Meng vd. 2009).
Mikrobiyel yağlar çoklu doymamış yağ asidi içeriğince zengin oldukları için birçok bitkisel yağdan farklılık göstermektedir. Yakıt olarak kullanılmak üzere tasarlanmış biyodizel için böyle bir sınırlama yoktur fakat kabul edilebilir olanlar göstergesi iyot değeri olan yağın doymamışlık oranı ile ilgili kriterleri yerine getirenlerdir. EN 14214 ve EN 14213 standartlarına göre biyodizelin iyot değeri 120 ve 130 g iyot/100 g biyodizel şeklinde olmalıdır (Meng vd. 2009).
20
Biyodizel özelliği yağ asidi metil esterlerinin bileşenlerine bağlı olarak değişmektedir (Knothe 2005). En önemli özelliklerin başında ateşleme kalitesi (örneğin setan sayısı), soğuk-akış özellikleri ve oksidatif kararlılık gelmektedir. Lipitlerde doymuşluğun ve yağ asidi dağılımının transesterifikasyon yöntemi ile biyodizel üretiminde önemli bir etkisi olmasa da, yakıtın özelliklerini doğrudan ilgilendirmektedir. Örneğin, doymuş yağlardan üretilen biyodizel yüksek setan sayısına ve çok güçlü oksidatif kararlılığa sahipken daha düşük yanma özellikleri gösterir. Doymuş yağlardan üretilen biyodizel çevresel sıcaklıklarda jelleşme eğilimi göstermektedir. Uzun zincirli doymamış yağ asidi bakımından zengin hammaddeden üretilen biyodizel ise soğuk-akışkan özelliğe sahiptir. Fakat bu yağ asitlerinin de okside olma eğilimi diğerlerine göre çok yüksektir.
Bu yüzden biyodizelin uzun süreli depolanması sürecinde problemler yaşanabilmektedir (Hu vd. 2008). ASTM ve EN standartlarında dikkate alınan özellikler Çizelge 2.2- 2.4’de verilmiştir (Knothe 2006).
21 Çizelge 2.2 ASTM biyodizel standardı
Özellik Test Yöntemi Sınırlar Birim
alevlenme noktası su ve sediment
kinematik akışkanlık (40 ºC)
D 93 130.0 (en düşük) ºC
D 2709 0.050 (en yüksek) %hacim
D 445 1.9-6.0 mm2/s
sülfatlanmış kül D 874 0.020 (en yüksek) %kütle
sülfür D 5453
0.015 (en yüksek S15)
%kütle 0.05 (en yüksek S500)
bakır korozyon setan sayısı sislenim noktası karbon kalıntısı
D 130 No 3 (en yüksek) D 613 47 (en düşük)
D 2500 ºC
D 4530 0.050 (en yüksek) %kütle
asit sayısı D 664 0.50 (en yüksek) mg KOH/g
serbest gliserin toplam gliserin fosfor içeriği sodyum/potasyum distilasyon sıcaklığı
D 6584 0.020 %kütle
D 6584 0.240 %kütle
D 4951 0.001 (en yüksek) %kütle
UOP 391 5 (en yüksek) ppm
D 1160 360 (en yüksek) ºC
22 Çizelge 2.3 EN 14214 Avrupa biyodizel standardı
Özellik Test Yöntemi Sınırlar Birim
ester içeriği yoğunluk (15 ºC)
kinematik akışkanlık (40 ºC)
EN 14103 96.5 (en düşük) %mol/mol
ENISO 3675;
ENISO 12185
860-900 kg/m3
ENISO 3104;
ISO 3105
3.5-5.0 mm2/s
alevlenme noktası ENISO 3679 120 (en düşük) ºC
sülfür içeriği ENISO 20846;
ENISO 20884 10.0 (en yüksek S15) mg/kg karbon kalıntısı
setan sayısı sülfatlanmış kül su içeriği
ENISO 10370 0.30 (en yüksek) %mol/mol ENISO 5165 51 (en düşük)
ISO 3987 0.02 (en yüksek) %mol/mol
ENISO 12937 500 (en yüksek) mg/kg
toplam kontaminasyon EN 12662 24 (en yüksek) mg/kg
bakır korozyon
oksidatif kararlılık (110 ºC) asit değeri
iyot değeri
linolenik asit içeriği
ENISO 2160 1 derecesi
EN 14112 60.0 dk sa
EN 14104 0.50 (en yüksek) mgKOH/g
EN 14111 120 (en yüksek) gI2/100g EN 14103 12.0 (en yüksek) %(mol/mol) çift bağlı FAME içeriği >= 4 1 (en yüksek) %(mol/mol)
