Cell growth and ethanol production characteristics of immobilized S. cerevisiae recirculation

Abstract

Son yıllarda, kimyasal hammadde girdilerine seçenek ve yakıt katığı olarak, fermantasyon yoluyla etanol üretimi dünya çapında önem kazanmıştır. Yüksek şeker derişimlerinden, fermantasyon yoluyla yüksek etanol derişimleri elde edilebildiği takdirde, kaynak kullanımında ve sabit yatırımlarda tasarruf sağlanması beklenmektedir. Geleneksel etanol üretiminde ise, serbest hücreli ve düşük derişimli ortamlar kullanılarak yüksek şeker ve yüksek etanol derişimlerinin kısıtlayıcı etkilerini en aza indirerek hızlı fermantasyon gerçekleştirilmektedir. Son birkaç yıldır, geniş potansiyeli olan yeni bir yaklaşımla etanol üretiminde tutuklanmış hücre kullanımı gündeme gelmiştir.Tutuklanmış hücre sistemlerinde, birim hacimdeki hücre miktarının yoğun olması ve yüksek hızda etanol üretilmesi, yüksek şeker derişimlerinden yüksek etanol derişimlerinin üretilmesine olanak sağlamaktadır. Bu çalışmada, yumaklaşan bir Saccharomyces cerevisiae türü karmaşık örgü yapışma sahip polimerik taşıyıcı parçacıkları üzerinde tutuklanarak, büyüme ve etanol üretim özellikleri üzerinde kinetik veri elde etmek üzere, besi ortamı dönüşümlü kesikli/geri beslemeli reaktörde bir dizi deney yapılmıştır. Sistemdeki pH durumu, etanol üretim hızı, kalan glikoz miktarı ve hücre yoğunluğu değişik zaman ve glikoz derişimlerinde ölçülmüştür. Dört farklı glikoz derişiminin (%6, %10, %12 ve %14), etanol üretkenliği, üretim hızı, yüzde dönüşümü ve çıkış akımındakî etanol derişiminin değişimi üzerindeki etkisi karşılaştırılarak incelenmiş ve bu şartlarda en iyi glikoz derişimi % 10 olarak bulunmuştur. Tutuklanmış hücre reaktöründen elde edilen büyüme çizelgeleri, maya hücreleri %6 ve %10'luk glikoz derişimlerinde kararlı evreye yaklaşık 15 saatten sonra ulaşırken, bu sürenin %12 ve %14'lük glikoz derişimleri için daha uzun olduğunu göstermiştir.VII Maya hücrelerinin üssel evredeki spesifik büyüme hızlan %6, %10, %12 ve %14 glikoz derişimleri için sırasıyla 0.200, 0.124, 0.079 ve 0.088 l/saat olarak bulunmuştur. Sistemin çalışma kararlılığı da besi ortamının sürekli yenilendiği bir dizi deneyle incelenmiş ve 58 saate kadar kararlı davrandığı görülmüştür.

Recently, there has been world-wide interest in the production of ethanoi by fermentation as an alternative to chemical feed stock and as a gasoline extender. Savings in utilities as well as reduction in fixed costs can be achieved if the sugar syrups can be fermented developing high ethanoi concentrations. However, conventional ethanoi production uses free cells and comparatively low substrate concentrations in order to ensure a speedy fermentation without inhibitory reactions by high sugar or high ethanoi concentrations. Over the past few years, a new approach of great potential has been the use of immobilized cell systems to produce ethanoi. Due to higher cell mass per unit fermenter volume and high rates of ethanoi production in an immobilized cell system, it may be possible to achieve high ethanoi concentration by fermenting solutions of high sugar concentrations. In this research, a flocculating strain of Saccharomyces cerevisiae was entrapped in polymeric support particles having a complex void structure and a range of experiments were conducted in order to obtain kinetic data on the growth and the ethanoi production characteristics in an immobilized cell reactor under batch operation with nutrient recirculation. The pH conditions, ethanoi production rates, residual glucose concentrations and cell densities in the system were measured at different operation times and substrate concentrations. Ethanoi productivities, production rates, percent conversions and yields for four different substrate concentrations namely 6, 10, 12 and 14% glucose were compared to determine the optimum substrate concentration under these conditions and was found to be 10%. The growth patterns in the immobilized cell reactor showed that the yeast cells enter the stationary phase in about IS hours of operation after inoculation for the 6 and 10% glucose concentrations while longer periods are required to reach the stationary phase at 12 and 14% glucose concentrations. The specific growth rates of the yeast cells in the exponential phase were found to be 0.200, 0.124, 0.079, and 0.088 1/h for 6, 10, 12 and 14% glucose concentrations respectively.The operational stability of the system was investigated through experiments with repeated nutrient replacements and the system was found to be stable within 58 hours of operation.