Fermantasyonla Hidrojen Üretimini Etkileyen Faktörler

Fermantasyonla Hidrojen Üretiminin Avantajları

Karanlık fermantasyon yöntemiyle hidrojen üretiminin yenilenebilir olması, enerji ve ışık gerektirmemesi, atıkları değerlendirmesi ve çevre dostu olması gibi avantajları vardır. Bu nedenle bu yöntem üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır; ancak üretilen hidrojen gazı miktarını etkileyen birçok faktör bulunur.

1. Evsel Atığın İçeriği

Meyve-sebze atıkları, yemek atıkları, kızartma yağı, hayvansal gıda kalıntıları gibi gıda atıkları karbonhidrat, yağ ya da protein içerdikleri için fermantasyonla hidrojen üretiminde kullanılabilir. Karbonhidrat içerikli atıklardan üretilen hidrojen gazının verimi, yağ ve protein içerikli atıklara göre daha yüksektir. Nişasta, selüloz, glikoz, sükroz, maltoz gibi karbonhidratlarla yapılan çalışmalarda sükroz içeren atıklardan en yüksek verim alınmıştır. Atık önce parçalanır, sonra sıcak suya konularak içerdiği karbonhidrat moleküllerinin suda çözünmesi sağlanır — bu, mikroorganizmaların karbonhidratı doğrudan kullanabilmesini kolaylaştırarak üretim hızını artırır.

2. Evsel Atığın Miktarı

Bir çalışmada 1 litre karışımda sırasıyla 2,2 g, 5,5 g, 8,3 g, 11,0 g, 13,8 g ve 23,1 g karbonhidrat içeren atıklar denenmiş ve 5,5 gram karbonhidrat içeren atıktan en yüksek verim elde edilmiştir. Bu eşiğe kadar atık miktarının artırılması verimi yükseltirken, eşikten sonraki ilave artışlar verimde düşüşe neden olmuştur — yani ilişki doğrusal değildir, optimum bir miktar noktası vardır.

3. Mikroorganizmaların Türü

En çok kullanılan hidrojen üreten bakteriler Clostridium, Enterobacter ve Bacillus türleridir; bunlar toprak, hayvan gübresi, arıtma çamurları, kompost gibi doğal ortamlarda bulunur. Ancak bu ortamlarda hidrojen üreten bakterilerle birlikte karbon dioksit/metan üreten, hatta hidrojen tüketen mikroorganizmalar da bulunabilir. Bu yüzden ısıl şok uygulama, asidik/bazik ortamda arıtım, havalandırma, dondurma-çözme gibi ön işlemlerle istenmeyen mikroorganizmalar uzaklaştırılarak hidrojen üreten bakterilerin oranı artırılır.

4. pH

Fermantasyon ortamının asidik-bazik özellikleri mikroorganizmaların yaşam ve aktifliğini doğrudan etkiler. Genel olarak fermantasyonla hidrojen üretiminde pH 6-8 aralığı tercih edilir; karbonhidrat içeren atıklarla pH 5-7 arasında daha yüksek verim alınmıştır. Çok çeşitli mikroorganizma içeren karışımlarda ise pH 4-5 aralığının en yüksek hidrojen üretimini sağladığı tespit edilmiştir.

5. Sıcaklık

25-40°C, 40-60°C, 65-80°C ve 80°C üzeri aralıklarda yapılan çalışmalarda 25-40°C sıcaklık aralığının hidrojen gazı üretimi için en uygun koşullar olduğu sonucuna varılmıştır.

6. Hidrojen Gazının Kısmi Basıncı

Fermantasyon ortamında hidrojen gazının kısmi basıncı arttıkça verim azalır; çünkü hidrojen tüketen mikroorganizmalar hidrojeni kullanarak başka bileşikler oluşturur, bu da hidrojen üretme hızını düşürür. Bu nedenle üretilen hidrojen ortamdan uzaklaştırılmalı ya da kısmi basıncı azaltmak için ortama azot, argon gibi gazlar eklenmelidir.

7-9. Azot/Fosfor, Metal İyonları, Bekleme Süresi

Azot ve fosfor elementleri hidrojen üreten mikroorganizmaların büyümesi için önemli besin maddeleridir; eklenmesi verimi artırır. Metal iyonları (Na, Mg, Zn, Fe gibi) az miktarda gerekliyken fazlası mikroorganizmaların yaşamını tehdit eder; Cu, Ni, Pb gibi ağır metaller ise hidrojen üreten mikroorganizmaları öldürerek üretimi engeller. Bekleme süresi kullanılan atığa ve mikroorganizma türüne göre değişir (bazı çalışmalarda 12 saat, bazılarında 5 güne kadar); maksimum verimden sonra bekleme devam ederse mikroorganizmalar üretilen hidrojeni tüketmeye başlayacağından verim düşer.

Özet

• Fermantasyonla hidrojen üretiminde verimi etkileyen en önemli faktörler: atık içeriği (karbonhidrat>yağ/protein, sükroz en verimli), atık miktarı (5,5 g/L optimum, fazlası verimi düşürür), mikroorganizma türü (Clostridium, Enterobacter, Bacillus).
• pH (6-8 genel aralık, karbonhidratlı atıkta 5-7), sıcaklık (25-40°C optimum) ve hidrojen gazının kısmi basıncı (arttıkça verim azalır, ortamdan uzaklaştırılmalı) verimi doğrudan etkiler.
• Azot/fosfor eklenmesi mikroorganizma büyümesini destekleyerek verimi artırır; metal iyonları az miktarda gerekli ama fazlası (özellikle ağır metaller) zararlıdır; bekleme süresi optimum noktadan sonra uzarsa üretilen hidrojen mikroorganizmalar tarafından tüketilip verim düşer.