metanol içeriği EN 14110 0.20 (en yüksek) %(mol/mol)
monoaçilgliserol içeriği EN 14105 0.80 (en yüksek) %(mol/mol) diaçilgliserol içeriği EN 14105 0.20 (en yüksek) %(mol/mol) triaçilgliserol içeriği EN 14105 0.20 (en yüksek) %(mol/mol)
serbest gliserin EN 14105 0.020 (en yüksek) %(mol/mol)
toplam gliserin EN 14105 0.25 (en yüksek) %(mol/mol)
I. grup metaller (Na+K) EN 14108 5.0 (en yüksek) mg/kg II. grup metaller (Ca+Mg) prEN 14538 5.0 (en yüksek) mg/kg
fosfor içeriği EN 14107 10.0 (en yüksek) mg/kg
soğuk filtre tıkama noktası EN 116 - ºC
akış noktası ISO 3016 0 (en yüksek) ºC
ısıl değer DIN 51900 35 (en düşük) MJ/kg
23 Çizelge 2.4 EN 14213 Avrupa Biyodizel Standardı
Özellik Test Yöntemi Sınırlar Birim
ester içeriği yoğunluk (15 ºC)
kinematik akışkanlık (40 ºC)
EN 14103 96.5 (en düşük) %mol/mol
ENISO 3675;
ENISO 12185
860-900 kg/m3
ENISO 3104;
ISO 3105
3.5-5.0 mm2/s
alevlenme noktası ENISO 3679 120 (en düşük) ºC
sülfür içeriği ENISO 20846;
ENISO 20884 10.0 (en yüksek S15) mg/kg karbon kalıntısı
setan sayısı sülfatlanmış kül su içeriği
ENISO 10370 0.30 (en yüksek) %mol/mol ENISO 5165 -
ISO 3987 0.02 (en yüksek) %mol/mol
ENISO 12937 500 (en yüksek) mg/kg
toplam kontaminasyon EN 12662 24 (en yüksek) mg/kg
bakır korozyon
oksidatif kararlılık (110 ºC) asit değeri
iyot değeri
linolenik asit içeriği
ENISO 2160 - derecesi
EN 14112 4.0 sa sa
EN 14104 0.50 (en yüksek) mgKOH/g
EN 14111 130 (en yüksek) gI2/100g
EN 14103 - %(mol/mol)
çift bağlı FAME içeriği >= 4 1 (en yüksek) %(mol/mol)
metanol içeriği EN 14110 - %(mol/mol)
monoaçilgliserol içeriği EN 14105 0.80 (en yüksek) %(mol/mol) diaçilgliserol içeriği EN 14105 0.20 (en yüksek) %(mol/mol) triaçilgliserol içeriği EN 14105 0.20 (en yüksek) %(mol/mol)
serbest gliserin EN 14105 0.02 (en yüksek) %(mol/mol)
toplam gliserin EN 14105 - %(mol/mol)
I. grup metaller (Na+K) EN 14108 - mg/kg
II. grup metaller (Ca+Mg) prEN 14538 - mg/kg
fosfor içeriği EN 14107 - mg/kg
soğuk filtre tıkama noktası EN 116 - ºC
akış noktası ISO 3016 0 (en yüksek) ºC
ısıl değer DIN 51900 35 (en düşük) MJ/kg
24
Biyodizel yakıtlar viskozitesi dizel yakıta yakın olan değişik bitkisel yağlardan üretilebilir. Bu yakıtların hacimsel ısıtma değerleri biraz düşüktür fakat yüksek setan numarası ve ateşleme noktasına sahiptir. Biyodizelin özellikleri dizel yakıta benzediği için eğer ihtiyaç artarsa dizel yakıtın yerine kullanılabilecek adaydır. Çizelge 2.4 de biyodizel ve dizel yakıtın özellikleri karşılaştırılmıştır (Fukuda vd. 2001).
Çizelge 2.5 Bazı bitkisel yağların metil esterlerinin ve dizel yakıtın fiziksel ve kimyasal özellikleri
Bitkisel yağ metil esteri
Setan sayısı
Alt ısıl değer (MJ/l)
Bulutlanma noktası
(oC)
Alevlenme noktası
(oC)
Yoğunluk (g/l)
Sülfür (wt%)
Yerfıstığı 54 33.6 5 176 0.883 -
Soya yağı 45 33.5 1 178 0.885 -
Babassu 63 31.8 4 127 0.879 -
Palmiye 62 33.5 13 164 0.880 -
Ay çiçeği 49 33.5 1 183 0.860 -
İç yağı - - 12 96 - -
Kolza tohumu 51- 59.7
32.8 - - 0.882 -
Kullanılmış Kolza 53 36.7 - 192 0.895 0.002
Kullanılmış Mısır 63.9 42.3 - 166 0.884 0.0013
Dizel yakıt 51 35.5 - - 0.830 -
