Lignoselülozik içeriğe sahip farklı tarımsal kaynaklardan etanol üretimi

Abstract

Son yıllarda artan nüfus ve teknoloji yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasını zorunlu hale getirmektedir. Biyoetanol fosil yakıt tabanlı enerjilere alternatif olarak kullanılabilmektedir. Biyoetanol üretimi için mısır, şeker kamışı, şeker pancarı, buğday ve arpa dünyada en yaygın kullanılan tarımsal kaynaklardır. Etanol üretiminde kullanılabilen umut vadeden yeni alternatif karbon kaynaklarının çoğunu dünyada en bol bulunan lignoselülozik biyokütle oluşturmaktadır. Bu çalışmanın amacı lignoselülozik materyaller olan arpa kavuzu (AK), yulaf kavuzu (YK), buğday kepeği (BK) ve çavdar kepeğinin (ÇK) seyreltik asit hidrolizini cevap yüzey metodu (response surface method, RSM) kullanılarak optimize etmek, elde edilen hidrolizatları aktif kömür ile detoksifiye etmek ve Pichia stipitis ATCC 58784 ve ATCC 58785 suşları ile etanol üretmektir. Çalışmada sıcaklık, katı: sıvı oranı (K:S), asit oranı (AO) ve hidroliz süresi bağımsız değişkenler olarak seçilmiştir. Bu amaçla, RSM için her bir parametrenin aralığını belirlemek üzere her-defada-tek-etken (one-factor-at-a-time, OFAT) metodu kullanıldı. Optimum hidroliz koşulları AK için 130 ºC sıcaklık, 1:8 (w/v) K:S, %1.86 (v/v) AO, 30 dk hidroliz süresi; BK için 121ºC sıcaklık, 1:8 (w/v) K:S, %2.66 (v/v) AO, 30 dk; ÇK için 130ºC sıcaklık, 1:8 (w/v) K:S, %1.58 (v/v) AO, 16 dk hidroliz süresi ve YK için ise 130ºC sıcaklık, 1:8 (w/v) K:S, %1 (v/v) AO ve 19 dk hidroliz süresi olarak belirlenmiştir. Bu koşullarda fermente edilebilir şeker konsantrasyonu ise AK, BK, ÇK ve YK için sırasıyla 76.28, 72.73, 89.42 ve 59.63 g/L'dir. Sonrasında elde edilen hidrolizatların aktif kömür detoksifikasyon koşulları (konsantrasyon, sıcaklık ve süre) RSM kullanılarak optimize edilmiştir. Detoksifiye edilmemiş/edilmiş AK, BK, ÇK ve YK hidrolizatları kullanılarak etanol fermentasyonları gerçekleştirilmiştir. Fermentasyonların sonunda şeker tüketimi, etanol üretimi, etanol verimi, maksimum tüketim hızı, spesifik gelişim hızı, ikiye katlanma süresi ve şeker kullanım oranı gibi kinetik parametreler hesaplanmıştır. AK, BK, ÇK ve YK hidrolizatlarından elde edilen en yüksek etanol konsantrasyonları sırasıyla 7,68, 7,33, 11,18 ve 4.49 g/L olarak belirlenmiştir. En yüksek sonuçlar P. stipitis ATCC 58784 kullanılan fermentasyonlar sonucunda ve maksimum aktif kömür kullanılan detoksifikasyon işlemiyle elde edilmiştir.Yapılan çalışmalar sonunda, P. stipitis mayası kullanılarak AK, BK, ÇK ve YK hidrolizatlarından etanol üretimleri gerçekleştirilmiştir. Aktif kömür detoksifikasyonunun etanol verimini arttırdığı belirlenmiştir. Ayrıca çalışma, bu materyallerin biyoteknolojik prosesler için alternatif bir karbon kaynağı olduğunu göstermektedir.

In recent years, increasing population and technology have made necessary the use of renewable energy resources. Bioethanol can be used as an alternative to fossil fuel-based energies. Corn, sugar cane, sugar beet, wheat and barley are the most widely used agricultural resources in the world for bioethanol production. Most of promising new alternative carbon sources that can be used in ethanol production is the most abundant available lignocellulosic biomass in the world.The main objectives of this study were to optimize the dilute acid hydrolysis conditions of lignocellulosic materials such as barley hull (BH), oat hull (OH), wheat bran (WB) and rye bran (RB) using response surface method (RSM), to optimize the detoxification conditions with activated charcoal of the obtained hydrolysates, and to produce ethanol with the yeasts Pichia stipitis ATCC 58784 and ATCC 58785. Temperature (ºC), solid-to-liquid ratio (w/v), dilute sulfuric acid ratio (%, v/v), and hydrolysis time (min) were used as independent variables. For this purpose, the one-factor-at-a-time (OFAT) method was used to determine the range of each parameter for RSM. The optimized conditions of BH were 130ºC, 1:8 (w/v), 1.86% (v/v), and 30 min; the optimized conditions of WB were 121ºC, 1:8 (w/v), 2.66% (v/v), 30 min; the optimized conditions of RB were 130ºC, 1:8 (w/v), 1.58% (v/v), 16 min; and the optimized conditions of OH were 130ºC, 1:8 (w/v), 1% (v/v), 19 min (v/v), respectively. Under these conditions, fermentable sugar concentrations were 76.28, 72.73, 89.42 59.63 g/L, respectively. Following that, the activated charcoal detoxification conditions of the obtained hydrolysates under hydrolysis conditions were optimized in terms of activated charcoal concentration (%), temperature (ºC), and application time (min) by using RSM. After determining the optimal detoxification conditions of hydrolysates, the non-detoxified (for control) and detoxified hydrolysates were used for ethanol production by using the yeasts Pichia stipitis ATCC 58784 and ATCC 58785.At the end of the fermentations, kinetics parameters such as glucose consumption, ethanol production, ethanol production, maximum consumption rate, specific growth rate, doubling time, and sugar utilization were calculated. The highest ethanol concentrations which obtained from the BH, WB, RB, and OH hydrolysates were determined to be 7.68, 7.33, 11.18 ve 4.49 g/L, respectively. The highest results were achieved at the result of fermentations-performed using Pichia stipitis ATCC 58784 and with detoxification process in which the maximum activated charcoal was used.At the end of the studies, ethanol productions were carried out from BH, WB, RB, and OH hydrolysates using the yeast Pichia stipitis. The ethanol yield was increased with the activated charcoal detoxification. This study also indicates that these materials are an alternative carbon source for biotechnological processes.