Ön arıtma, lignoselüloz biyokütlesinden biyoetanol üretmenin en pahalı adımlarından biridir ve üretilen her galon etanol için yaklaşık 0,30 ABD dolarıdır. Selüloz reaktivitesini ve fermente edilebilir şekerlerin potansiyel verimini artırmayı amaçlayan çeşitli ön arıtma yöntemleri vardır. Bu, geleneksel veya gelişmiş ön işleme olabilir. Geleneksel ön arıtmalar kimyasal, fiziksel, fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemleri içeren dört kategoriye ayrılırken, gelişmiş ön arıtma yöntemi asit bazlı fraksiyonasyon veya iyonik sıvı bazlı fraksiyonasyon (ILF) olabilir. Geleneksel işleme yöntemleri arasında kimyasal sınıflar en verimli olanıdır ve bu nedenle çoğunlukla kullanılır.
Lignoselülozik biyokütlenin çeşitli şekillerde ön işlemi, tipik olarak lignin ve hemiselülozdan oluşan bir polimer matrisine dahil edilen selülozun salınmasına yardımcı olan doğal yapıyı bozar. Bununla selüloz, polimer matrisinden ayrılır ve enzimatik hidrolize daha uygun hale gelir ve çimen, mısır ve odun gibi ham maddeler kullanılarak %90’dan fazla şeker verimi (teorik verim) ile sonuçlanır. Bu, selülozun kristal yapısı bozulduğunda enzimatik hidrolize daha duyarlı olduğu anlamına gelir. Hidroliz olmadan enzimler, enzimatik hidrolizi inhibe ederek selüloz zincirlerine değil lignin yüzeyine bağlanır.
Ön arıtmanın diğer faydaları arasında (pentoz) şekerlerin bozulmasını önlemeye yardımcı olmak, orta ölçekli reaktörler kullanarak biyoetanol üretim proseslerinin uygulanabilirliğini sağlamak ve ısı ve güç gereksinimlerini azaltmak yer alır. Aynı zamanda hidrolizin etkinliğini ve dolayısıyla şekerin etanole fermantasyonunu azaltan inhibitörlerin oluşumu azalır.
İçindekiler
geleneksel işlemciler
Bu ön arıtma yöntemi literatürde geniş bir şekilde ele alınmış ve yöntem bazı şekillerde sınıflandırılmıştır ve bu yöntemler şu şekildedir:
Fiziksel işleme: öğütme, ışınlama ve ekstrüzyon gibi yöntemlerle biyokütlenin parçalanmasını ve lignoselülozun kristalleştirilmesini içerir. Sonuç olarak, biyokütlenin yüzey alanı ve gözenek boyutunun artması enzimatik hidrolizin etkinliğini arttırır. Lignoselüloz dekontaminasyon verimliliğini artırmak için fiziksel bir ön arıtmanın kimyasal bir ön arıtma ile birleştirilmesi gerekebilir.
Kimyasal arıtma: Bunlar asit-alkali, oksidasyon ve organik asit (organik çözünen) lignin giderme yöntemlerini içerir. Spesifik besleme stokları için oldukça seçicidir ve polimer matrisinden lignin veya hemiselülozu parçalamak ve çıkarmak için kullanılır. Kimyasal ön işlemler şüphesiz etkilidir ancak sonraki süreçler üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilecek zorlu çalışma koşulları gerektirir ve yan ürünler özel bertaraf prosedürleri gerektirebilir.
Chemical Physico: Fiziksel ve kimyasal işleme özelliklerini birleştirir. Örnekler, buhar patlaması, sıvı sıcak su, mikrodalga ışıması ve karbondioksit patlamasıdır.
Biyoremediasyon: Bu, daha fazla enzimatik bozunma için lignoselülozik biyokütleyi parçalamak için mikroorganizmaların kullanılmasını içerir. Bu organizmalar mantarları ve beyaz, kahverengi ve yumuşak bakterileri içerir.
