Geri Dön

Determination of biogas potential of banana harvestingwaste and environmental life cycle assessment of utilizingstem waste for banana production in greenhouses in Türkiye

Muz atıklarının biyogaz potansiyelinin belirlenmesi ve Türkiye'deki muz üretimi için kullanılmasının çevreselyaşam döngüsü değerlendirmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 769292
  2. Yazar: KARDELEN AFRODİT ADSAL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN, DOÇ. DR. FEHMİ GÖRKEM ÜÇTUĞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Çevre Mühendisliği, Energy, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 104

Özet

Türkiye'de 2019 yılında 548.323 ton muz üretimi gerçekleştirilmiştir. Türkiye'de muz, sıcaklık koşullarının daha uygun olması sebebiyle büyük çoğunlukla Akdeniz Bölgesi'nde üretilmektedir. Buradaki yıl boyu sıcaklık ortalaması, nem ve toprak özellikleri gibi olgular muz üretiminde Türkiye'nin diğer bölgelerine göre avantaj oluşturmaktadır. Ancak muz meyvesinin çoğunlukla yetiştirildiği Hindistan, Uganda, Ekvador ve Brezilya gibi ülkelerin iklim koşullarına nazaran oldukça dezavantajlı bir durumdadır. Muz bitkisi için ideal yetişme sıcaklığı 27° C'dir. Bu sıcaklıktaki bir üretim ortamı sağlanması durumunda muz bitkisinin türüne göre değişiklik göstermekle beraber bir bitkiden her hasatta ortalama 100 kg meyve toplanabilmektedir. Türkiye'de yıl boyunca bu sıcaklık rejimini yakalamak mümkün değildir. Bu sebeple, mevcut muz üretiminin %77'si örtü altı alanlarda yapılmaktadır. Örtü altı alanlar özellikle kış aylarında iç ortam sıcaklığını mümkün oldukça yüksek tutmak için tasarlanmış üretim alanlarıdır. Ancak mevcut yöntemlerle üreticiler kış aylarında iç ortam sıcaklığını 15 ° C'nin üzerine çıkaramamaktadırlar. Bu durum Türkiye'deki üretim veriminin ağaç başına her hasatta 40-50 kg aralığında olmasına neden olmaktadır. Daha önceki dönemlerde mevcut verimin yarısı olan bu miktar kabul görse de, artan muz tüketimini göz önünde bulundurduğunda, üreticiler bu verimi daha da arttırmak adına çeşitli yöntemler denemişler, ancak birçoğunda başarısız olmuşlardır. Sıklıkla denenen yöntemlerden biri örtü altı alanların sıcaklığı arttırmak için bir ısı kaynağı kullanmak olmuştur. Bazı üreticiler sera olarak da ifade edilen örtü altı üretim alanlarının içine odun, kömür ve hatta doğalgaz sobası kurmuş ve iç mekanı bu şekilde ısıtmaya çalışmışlardır. Mersin ve Alanya bölgelerinde yoğun olarak konumlanmış seraların ortalama büyüklükleri 3 dönümdür; bu ve daha büyük alanları kapsayan seralarda soba kurularak ısıtma işleminin yapılması homojen olarak tüm alanı ısıtamadığından etkin bir yöntem olmamıştır. Türkiye'de muz üretim veriminin arttırılmasında en etkin yöntem ise yer altı suyunu spreyleme metoduyla seranın içine vererek iç hava sıcaklığını dış ortam sıcaklığından daha yüksek bir seviyeye getirmek olmuştur. Kış aylarında hava sıcaklığının ortalama 11,8 ° C'de seyrettiği Alanya'da yer altı suyu sıcaklıkları ise 15 ° C ile seraların ısıtmasında etkili olabilmektedir. Bazı üreticiler yer altı suyunu direkt olarak seraların içine beslerken, bazı üreticiler kurdukları kazan sistemleri ile yer altı suyunun sıcaklığını arrtırmak için ısıtarak seranın içine vermektedirler. Isıtma işleminde de fosil enerji kaynakları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma ile fosil yakıtlara alternatif olacak ve muz üretim sürecini daha döngüsel bir yaklaşımla ele almak adına muz üretimi ve hasatı sırasında ortaya çıkan atıkların değerlendirilmesi ve bu metodun çevresel etkilerinin ölçümlenmesi amaçlanmıştır. Muz bitkisi yapısı gereği tek yıllık bir bitkidir. Muz hasadı, bitkinin filizlenmesini takiben yaklaşık 9 aylık bir süreçte gerçekleşmektedir. Muz türlerine göre farklılık göstermesine karşın Türkiye'de yaygın olarak yetişirilen Azman, Dwarf Cavendish ve Grande Naine türlerinin boyutları ortalama 6 ila 8 m arasını bulmaktadır. Meyve hasadı tamamlandığı sırada muz bitkisinin yeni doğan köklerinden sağlam olan bir filiz bırakılmakta ve bitkinin tamamı kesilerek atık haline gelmektedir. Her 1 kg muz meyvesinin üretimi sırasında 4 kg hasat atığı oluşmaktadır. Muz hasat atıkları yapraklar, gövde, kök, yalancı gövde, çiçekler