Determination of the Energy Potential of Biogas Obtained by Anaerobic Cofermentation of Fruit and Vegetable Waste and Cow Manure

Abstract

Throughout the history, humanity has needed both energy and foodstuffs to sustain its daily life. The products of agriculture and livestock sectors meet the basic nutritional needs of people. The wastes generated as a result of this consumption can be converted into biogas through anaerobic cofermentation and used in energy production. This study investigates whether the biogas obtained by anaerobic cofermentation of fruit and vegetable wastes and cow manure is suitable for energy production. The wastes used were fruit and vegetable wastes and cow manure. The study was carried out using 2 reactors with a volume of 3 L at a temperature of 37 °C for a hydraulic retention period of 30 days. The organic loading rates of these reactors, designated as R1 and R2, were 0.5 and 0.6 g VS/L.day, respectively. Mixture ratios in R1 and R2 reactors were prepared as 40% fruit + 30% vegetables + 30% cow manure and 35% fruit +40% vegetables + 25% cow manure, respectively. The data collected from the reactors showed that the amount of electrical energy to be obtained from the biogas produced from this waste composition was 2.38 kWh. These results show that anaerobic cofermentation of fruit and vegetable wastes and cow manure can be considered as an alternative energy source due to the energy potential they can produce, the high amount of waste and the sustainable energy production method.

Keywords

• Alternative energy sources
• anaerobic cofermantation
• biogas
• fruit and vegetable wastes
• cow manure

MEYVE VE SEBZE ATIKLARI İLE İNEK GÜBRESİNİN ANAEROBİK KOFERMANTASYONU İLE ELDE EDİLEN BİYOGAZIN ENERJİ POTANSİYELİNİN BELİRLENMESİ

Abstract

İnsanlık tarih boyunca günlük hayatını devam ettirebilmek için hem enerjiye hem de gıda maddelerine ihtiyaç duymuştur. Tarım ve hayvancılık sektörleri ürünleri insanların temel besin ihtiyaçlarını karşılamaktadır. Bu tüketim sonucunda oluşan atıklar ise anaerobik kofermantasyon yoluyla biyogaza çevrilerek enerji eldesinde kullanılabilmektedir. Bu çalışma meyve ve sebze atıkları ile inek gübresinin anaerobik kofermantasyonu yoluyla elde edilen biyogazın enerji üretimine uygun olup olmadığını araştırmaktadır. Kullanılan atıklar meyve ve sebze atıkları ile inek gübresi olarak belirlenmiştir. Çalışma, 30 günlük hidrolik bekletme süresi boyunca, 37 °C sıcaklıkta, 3 L hacme sahip 2 reaktör kullanılarak gerçekleştirilmiştir. R1 ve R2 olarak adlandırılan bu reaktörlerin organik yükleme oranları sırasıyla; 0,5 ve 0,6 g VS/L.gün olarak belirlenmiştir. Karışım oranları sırasıyla; R1:%40 meyve + %30 sebze + %30 inek gübresi; R2: %35 meyve + %40 sebze + %25 inek gübresi şeklindedir. Reaktörlerden toplanan veriler, bu atık kompozisyonundan üretilecek biyogazdan elde edilecek elektrik enerjisi miktarının 2,38 kWh olduğunu göstermiştir. Bu sonuçlar, meyve ve sebze atıklarıyla inek gübresinin anaerobik kofermantasyonunun, üretebilecekleri enerji potansiyeli, atık miktarlarının fazla olması ve sürdürülebilir enerji üretim yöntemi olması sebebiyle, alternatif enerji kaynağı olarak değerlendirilmesinin mümkün olduğunu göstermektedir.

Keywords

• Alternatif enerji kaynağı
• anaerobik kofermantasyon
• biyogaz
• meyve ve sebze atığı
• inek gübresi

References

1. Alkan U. (2013) Anaerobik Arıtım Ders Notları, Bursa Uludağ Üniversitesi, Bursa.
2. Alvarez R., Liden G. (2008) Semi-continuous co-digestion of solid slaughterhouse waste, manure, and fruit and vegetable waste. Renewable Energy 33 (2008) 726–734. doi:10.1016/j.renene.2007.05.001.
3. Anonim, 2019.
4. Anonim, 2020.
5. Anacak, S. (2012). Hayvan çiftliklerinden kaynaklanan atıkların anaerobik arıtımı, Yüksek Lisans Tezi, B.U.Ü. Fen Bilimleri Ensititüsü, Bursa.
6. APHA, AWWA and WPCF (2023) Standard methods for the examination of water and waste water, Washington D.C.
7. Ayhan, A. (2013). Farklı karışım oranlarındaki sığır gübresi ve mısır silajından mezofilik fermantasyonla üretilebilecek biyogaz miktarlarının belirlenmesi üzerine bir araştırma, Doktora Tezi, B.U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa.
8. Baran, M. F., Lüle, F. ve Gökdoğan, O. (2017) Adıyaman İlinin Hayvansal Atıklardan Elde Edilebilecek Enerji Potansiyeli Energy Potential Can Be Produced by Animal Waste of Adiyaman Province. Türk Tarım ve Doğa Bilimleri Dergisi, 4(3), 245–249.