Lignoselüloz için Gelişmiş İşleme Yöntemleri
Lignoselüloz fraksiyonlama ön işlemi olarak da adlandırılan bu yöntemler, 50 °C ve atmosferik basınç gibi hafif çalışma koşulları altında katma değerli yan ürünler üretmek için lignoselülozu fraksiyonlara ayırarak selülozik etanol üretme maliyetini düşürmeyi amaçlar. Bu kazanç, katma değerli yan ürünler üretmek için selüloz, hemiselüloz ve lignini ayırarak selüloza erişilebilirliği artıran selüloz solventleri kullanılarak elde edilir. Yöntem ayrıca selülozun çözücü bazlı lignoselüloz fraksiyonasyonu (CSLF) olarak da bilinir. Bu işlem, müteakip enzimatik hidroliz için gerekli olan enzim miktarlarının azaltılmasına yardımcı olur ve çeşitli hammaddeler için kullanılabilir. CSLF’de kullanılan iki temel teknik vardır ve bu teknikler aşağıdaki gibidir:
• Asit parçalanması
Fosforik asit gibi selüloz çözücüler ve aseton veya etanol gibi organik çözücüler genellikle lignoselülozik biyokütleyi ayırmak için 1 atm ve 50 °C gibi hafif çalışma koşulları altında kullanılır. Ayırma verimliliği sırasıyla selüloz çözücünün, organik çözücünün, sudaki selülozun, hemiselülozun ve ligninin çözünürlük özelliklerine bağlıdır. Selüloz fraksiyonundan lignin ve hemiselülozun ayrılması, substrat ve hurda şeker inhibitörleri için inatçı ve rekabetçi bağlanma bölgelerinin maliyetini ve üretimini azaltmaya yardımcı olur. Bu yöntem, bambu, mısır kamışı, şeker kamışı ve fil otu gibi lignoselüloz çeşitlerini işlemek için verimli bir şekilde kullanılmıştır.
• Sıvı iyonik fraksiyonlama
İyonik sıvılar (IL’ler), oda sıcaklığı gibi nispeten düşük sıcaklıklarda sıvı olarak bulunan büyük miktarlarda organik katyonlardan ve küçük/inorganik anyonlardan oluşan tuz çözeltileridir. Ayrılması kolay ve katma değerli yan ürünler olarak kullanılan spesifik, saflaştırılmış, bozulmamış polimerik hammaddeler elde etmek için lignoselülozu fraksiyonlara ayırmak için kullanılırlar. Geleneksel ginseng selüloz biyokütlesi ile karşılaştırıldığında, IL’ler için ön arıtma yöntemleri, daha düşük enerji yoğunluğu, kullanım kolaylığı ve belirli bileşenleri ayırma yeteneği gibi bazı avantajlar gösterir. Düşük buhar basıncı ve yüksek termal kararlılık gibi özellikler, IL’lerin çevre dostu ve dolayısıyla yeşil çözücüler olduğunu gösterir.
IL’ler ayrıca ayarlanabilir, çünkü su direnci, polarite ve solvent gücü gibi özellikler istenen belirli sonuçlara ulaşmak için ayarlanabilir. IL’lerin anti-çözücü ve lignoselüloz özellikleri (tip, nem içeriği, parçacık boyutu ve yük) ile sıcaklık, ön işlem süresi ve bu özellikler, bir iyonik sıvı ön işlem yönteminin genel verimliliğini belirlemek için kullanılabilir. Ancak en yaygın ön arıtma yöntemi buhar kullanmaktır. Bu özen, daha düşük sermaye yatırımı, daha yüksek enerji verimliliği, çevre üzerinde daha az etki, daha az tehlikeli kimyasallar ve işlem koşulları ve tam şeker geri kazanımı nedeniyle olabilir.
Biyoetanol üretiminde hidroliz işlemi
Lignoselülozik biyokütlenin ön işleminden sonra, şeker monomerleri üretmek için polimerik karbonhidratların (selüloz ve hemiselüloz) hidrolizi gerçekleştirilir. Bu adım gereklidir çünkü bir sonraki adımda (fermentasyon) gerekli olan enzimler sadece şeker monomerlerini sindirebilir. Proses asit veya enzimler tarafından katalize edilebilirken, asit katalizli hidroliz en yaygın kullanılan yöntemdir ve konsantre veya seyreltik asit kullanımını içerir. Bu asitlerin örnekleri H2S04 ve HC1’den hazırlanmıştır. Daha düşük sıcaklıkta ve daha yüksek asit konsantrasyonunda konsantre asit katalizli hidroliz kullanılarak kısa sürede %90 şeker geri kazanımı sağlanır.
Bu yöntemin dezavantajı, asit geri kazanımı, bertarafı, konsantrasyon kontrolü ve geri dönüşümündeki zorluk nedeniyle üretim maliyetinin yüksek olmasıdır. Asit katalizli konsantre hidroliz ile ilgili diğer bir sorun, hakim olan asidik ortam nedeniyle şeker monomerlerini parçalayabilmesidir. Asit katalizli hidroliz, yüksek sıcaklık ve düşük asit konsantrasyonu gerektirirken, seyreltik asit en yaygın kullanılan asittir. Bu hidroliz yöntemiyle ilgili sorun, işlemin asit katalizli hidrolize kıyasla inhibitörlerin oluşumuna yol açmasıdır.
(C6H10Ö5)n + H30 + H2O + nC6H12Ö6C6H10Ö5n + H30 + H2Ö + nC6H12Ö6E1
Ginoz selülozun asit hidrolizi iki adımda gerçekleştirilir. Birinci aşama hemiselülozun seyreltik asit yardımıyla hidrolizi, ikinci aşama ise konsantre asit kullanılarak selülozun hidrolize edildiği aşamadır.
