Ethanol production from glucose by immobilized saccharomyces cerevisiae

Abstract

ÖZET Dünya petrol fiyatlarındaki artış, fermantasyonla etanol üretimini ve yeni prosesler geliştirilmesini gündeme getirmiştir. Son yıllarda, tutuklanmış mikroorganizmalarla etanol üretiminin yoğun araştırmalara konu olduğunu göstermektedir. Tutuklanmış hücre sistemlerinde, birim hacimdeki hücre miktarının yoğun olması, yüksek üretkenlik değerlerinde ve istenilen akış hızında çalışmaya olanak sağlar. Bu çalışmada, yumaklaşan bir Saccharomyces cerevisine türü kullanılarak glikozdan etanol üretimi model sistem olarak ele alındı ve tutuklanmanın kesikli/geri beslemeli ve sürekli sistemler kullanılarak etanol üretimine ve üretkenliğine etkisi ölçüldü. Bu deneyler, eğimli, dolgulu yatak reaktörde, kesikli/geri beslemeli ve sürekli düzeneklerde gerçekleştirildi. Bu sistemlerde besi ortamı kolondan geçirilmeye başlandıktan sonra tutuklanmış hücre miktarındaki artışın, üretkenlik, üretim hızı, fi dönüşüm ve çıkış akımındaki etanol derişiminin değişimine etkisi araştırıldı. Ayrıca, sürekli kolon sisteminde besi ortamının akış hızı değiştirilerek alıkonma süresinin aynı parametreler üzerindeki etkisi incelendi.bu çalışmada kullanılan taşıyıcı dolgu maddeler pasif hücre tutuklanması için uygun olup yüksek alkol oranları ve yüksek alkol üretim aktivitesi yermektedir. Serbest hücrelerin spesifik büyüme hızı doğal yumaklardan, doğal yumakların büyüme hızı ise taşıyıcı dolgu maddeleri kullanılarak tutuklanmış maya hücrelerinden daha hızlıdır. Kesikli/geri beslemeli deneylerde, çıkış akımındaki etanol derişimi ve toplam hücre yoğunluğu arttıkça, üretim hızının değişmediği; sabit akışlı ve sürekli deneylerde ise, üretkenliğin arttığı ve üretim hızının değişmediği gözlenmiştir. Sürekli sistemlerin etanol üretim hızlarının, kesikli/geri beslemeli sistemlerden daha yüksek olduğu saptanmıştır. Sürekli sistemin kullanıldığı deneylerde akış hızının artmasıyla hücre yoğunluğunun arttığı saptanmıştır. Aynı zamanda, çıkış akımındaki etanol derişimi azaldıkça, üretkenliğin ve üretim hızının arttığı görülmüştür.

vii ABSTRACT Studies on the establishment of a practical immobilization technique in which cells can be entrapped within biomass support particles have previously been started. The production of ethanol from glucose has been chosen as a model process with flocculating yeast cells being used in a batch-recycle system, ika evaluation of the results obtained, and the data published in literature indicate that product yields and productivities increase if a continuous system is used. In this research, a flocculating strain of Saccharomyces cerevisiae was entrapped in a polymeric material having a comlex void structure. This material was selected as the immobilizing matrix because it is inert, inexpensive and nontoxic to cells being immobilized. The immobilized yeast cells were used in batch-recycle and continuous production of ethanol in an inclined packed bed reactor system. The pH conditions, ethanol production rates, residual glucose concentrations and cell densities were measured at different operation times and dilution rates. Ethanol productivities in each system were compared to determine any differences in optimum conditions for ethanol fermentations. Maximum ethanol productivity was determined for theviii continuous system by varying the dilution rate of a standard glucose feedstock. The growth patterns in the immobilized cell reactor in the batch recycle and continuous systems showed that the flocculating yeast cells enter the stationary phase in about 16 hours after inoculation. The specific growth rates in the exponential phase were calculated to be 0.095 h`1 (±iX) and 0.İ35 h`1 (±38) for the flocculating S.cerevisiae strain in batch-recycle and continuous operation, respectively. For the fermentation experiments, the product yields were found to remain constant irrespective of cell density in both systems. The rate of ethanol production by BSP-immobilized cells in the batch-recycle system was found to be lower than that of the continuous system at a constant medium flowrate. The specific ethanol productivity (g ethanol/h/g immobilized cells) was found to be higher in the continuous system when compared to the batch-recycle system.