ve gelişmemiş meyvelerden oluşmaktadır. Yapı olarak tamamıyla organik olan bu atıklar içerisinde yüksek miktarda karbon, azot, fosfor ve potasyum bulundurmaktadır. Mevcut durumda bazı üreticiler bu atıkları seraların içinde bırakarak zengin nütrient içeriğinin tekrar toprağa dönmesini beklemektedirler. Ancak bu atıkların kontrolsüz bir şekilde çürümeye bırakılması negatif bir etki yaratmaktadır. Buna ek olarak, hasat edilen bitkilerde oluşmuş bir hastalık, çürüme sonucunda toprağa geçerek sağlıklı veya yeni tomurcuklanmış bitkilere de zarar verebilmektedir. Belirtilen tüm etkileri ve özellikleri değerlendirildiğinde muz hasat atıkları, anaerobik çürütme metoduyla geri kazanım sağlamaya oldukça uygundur. Anaerobik çürütme metodunda, muz hasat atıkları havasız ortam sağlayan bir reaktörün içerisinde sabit sıcaklık ve pH'ta kontrollü olarak çürütülmektedir. Çürütme sürecinde hasat atığı içindeki organik madde metan (CH4) ve karbondioksit (CO2) gazlarından oluşan biyogaza dönüşmektedir. Çürütme sürecinin sonunda reaktöre beslenen organik maddenin ağırlıkça en az 1/3'lik kısmı azalırken, organik maddenin potansiyeline göre biyogaz üremektedir. Üretilen biyogaz içeriğindeki CH4 gazı sayesinde yanıcı özelliğe sahiptir ve böylelikle yenilenebilir bir yakıt olarak kullanılabilmektedir. Anaerobik çürütme sonucunda ortaya çıkan ve içindeki zengin azot, potasyum ve fosfor içeriği sayesinde yeniden sera içerisinde üretim sürecinde gereken gübre ihtiyacının karşılanmasında kullanılabilir. Bu çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiş ve ilk aşamada anaerobik çürütme metodunun sağladığı faydalar gözetilerek Türkiye'de ortaya çıkan muz hasat atıklarının biyogaz potansiyeli Lüleburgaz, Kırklareli'ndeki pilot ölçekteki bir anaerobik çürütme reaktöründe belirlenmeye çalışılmıştır. Böylelikle yer altı suyunu ısıtma aracı olarak kullanan muz seralarında, su sıcaklığını arrtırmak için yakıt olarak yenilenebilir bir kaynağın değerlendirilmesinin potansiyelinin ölçülmesi hedeflenmiştir. Ancak farklı nedenlerden (lojistik, teknik problemler vb.) dolayı reaktör sadece 30 gün işletilebilmiş olup, bu sürede sistem kararlı duruma ulaşamamıştır. Ancak kısa süre de olsa elde edilen sonuçlar ve tecrübeler sonraki çalışmalara ışık tutmak amacıyla verilmiştir. Kararlı durumu ulaşılamadığından bu sonuçların tasarım vb. amaçlı kullanılmaması önerilmemektedir. Tezin ikinci aşamasında ise Türkiye'de muz üretiminin ve ardından son kullanıcıya arzının yaşam döngüsü çevresel etkileri araştırılmıştır. Türkiye'deki düşük yeraltı suyu sıcaklıkları Türkiye'deki muz ağaçlarının verimini düşürmektedir ve literatür, iç mekan sıcaklığını 27 ° C'ye çıkararak tek bir ağacın verimini ikiye katlamanın mümkün olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, üç farklı senaryo çalışılmıştır. İlk senaryoda, işler olağan durum olarak ele alınmış; ikinci senaryoda sulama suyunun doğalgaz kullanılarak ısıtılması çalışılmış; üçüncü senaryoda ise, muz sapı atıklarının anaerobik çürütülmesi yoluyla sahada üretilen biyogaz kullanılarak ısıtma suyunun ısıtılması analiz edilmiştir. Fonksiyonel birim, biyogaz üretim sisteminin ömrü boyunca üretilen 2 ton muz olarak seçilmiştir. Yazılım olarak CCaLC2 ™ ve CML2001 metodolojisi kullanılmıştır. Beşikten mezara bir yaklaşım uygulanmıştır. Üretim süreçleri, Türkiye'deki gerçek bir seradan elde edilen gerçek hayat verilerine göre modellenmiştir. Altı çevresel etki kategorisi (küresel ısınma potansiyeli, asitleşme potansiyeli, ötrofikasyon potansiyeli, fotokimyasal oksidan oluşturma potansiyeli, ozon tabakası tükenme potansiyeli ve insan toksisite potansiyeli) hesaplanmıştır. Çalışmanın sonuçları biyogaz kullanıldığında altı çevresel etkiden dördünün azaldığını göstermekte ve bu da bu uygulamanın muz üretiminin çevresel ayak izini azaltma potansiyeline sahip olduğunu ifade etmektedir. Sonuçların literatürde bildirilen değerlerle uyumlu olduğu görülmüştür. Muz üretiminin çevresel ayak izini azaltmak için, konvansiyonel yakma uygulaması yerine hasat atıklarından yararlanmanın gerekliliği ve çevresel ayak izini daha da azaltmak için anaerobik çürütme metodunun kullanılmasına önem verilmesi gerektiği sonucuna varılmıştır.