Enzim katalizli hidroliz, 45-50°C ve pH 4.8-5.0 gibi hafif çalışma koşulları altında polimerik karbonhidratları şeker monomerlerine hidrolize etmek için enzimler kullanır. Bu yöntem etkilidir, inhibitör oluşturmadan ve aşınma eğilimi göstermeden yüksek şeker geri kazanımı sağlar. Enzim katalizli hidrolizin etkinliği pH, enzim yüklemesi, zaman, sıcaklık ve substrat konsantrasyonu gibi faktörlerden etkilenir.
Hidroliz işlemi, endo 1,4-glukanaz, selobiyohidrolazlar ve glukozidazlar olarak adlandırılan üç tip selülaz enzimi tarafından katalize edilebilir. Bu enzimler, kağıt, tekstil ve gıda işleme endüstrileri gibi çeşitli endüstrilerde yüksek talep gördükleri için genellikle çok pahalıdırlar. Bu enzimlerin yüksek maliyeti, özellikle büyük miktarlarda enzim gerektiğinden, genel üretim maliyetini de etkiler. Maliyetine göre hücresel enzim salgılama yeteneğine sahip olan mikroorganizmalar günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır ve şunlardır:
klostridyum,
• Pililomonas,
• Irwinia,
• Termospora,
mikroplar,
• sert ,
mikrokok,
• Acetovibrio,
streptokok,
• Diğer türler arasında örneğin Trichoderma, Penicillium, Fusarium, Fanerochit, hümik ve şizofrenik mantarlar,
Bu mikroorganizmalar arasında en sık kullanılan mikrobiyal enzimler Trichoderma türleridir. Mikrobiyal enzimlerin sorunları stabilite, substrat veya ürün inhibisyonu ve katalitik aktivitedir. Genetik modifikasyonlardaki ilerlemeler, rekombinant DNA teknolojileri ve çeşitli suş geliştirme stratejilerinin uygulanması, üretilen enzim miktarını artırmaya yardımcı olurken, aynı zamanda onları daha güçlü ve ekonomik olarak uygulanabilir kılmaktadır. Selülozun hidroliz etkinliği, enzimatik parçalanmayı artıracak ve selülozun lignin üzerindeki adsorpsiyonunu azaltacak olan polietilen glikol (PEG) veya Tween 20 eklenerek de geliştirilebilir.
Selülozik biyokütlenin glikoza hidroliz mekanizması üç adımda gerçekleşir. İlk adım, bir 1,4 selüloz bağının bir indoglukanaz (1,4-D-glukanohidrolaz) tarafından katalize edilen bir su molekülü ile çapraz bağlanmasıyla daha kısa zincirli ve serbest zincirli bir dekstrin oluşturmaktır. İkinci adım, redüktaz ve redüktaz olmayan zincirleri ayarlayarak psilodekstrinin ekzoglukanaz (1,4-D-glukan selobiyohidrolaz) yardımıyla iki glikoz birimine (sellobiyoz) indirgenmesidir. Üçüncü adım, glukosidazlar chelobios tarafından çoğaldığında elde edilen glukoneogenez oluşumudur. Glikoz üretimi gereklidir çünkü bir sonraki süreç olan fermantasyon, ham madde olarak en basit monomerin kullanılmasını gerektirir.
Hemiselülozun hidrolizi selülozdan daha kolaydır çünkü daha amorf özelliklere sahiptir. Hemiselüloz yumuşak ve sert ağaçlarda sırasıyla %10-15 ve %10-35 ksilan içerirken, ksilan hem ana hem de dış zincirleri içerir. İlki, endo-1,4-ksilanaz (EC 3.2.1.8) ve ksilosidaz (EC 3.2.1.37) kullanılarak indirgenebilir. Ksilanın ana zinciri, endo-1,4-ksilanaz yardımıyla kısa zincirli ksilan polisakarite hidrolize edilir. Oligosakkaritler ayrıca & # 946; -ksilosidaz, yaygın olarak ksiropiranoz olarak bilinen ksilanın piranoz formuna. Buna karşılık, ksilanların dış zincirleri, ferroil esteraz (EC 3.1.1.73), aL-arabinofuranosidaz (EC 3.2.1.55), a-glukuronidaz (EC 3.2.1.5) ve asetilksilan esteraz gibi ek ksilanolitik enzimler olarak bilinen enzimler içerir. (EC 3.2)..1.5) EC 3.1.1.72)
kaynak:
link.springer.com/article/10.1007/s42452-020-03471-x
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24337249/
mdpi.com/2227-9717/9/2/206
yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]