Bomba kalorimetre, katı veya sıvı numunelerin yanmasıyla açığa çıkan ısı enerjisini ölçen ve bu ölçümlerden hareketle numunenin enerji değerini hesaplayan bir laboratuvar cihazıdır. Besinlerin içerdiği enerji miktarını belirlemede de kullanılan bu yöntem, 1900’lü yıllarda Amerika Birleşik Devletleri’nde Dr. W. O. Atwater tarafından geliştirilmiştir. Enerji değerinin belirlenmesi; yakıt kalitesi, enerji verimliliği, üretim süreçlerinin optimizasyonu ve çevresel analizler açısından önem taşımaktadır.

Tarihçe

Enerji üretiminde kullanılan malzemelerin açığa çıkardığı enerjinin belirlenmesi tarih boyunca bilimsel ve endüstriyel araştırmaların konusu olmuştur. Endüstri devriminden itibaren yakıt olarak kullanılan materyallerin enerji değerlerinin ölçülmesi, malzeme bilimi ve enerji yönetimi açısından önemli bir gereklilik haline gelmiştir.

Bomba kalorimetre kavramı, 20. yüzyılın ortalarından itibaren Atwater tarafından geliştirilen yöntemlerle sistematik hale gelmiştir. 1979 yılında US4306452A patent numarası ile ticarileşmiş ve günümüzde LECO, PARR, IKA, DEBYE TECHNIC gibi firmalar tarafından üretilmektedir. Türkiye’de ise son yıllarda üretimine başlanmıştır.

^{Bomba Kalorimetre Cihaz Örneği (Yapay Zeka ile Oluşturulmuştur.)}

Kullanım Alanları

Bomba kalorimetre enerji değerinin belirlenmesinin gerekli olduğu pek çok disiplinde geniş bir kullanım alanına sahiptir. Başlıca kullanım alanları şunlardır:

Sanayi: Çimento, makarna, buğday, yağ fabrikaları, kömür madenleri, geri dönüşüm tesisleri
Yakıt Analizi: Kömür, fuel-oil, talaş, plastik, biyokütle vb. katı ve sıvı yakıtların enerji değerlerinin ölçümü
Bilimsel Araştırmalar: Üniversiteler ve araştırma merkezlerinde enerji değerlerinin belirlenmesi
Çevre ve Enerji Yönetimi: Enerji kaynaklarının verimli kullanımı ve çevresel etkilerin değerlendirilmesi
Gıda Bilimi ve Beslenme: Besinlerin enerji içeriğinin belirlenmesi

Çalışma Prensibi

Bomba kalorimetrenin temel çalışma prensibi numunenin yüksek basınç altında saf oksijen ortamında yanması ve yanma sonucu açığa çıkan ısının su sıcaklığındaki değişim olarak ölçülmesidir. Bu sıcaklık değişimi cihazın sıcaklık sensörleri aracılığıyla kaydedilir ve enerji değeri hesaplanır.

Temel Bileşenler

Analiz Haznesi: Yüksek basınca dayanıklı çelik hazne (kroze) içinde numuneyi barındırır.
Yakma Elektrotları (Ateşleme Pimleri): Numunenin ateşlenmesini sağlar.
Karıştırıcı: Yanma sonucu oluşan ısının analiz haznesinde homojen dağılımını sağlar.
Sıcaklık Sensörleri (Termometreler): Yanma sonrası sıcaklık değişimini ölçer.
Su Kazanı: Yanma sonucu suyun sıcaklığında artış olur ve bu artış bir termometre aracılığıyla ölçülür.

^{Bomba Kalorimetre İçin Örnek Çizim}^{(Geçim, 2022)}^【1】

İşlem Basamakları

Yöntem kullanılan numunenin yakılması sonucu açığa çıkan ısı enerjisinin ölçülmesine dayanır.

Ölçülmek istenen numune özel bir kaba alınarak bombanın içine yerleştirilir.
Ateşleme için yakma teli ile gerekli bağlantılar oluşturulur.
Bombanın içine tazyikli oksijen (%99,5 saf oksijen) sevk edilir.
Bir platin telin elektrik akımıyla ateşlenmesi sonucu numune yakılır.
Yanma sırasında oluşan ısı enerjisi bombayı çevreleyen su kazanındaki suyu ısıtır.
Yanma sonucu oluşan sıcaklık değişimi bir termometre ile ölçülerek ölçülerek enerji değeri hesaplanır.

Besinlerin Enerji Değerinin Belirlenmesi

Besinlerin enerji değeri içerdiği karbonhidrat, protein ve yağ miktarına bağlıdır.

Enerji Birimleri

Kilo Kalori (kkal): 1 litre damıtık suyun sıcaklığını 15°C’den 16°C’ye yükseltebilen enerji miktarıdır.
Joule (J): 1 kg ağırlığın bir newton kuvveti ile 1 metre taşınmasında harcanan enerji miktarıdır.
Dönüşüm: 1 kkal = 4,184 kJ = 0,004184 MJ

Besin Ögesi Enerji Değerleri (Bomba Kalorimetre Ölçümleri)

Karbonhidrat: 4,1 kkal/g
Protein: 5,65 kkal/g
Yağ: 9,45 kkal/g

Metabolik Enerji

Bomba kalorimetresi besini tam olarak CO₂ve H₂O'ya kadar oksitleyebilirken, insan vücudu proteinleri tam olarak oksitleyemez. Proteinlerin parçalanması sonucu oluşan üre, ürik asit ve kreatinin gibi azotlu ürünler idrarla atılır ve bu atıklar yaklaşık 1,25 kkal/g enerji içerir. Bu ve sindirim kayıpları nedeniyle Atwater besinlerin fizyolojik enerji değerlerini belirlemek için düzeltmeler yapmıştır.