Özet (Çeviri)

In Türkiye, 548,323 tons of banana fruit were produced in 2019. Banana fruit mainly grows in the Mediterranean Region due to the favorable temperature conditions. The year-long average temperature, humidity, and specifications of the soil are the parameters that make this region preferable for banana production. However, the environmental conditions in the Mediterranean Region have disadvantages when the region is compared with the countries that are the motherland of bananas such as India, Uganda, Ecuador, and Brasil. The ideal growing temperature for bananas is 27° C. In the case of a production environment at this temperature, an average of 100 kg of fruit can be collected from a plant for each harvest, although it varies according to the type of banana plant. It is not possible to capture this temperature regime during the year in Türkiye. For this reason, 77% of the current banana production is made in greenhouse areas. Greenhouse areas are production areas designed to keep the indoor temperature as high as possible, especially in winter. However, with existing methods, producers cannot increase the indoor temperature above 15 ° C in winter. This situation leads to the 40-50 kg range of production yield in each harvest per tree in Türkiye. Although this amount, which was half the current yield in the previous periods, is accepted; when the increasing banana consumption is considered, producers have tried various methods to increase this yield even more. However, most of them have failed. One method that has been tried frequently has been to use a heat source to increase the temperature of the covered areas. Some producers have installed wood, coal, and even natural gas stoves in greenhouses, also known as greenhouses, and tried to heat the interior in this way. The average size of the greenhouses densely located in Mersin and Alanya regions are 3 decares; In greenhouses covering these and larger areas, heating by setting up a stove has not been an effective method since it could not heat the entire area homogeneously. The most effective method for increasing the yield of banana production in Türkiye is to spray the groundwater into the greenhouse to improve the indoor temperature to a higher level than the ambient temperature. In Alanya, where the average air temperature is 11.8 °C in winter, groundwater temperatures are around 15 ° C. Therefore, the usage of groundwater by spraying is an effective method of heating the greenhouses during the winter period. While some producers feed the groundwater directly into the greenhouses, some producers use the boiler systems they have installed to heat the groundwater and give it into the greenhouse. Fossil and nonrenewable energy sources are widely used in the heating process. In this study, it is aimed to evaluate the wastes generated during banana production and harvest and to measure the environmental effects of this method in order to handle the banana production process with a more circular approach, which will be an alternative to fossil fuels. The banana harvest takes place approximately 9 months after the plant sprouts. Depending on the type of banana plant, the plant's height could reach 8-10 meters during that time. The mainly planted banana plant species in Türkiye are Azman, Dwarf Cavendish, and Grande Naina can grow up to 6 to 8 meters. When the fruit harvest is completed, the strongest sprout is left from the newborn roots of the banana plant, and the whole plant is cut and left as waste. During the production of every 1 kg of banana fruit, 4 kg of harvest waste is generated. Banana harvest waste consists of leaves, stems, roots, root stems, flowers, and raw fruits. These wastes, which are completely organic, contain a high yield of carbon, nitrogen, phosphorus, and potassium. Currently, some producers leave these wastes in greenhouses and wait for the rich nutrient content to return to the soil. Although leaving these wastes to decompose in an uncontrolled way has a positive effect on nutrient recovery, generally, the application of a non-homogeneously distributed dose to a certain area has a negative effect. In addition, a disease that occurs in harvested plants can pass into the soil as a result of decomposition and damage healthy or newly budded plants. The banana harvest waste is quite suitable for energy and nutrient recovery by anaerobic digestion method when all the mentioned effects and properties are evaluated,. In the anaerobic digestion method, banana harvest wastes are digested in a controlled ractor in the absence of oxygen at constant temperature and pH. During the digestion process, various bacteria consume organic matter and pathogens in the harvest waste and produce biogas, the content of it mostly methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) gases. The produced biogas has a flammable feature due to the CH4 gas content and thus can be used as a renewable fuel. This study was carried out in two stages. In the first stage, the biogas potential of banana harvesting waste that occurred in Türkiye was measured in a pilot-scale anaerobic biogas reactor built in Lüleburgaz, Kırklareli. Thus, the potential of banana waste as a renewable source was measured for the greenhouse production areas which use groundwater as the heating source. However, due to different reasons (logistics, technical problems, etc.), the reactor could only be operated for 30 days, and the system could not reach a steady state during this time. However, the results and experiences obtained, albeit for a short time, are given in order to shed light on future studies. It is not recommended that these results be used for design purposes as the steady state is not reached. The reactor design was completed based on the results of the characterization of banana harvesting waste samples collected from southern Türkiye. The reactor volume is calculated as 10 m3. Anaerobic digestion was carried out in mesophilic conditions for 30 days. The results collected in the 30-day experiment were verified by comparison with literature data. Then, parameters in the design of the pilot scale reactor and biogas production quantities were used as inputs in the life cycle assessment. In the second stage of the thesis, the life cycle environmental impacts of banana production and then its supply to the end user in Türkiye were investigated. The low groundwater temperatures in Türkiye inhibit the yield of banana trees in Türkiye and literature suggests that it is possible to double the yield of a single tree by increasing the irrigation water temperature to 27 °C. Hence, three different scenarios were studied. The first scenario, it is also known as the business as usual case was considered; in the second scenario heating the irrigation water by using natural gas was studied, and in the third scenario heating the irrigation water by using biogas produced on-site via the anaerobic digestion of banana stem waste was analyzed. The functional unit was chosen as 2 tons of bananas produced over the course of the lifetime of the biogas production system. CCaLC2TM was used as software, and CML2001 methodology was used. A cradle-to-grave approach was employed. The production processes were modeled based on real-life data acquired from a real greenhouse in Türkiye. Six impacts (global warming potential, acidification potential, eutrophication potential, photochemical oxidant creation potential, ozone layer depletion potential, and human toxicity potential) were calculated. Results show that four of the six impacts decreased when biogas was used, suggesting that this practice has the potential to reduce the environmental footprint of banana production. The results were found to be in good agreement with the values reported in the literature. It was concluded that, in order to reduce the environmental footprint of banana production, utilizing stem waste instead of the conventional practice of burning is essential, and special emphasis should be given to treating or utilizing the bioreactor digestate to further reduce the environmental footprint.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    686252

