Yosun yağından biyodizel üretimi ve bir dizel motorunda alternatif yakıt olarak kullanılması

Abstract

Bu çalışmada, yosun yağından transesterifikasyon reaksiyonu ile biyodizel üretimi ve dizel motorlarda kullanılabilirliği araştırılmıştır. Biyodizel üretimi için %5 termal su eklenmiş tatlı suda ve tam otomatik closed-loop sistem yüksek teknolojili piramit fotobiyoreaktörlerde yetiştirilen tek hücreli ve yağ üretimi için adapte edilmiş Chlorella protothecoides türü yosunlardan elde edilen yağ kullanılmış ve bu yağın düşük asit değerinden (0.22 mgKOH/gr) dolayı baz katalizörlü transesterifikasyon uygulanmıştır. Transesterifikasyon reaksiyonu için alkol olarak %99.7 saflıkta metil alkol ve katalizör olarakta %99.9 saflıkta potayum hidroksit (KOH) kullanılmıştır. Yosun yağından biyodizel üretiminde en uygun şartların belirlenmesi için laboratuvar ölçekli bir dizi ön deneyler yapılmıştır. Bu deneylerde metil alkol/yağ molar oranı 6:1 olarak sabit tutulup katalizör miktarının (kütlesel olarak yağın %0.5, %0.75 ve %1'i kadar KOH), reaksiyon sıcaklığının (60-70 0C) ve reaksiyon süresinin (60-100 dakika) metil ester verimi, viskozite ve yoğunluk üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Yapılan optimizasyon çalışmaları sonucunda 6:1 metil alkol/yağ molar oranı, kütlesel olarak yağın %0.75'i kadar KOH kullanımı, 68 °C reaksiyon sıcaklığı ve 80 dakikalık reaksiyon süreleri biyodizel üretimi için en uygun şartlar olarak belirlenmiştir. Bu şartlarda %98.67 metil ester verimi elde edilmiş ve nihai biyodizel ürününün kinematik viskozite ile yoğunluk değerleri 4.491 mm2/s ve 881 kg/m3 olarak ölçülmüştür. Üretilen biyodizelin fiziksel ve kimyasal analizleri sonucunda %96'nın üzerinde bir ester içeriğine sahip olduğu ve metanol, mono-, di- ve tri-gliserit ile serbest ve toplam gliserol içeriğinin EN 14214 ve ASTM 6751 biyodizel standartlarında belirtilen maksimum değerlerin çok altında olduğu tespit edilmiştir. Bununla beraber viskozite, yoğunluk, parlama noktası, setan sayısı, asit değeri, kükürt ve su içeriği gibi özelliklerin belirtilen standartlar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Ayrıca üretilen biyodizelin standart yakıt özelliklerine sahip olmasının yanında yüksek setan sayısı (57.3) ve iyi soğuk filtre tıkanma noktası (-10 0C) gibi özellikleri onu önemli bir alternatif dizel motor yakıtı yapmaktadır. Biyodizel ve onun petrol kökenli dizel yakıtı ile hacimsel olarak %20 oranındaki karışımı dört zamanlı ve direkt püskürtmeli dizel motorunda sabit motor devir sayısında ve değişik motor yüklerinde alternatif yakıt olarak kullanılarak, yanma, performans ve egzoz emisyonları petrol kökenli dizel yakıtı ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Deneyler sonucunda, biyodizel ve karışım yakıtın özgül yakıt tüketiminde artış; efektif verimde ise dizel yakıtına göre hafif bir düşme olduğu gözlemlenmiştir. Biyodizel ve karışım yakıtın kullanılması ile dizel yakıtına göre biraz daha yüksek silindir gaz basıncı ve maksimum ısı salınımı elde edilmiştir. Emisyon testleri sonucunda, biyodizelin yanmamış hidrokarbon emisyonları ve duman koyuluğu değerlerinde önemli azalmalar sağladığı belirlenmiştir. Buna karşın NOx emisyonlarında artış görülmüştür.

In this study, biodiesel production from algae oil via transesterification reaction and its use in diesel engines were investigated. To produce biodiesel, oil, obtained from single-cell and heterotrophic Chlorella protothecoides algae species adapted for oil production and grown in fresh water in which 5% thermal water is added and in which there is closed-loop full-automatic pyramid photo bioreactors, was used; and base-catalyzed transesterification was applied due to its low acid value. Methyl alcohol and potassium hydroxide (KOH) with purities of 98% and 99.9%, respectively, were used for transesterification of algae oil. A series of lab-scale preliminary experiments were carried out to determine the optimal transesterification conditions. In these experiments, molar ratio of methanol to oil was kept as 6:1 and the effects of the amount of catalyst (%0.5, %0.75 and %1 KOH of the oil by wt.), reaction temperature (60-70 oC) and time (60-100 minutes) on the methyl ester yield, kinematic viscosity and density values were studied. Consequently, the molar ratio of methanol to oil of 6:1, in the presence of 0.75 wt.% KOH of the oil as catalyst at 68 °C for 80 minutes, was agreed as the optimal transesterification conditions for producing algae oil methyl ester (biodiesel). Under these conditions, a 98.6% conversion rate of algae oil to fatty acid methyl esters efficiency was achieved, and kinematic viscosity and density of final biodiesel product were measured as 4.491 mm2/s and 881 kg/m3, respectively. According to phsico-chemical analyses of biodiesel produced, it was determined that it had an ester content higher than 96%, and the contents of methanol, mono-, di-, tri-glyceride and free and total glycerin were found to be below the limits specified by ASTM D6751 and EN 14214 standards. It was also found that fuel properties such as kinematic viscosity, density, flash point, cetane number, acid value, sulphur and water content agreed well with the standards. Furthermore, the fact that the biodiesel had a high cetane number (57.3) and low CFPP (-10 0C) besides standard fuel properties makes it a suitable alternative diesel fuel. The biodiesel and its blend with petroleum based diesel fuel in percentage of 20% (v/v) were tested in four-cylinder and direct injection diesel engine at constant engine speed and variable load conditions to assess the combustion, performance and exhaust emissions in comparison with petroleum based diesel fuel. From the experimental test results, it was observed that using biodiesel and blended fuel as fuel instead of petroleum diesel resulted in an increase in specific fuel consumption and in a slight reduction in efficiency. Also, a slightly higher peak cylinder pressure and heat release rate were obtained by using biodiesel and blended fuel in comparison with petroleum diesel. The results of exhaust emission tests showed the sharp reductions in total hydrocarbon emissions and smoke opacity, despite increasing in NOx emissions.