Çeşitli hammaddelerden biyoetanol üretmek için kullanılan işlemler arasında ön arıtma, hidroliz, fermantasyon ve etanol geri kazanımı yer alır. Bu yazıda Biyoetanol Üretiminde fermantasyon süreçleri, fermantasyon teknikleri ve biyoetanol üretimini etkileyen faktörler hakkında bilgiler yer almaktadır.
İçindekiler
Biyoetanol üretiminde fermantasyon süreçleri
Bu, hidroliz adımındaki monosakkarit birimlerinin maya, mantar veya bakteri gibi mikroorganizmalar kullanılarak etanole, asitlere ve gazlara dönüştürülmesini içeren biyolojik bir süreçtir. Saccharomyces cerevisiae, yüksek etanol verimi ve yüksek tolerans limitleri nedeniyle başta maya olmak üzere en yaygın kullanılan mikroorganizmadır. Fırıncı mayası, selülozun hidrolizinden elde edilen glikoz, mannoz veya fruktozu etanole dönüştürürken, ksilan, hemiselülozun hidrolizinden ksiloza dönüştürülebilir. Basit şekerlerin fermantasyonunda kullanılan farklı mikroorganizmaların ve farklı çalışma koşullarında etanol verimlerinin bazı örnekleri vardır.
fermantasyon teknikleri
Monosakkarit birimlerini etanole fermente etmeye yönelik teknolojiler, ayrı hidroliz ve fermantasyon, eş zamanlı fermantasyon (SSF) ve eş zamanlı sakarifikasyon ve ortak fermantasyon (SSCF) içerir. Aynı zamanda izotermal eş zamanlı kırma ve fermantasyon, eş zamanlı şekerleme, filtrasyon ve fermantasyon ve standartlaştırılmış biyolojik arıtma için de kullanılır. Diğer fermantasyon türleri kesikli, kesikli besleme, sürekli ve katı fermantasyonu içerirken, bu fermantasyon yöntemlerinden bazıları aşağıdaki gibidir:
• Bir toplu fermantasyon işlemi
Bunlar, esnek, kontrol edilmesi kolay ve bir dizi ürün için çok damarlı oldukları için en basit fermantasyon süreçleridir. İşlem, işlemin başlangıcında kapalı bir sistemde uygun koşullar altında önceden belirlenmiş bir zamanda substratlar, mikroorganizmalar, kültür ortamı ve besinlerin eklenmesini içerir. Ürünler sadece fermantasyon süresinin sonunda çıkarılır. Bu tip fermantasyon prosesiyle ilişkili problemler, kesikli prosesi ticari biyoetanol üretimi için cazip kılmayan düşük verim, uzun fermantasyon süresi ve yüksek işçilik maliyetidir. Ayrıca fermantasyon ortamındaki yüksek şeker konsantrasyonu nedeniyle, hücre büyümesinin ve etanol üretiminin inhibisyonuna yol açan substrat inhibisyonu olabilir.
• Sürekli fermantasyon süreci
Bu süreç, aktif mikroorganizmalar içeren bir fermentöre substratların, kültür ortamının ve besinlerin eklenmesini ve ürünlerin sürekli olarak geri çekilmesini içerir. Ortaya çıkan ürünler genellikle etanol, hücreler ve artık şekerdir. Sürekli fermantasyon işleminin avantajları, yüksek verimlilik, küçük fermantasyon miktarları ve düşük yatırım ve işletme maliyetidir. Dezavantajlar, potansiyel mahsul kontaminasyonu ve uzun yetiştirme süresi nedeniyle mayanın etanol üretimini destekleme kabiliyetinde olası bir düşüşü içerir.
• Toplu demleme işlemi
Bu, ortamı çıkarmadan fermantasyon substratının yüklenmesini içeren kesikli ve sürekli fermantasyon işlemlerinin bir kombinasyonudur. Diğer fermantasyon işlemleriyle karşılaştırıldığında kesikli besleme işlemi daha yüksek verime, ortamda daha fazla çözünmüş oksijene, daha kısa fermantasyon süresine ve ortamın daha az toksik etkisine sahiptir. Dezavantajı, etanol veriminin hücre kütlesi konsantrasyonu ve besleme hızı ile sınırlı olmasıdır.
• Ayrı Hidroliz ve Fermantasyon (SHF)
Enzimatik hidroliz, optimum performans için enzimlerin yüksek sıcaklıklarda çalışmasına ve fermente eden mikroorganizmaların orta sıcaklıkta çalışmasına izin vererek fermantasyondan farklıdır. Hidrolitik enzimler ve fermantasyon organizmaları optimal koşullar altında işlev gördüğünden, yüksek etanol üretimi beklenir. SHF’nin dezavantajları, yüksek sermaye maliyeti, özellikle iki reaktör gerektiğinden yüksek reaksiyon süresi gereksinimleri ve hidroliz aşaması sırasında salınan şekerler tarafından selülaz aktivitelerini sınırlama olasılığıdır.