    Muğla ili biyogaz potansiyelinin belirlenmesi

    Determination of biogas potential of muğla province

    SÜLEYMAN SAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    EnerjiMuğla Sıtkı Koçman Üniversitesi

    Enerji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUHAMMET HAMDİ KARAOĞLU

    DR. SEMA ASLAN

  2. Tez No

    538175

    Aydın ili biyogaz potansiyelinin belirlenmesi

    Determination of biogas potential of Aydin province

    BERKER ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    EnerjiAydın Adnan Menderes Üniversitesi

    Tarım Makineleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET KILIÇKAN

  3. Tez No

    452690

    Türkiye'de hayvansal üretime bağlı biyogaz potansiyelinin belirlenmesi

    Determination of biogas potential which depend on animal production in Turkey

    BURÇİN DİLER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    BiyoteknolojiAnkara Üniversitesi

    Tarım Makineleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UFUK TÜRKER

  4. Tez No

    570185

    Tokat ilindeki hayvansal atıkların biyogaz potansiyelinin belirlenmesi

    Determination of biogas potential from animal waste in Tokat province

    MUSTAFA KONUK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    ZiraatTokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi

    Biyosistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GAZANFER ERGÜNEŞ

  5. Tez No

    722780

    Trakya bölgesinde biyogaz potansiyelinin belirlenmesi

    Determination of biogas potential in the region of thrace

    ELİF CANTEKİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Çevre MühendisliğiTekirdağ Namık Kemal Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜL KAYKIOĞLU

Geri Dön