9. Büyükmıhcı, M. Kemal. (2003) Yenilenebilir Enerji Kaynakları Avrupa Birliği Ülkelerindeki Uygulamalar ve Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Tarafından Hazırlanmakta Olan Kanun Tasarısı Taslağı Çerçevesinde Planlanan Önlemler, Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, TMMOB, 3-4 Ekim Kayseri, ss.15-22.
10. Cornell Compositng Science & Engineering (1996). C/N Ratio. Erişim Adresi: https://compost.css.cornell.edu/calc/cn_ratio.html (Erişim Tarihi: 15.04.2022).
11. Çelen, B. (2021) Turkish national environmental strategy and action plan: agricultural sector practices and current status. Ejons International Journal, 5(19): 474–501.
12. Çukurçayır M. A., Sağır H. (2008) Enerji Sorunu, Çevre Ve Alternatif Enerji Kaynakları, Selçuk Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi, Konya.
13. Demir Yetiş, A., Gazigil, L:, Yetiş, R., Çelikezen, B. (2018) Hayvansal atık kaynaklı biyogaz potansiyeli: bitlis örneği, Academic Platform Journal of Engineering and Science 7-1, 74-78, 10.21541-apjes.405308-599036.
14. Deressa, L., Libsu, S., Chavan, R.B., Manaye, D., Dabassa, A. (2015) Production of Biogas from Fruit and Vegetable Wastes Mixed with Different Wastes, Environment and Ecology Research 3(3): 65-71, 2015 DOI: 10.13189/eer.2015.030303.
15. Faostat, World Food And Agrıculture (2023) Statıstıcal Yearbook, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome 2023.
16. Gümüş, B., ve Buluş, A. (2020) Uluslararası çevre sorunları ve William Nordhaus’un çevre ekonomisine katkıları. Alanya Akademik Bakış, 4(3): 1015-1031.
17. Gümüşçü M., Uyanık S., (2010) Güneydoğu Anadolu Bölgesi Hayvansal Atıklarından Biyogaz ve Biyogübre Eldesi. Tesisat Mühendisliği (MMO), 16 (118), 59-65.
18. Güneş, E. ve Karakaş, T. (2022) Tarım ve gıda sistemlerinde sürdürülebilirlik yaklaşımları. Journal of Academic Value Studies, 8(3): 304-316.
19. Masebinu, S. O., Akinlabi, E. T., Muzenda, E., Aboyade, A. O., Mbohwa, C. (2018) Experimental and feasibility assessment of biogas production by anaerobic digestion of fruit and vegetable waste from Joburg Market. Waste Management, 75, 236– 250, doi:10.1016/j.wasman.2018.02.011.
20. Muhammad, M. B., Chandra, R. (2022) Turning neem leaves anti-microbial substrate to methane-producing co-substrate for the generation of clean and affordable electricity through biogas: A case study. Sustainable Energy Technologies and Assessments 52 (2022) 101982, https://doi.org/10.1016/j.seta.2022.101982
21. Özer, B. (2017) Biogas energy opportunity of Ardahan city of Turkey. Energy 139 (2017) 1144 - 1152. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2017.07.052.
22. Pavi S., Kramer, L. E., Gomes, L. P., Miranda, L. A. S., (2017) Biogas production from codigestion of organic fraction of municipal solid waste and fruit and vegetable waste. Bioresour Technol 2017;228:362–7. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.01.003.
23. Pradeshwaran, v., Chen. W. H., Saravanakumar, A., Suriyaprakash, R., Selvarajoo, A. (2024) Biocatalyst enhanced biogas production from food and fruit waste through anaerobic digestion, Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, Volume 55, January 2024, 102975, https://doi.org/10.1016/j.bcab.2023.102975.
24. Smil, V. (1999) Crop Residues: Agriculture's Largest Harvest: Crop residues incorporate more than half of the world's agricultural phytomass, Bioscience 1999.4.1 49/4 Pages 299-308, https://doi.org/10.2307/1313613.
25. Şirin, E. (2022). Şeker pancarından biyoetanol üretimi aşamasında ortaya çıkan şilempenin biyogaz üretimine etkisinin araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Necmettin Erbakan Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya.
26. Tengiz, M. Z., Ayyıldız, B., (2022) Türkiye'de Tarım Ve Enerji Tüketiminin Agro-Ekolojik Ekonomik Kriterler İle Değerlendirilmesi, International Conference on Global Practice of Multidisciplinary Scientific Studies-III Turkish Republic of Northern Cyprus, November 15- 17, 2022. https://www.researchgate.net/publication/367157388. (Erişim Tarihi: 20.01.2024).
27. Tınmaz, K. E. (2017) Trakya bölgesinde hayvan gübrelerinin biyogaz enerji potansiyelinin belirlenmesi ve sayısal haritaların oluşturulması. Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, 23(6), 762–772. doi:10.5505/pajes.2016.33600.
28. Türkmenler, H., Varınca, K., Can, R. 2014. Biyogaz Çalıştayı Sonuç Raporu, Adıyaman Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü, Erişim linki: http://cevre.adiyaman.edu.tr/Files/cevre/etkinlikler/20140603_Biyogaz_Calistayi/ADYU_Bi yogaz_Calistay_Sonuc_Raporu.pdf, (Erişim Tarihi: 18.08.2023).
29. Vats, N., Khan, A. A., Ahmad, K. (2019) Effect of substrate ratio on biogas yield for anaerobic co-digestion of fruit vegetable waste & sugarcane bagasse, Environmental Technology & Innovation Volume 13, February 2019, Pages 331-339. https://doi.org/10.1016/j.eti.2019.01.003.
30. Voß, E., Weichgrebe, D., Rosenwinkel K. H., (2009) FOS/TAC: Herleitung, Methodik, Anwendung und Aussagekraft. Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, Internationale Wissenschaftstagung Biogas Science Band 3 (2009). ISSN 1611-4159.
31. Zareei, S., Khodaei, J. (2017) Modeling and optimization of biogas production from cow manure and maize straw using an adaptive neuro-fuzzy inference system, Renewable Energy Volume 114, Part B, December 2017, Pages 423-427, https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.07.050.