• Şekerleme ve Eş Zamanlı Fermantasyon (SSF)
Burada selüloz sakarifikasyonu ve monosakkaritlerin fermantasyonu aynı reaktörde gerçekleştirilir. Eşzamanlı fermantasyon için hidroliz kullanıldığından, selülaz aktivitelerinin olağan inhibisyonundan kaçınılabilir. SSF’nin dezavantajı, sırasıyla hidroliz ve fermantasyon sırasında selülazın ve mikroorganizmaların verimli çalışması için gereken optimum sıcaklıktaki değişikliktir. Selülazın hidroliz için ihtiyaç duyduğu yüksek sıcaklık, fermantasyonda kullanılan maya gibi mikroorganizmaları azaltabilir.
Eşzamanlı yoğunlaştırma ve ortak fermantasyon (SSCF)
Bu, pentoz şekerlerinin birlikte fermantasyonu ile aynı ünitede hidroliz ve sakarifikasyonu içerir. Genel olarak, ksiloz fermantasyonu yapabilen transgenik Saccharomyces cerevisiae suşları alışılmıştan beri kullanılmaktadır. Maya mayası pentoz şekerini fermente edemez. SSF gibi, SSCF de daha düşük maliyet, daha yüksek etanol verimi ve daha kısa işlem süresi avantajlarına sahiptir. Ek olarak SSCF, enzimatik hidroliz sırasında polisakkaritlerin neden olduğu inhibisyonu azaltmaya yardımcı olur ve çoğu mikroorganizma ksilozu tükettiği için ksilozun glikoz konsantrasyonunu arttırır.
• Standartlaştırılmış Biyolojik Tedavi (CBP)
Bunun için enzim üretimi, hidroliz ve fermantasyonun tek bir ünitede yapılması gerekir. Bu süreçte yer alan en yaygın mikroorganizma olan Clostridium thermocellum, lignoselülozu monosakkaritlere indirgeyen ve etanol üreten selülazı sentezleme yeteneğine sahiptir. CBP henüz başlangıç aşamasında olmasına rağmen, daha düşük enerji tüketimi, daha ucuz enzim maliyeti, daha düşük yatırım maliyeti ve daha düşük kontaminasyon potansiyeli gibi avantajlar belirlenmiştir.
Biyoetanol üretimini etkileyen faktörler
Biyoetanol üretimini etkileyen faktörler arasında sıcaklık, şeker konsantrasyonu, pH, fermantasyon süresi, çalkalama hızı ve aşılama boyutu yer alır. Yüksek sıcaklık enzimleri denatüre edebilir ve aktivitelerini azaltabilir. Biyokütle fermantasyonu için ideal sıcaklık 20-35 °C’dir ve üretimi için en uygun verim, 150 g/L’lik bir konsantrasyon kullanılarak elde edilebilir. Bakteriyel kontaminasyonun maya büyümesi, fermantasyon hızı ve yan ürün oluşumu üzerinde etkisi olduğundan, besiyerinin pH’ı da biyoetanol üretimini etkiler. Biyokütle fermantasyonu için en uygun pH aralığı Saccharomyces cerevisiae 4.0-5.0’dır. pH 4.0’ın altında olduğunda, daha uzun bir inkübasyon süresi gerekir ve 5.0’ın üzerinde bir pH’ta etanol konsantrasyonu önemli ölçüde azalır. Biyoetanol verimini artırmak için dikkate alınması gereken bir diğer faktör de çalkalama hızıdır. Çalkalama hızı ne kadar yüksek olursa, üretilen etanol miktarı o kadar fazla olur. Maya hücreleri ile fermantasyon için yaygın olarak kullanılan karıştırma hızı 150-200 rpm’dir ve aşırı karıştırma hızı, hücrelerin metabolik aktivitelerini sınırlayabilir.
Sonuç olarak, küresel olarak üretilen biyoetanol miktarı artıyor ve 2018’de 110 milyar litreden 2022’de 140 milyar litreye çıkabilir ve şu anda en büyük üreticiler ABD ve Brezilya’dır. Bu ülkeler sırasıyla mısır ve şeker kamışından biyoetanol (1g biyoetanol) üretmektedir. %40-70 hammadde katkısı ile üretim maliyetinin yüksek olması nedeniyle diğer hammadde kaynakları dikkate alınarak sırasıyla 2G, 3G ve 4G biyoetanol üretimi gerçekleştirilmektedir. Lignoselüloz biyokütlesini biyoetanole dönüştürmenin yüksek maliyeti, 1G biyoetanol ile karşılaştırıldığında rotayı hala çekici kılmıyor. 2G biyoetanol, toplam biyoetanol üretiminin %3’ünden daha azını oluşturur ve 1G biyoetanolden daha yüksek sera gazlarını azaltma potansiyeline sahiptir. Biyoetanol üretimini artırmak ve üretim maliyetini azaltmak için çeşitli işlemler SHCF, SCCF ve CBP gibi entegre işlemlerle birleştirilebilir.
Biyoetanol üretimi için LCA’ya dayalı olarak, çevresel etkiler ham maddenin mevcudiyetine ve onu biyoetanole dönüştürmek için kullanılan teknolojiye bağlıdır.
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]