Düzeltmelerde kullanılan sindirim katsayıları protein için %92, yağ için %95, karbonhidrat için %98' dir. Bu düzeltmeler sonucunda kabul edilen fizyolojik enerji değerleri şunlardır:

Protein: (5,65 × 0,92) − 1,25 = 4 kkal/g (16,7 kJ/g)
Karbonhidrat: (4,10 × 0,98) = 4 kkal/g (16,7 kJ/g)
Yağ: (9,45 × 0,95) = 9 kkal/g (37,7 kJ/g)
Alkol: 7 kkal/g (29,3 kJ/g)

Besin Enerjisi Ölçümünde Bomba Kalorimetreye Yöneltilen Eleştiriler

Atwater yöntemi, besinlerin vücutta kullanımını tam olarak yansıtmadığı gerekçesiyle bazı bilimsel eleştirilere maruz kalmıştır. Bu eleştiriler, yöntemin güncellenmesi ve yeni araştırmaların gerekliliğini işaret etmektedir.

Karbonhidrat Enerjisi Hesabında Eksiklik

1 gram karbonhidratın 4 kalori enerji etmesi kabulü diyetteki tüm karbonhidratların sindirildiği varsayımına dayanır ve bu, her zaman doğru değildir. Diyetteki sindirilmeyen karbonhidratlar (örneğin lif) çıkarıldıktan sonra sadece sindirilebilen kısmın enerjisi hesaplanmalıdır. Bazı dirençli nişastalar gibi sindirilemeyen karbonhidratlar, bakteriler tarafından parçalanarak bir miktar enerji sağlamasına rağmen sistem bu kısmı hesaba katmamaktadır.

Sindirim Etkileşimleri ve Biyolojik Faktörler

Atwater yöntemi, besin ögelerinin sindirimini birbirinden bağımsız olarak ele almıştır. Oysa sindirimde ögeler birbirini etkilemektedir. Yiyeceklerin hazırlanışı dahi sindirimi etkiler. Örneğin etin proteinlerinin sindirilebilirliği, pişmiş, pişmemiş veya pişip bir süre bekletilmiş olmasına göre değişiklik gösterir. Nişasta, posa, protein ve yağların sindirimleri birbirini etkileyerek enerji kaybına yol açar. Bu ögelerin sindirimini azaltarak feçesle enerji kaybının artmasına neden olurlar.

Protein Metabolizması ve Azot Atımı Düzeltmesi

Proteinler için yapılan 1,25 kkal/g enerji kaybı düzeltmesi, sadece azot dengesini sağlayabilen yetişkinler için geçerli bir genellemedir. Bu kayıp proteinlerin NH₃ grubundan dolayı oluşur. Büyüme çağındaki bireylerde azot birikimi olduğu için idrarla atılan azot ve buna bağlı enerji kaybı daha azdır.

Diyetin Bileşen Oranının Etkisi

Hayvanlar üzerinde yapılan araştırmalar, diyetteki protein, yağ ve karbonhidrat oranlarının birbirini etkileyerek vücutta metabolize edilen enerji miktarını etkilediğini göstermiştir. Yüksek proteinli diyetler proteinlerin parçalanma ürünlerinden dolayı kaybolan enerji deposu miktarını artırmaktadır. Proteinlerin yetersiz olduğu durumlarda ise feçesle atılan yağ miktarı artarak enerji kaybına yol açmaktadır.

Posa ve Feçesle Enerji Kaybı

Diyetteki posanın artması, feçesle enerji kaybını artırmaktadır. Posasız diyette feçesle enerji kaybı %3 iken, posalı diyette %11'e çıktığı bildirilmiştir. Bu tür beslenme bozukluklarında feçes ile enerji kaybı daha da artabilir.

Standartlar

Kalorimetre cihazlarının üretimi ve kullanımı uluslararası standartlara uygun olarak gerçekleştirilir. Önemli standartlar şunlardır:

ASTM D5865: Kömür ve kok için brüt kalorifik değer ölçümü
ISO 1928: ASTM D5865 ile paralel ilerleyen standart
DIN (Almanya) ve GB (Çin) standartları

Standartlar cihazın güvenilirliğini ve analizlerin karşılaştırılabilirliğini sağlar. ASTM ve ISO standartlarında oksijen saflığı, izolasyon tankı hacmi, sıcaklık sensörü hassasiyeti, yakma teli ölçüleri ve ateşleme voltajı gibi teknik kriterler yer alır.

^{Bomba Kalorimetre ile Yanma Isısının Ölçülmesi}^{(Bursa Teknik Üniversitesi Kimya Mühendisliği)}

Bomba Kalorimetre