Lignoselülozik atıkların ko-fermentasyonla biyoetanole dönüştürülmesi: Ön arıtım ve fermentasyon proseslerinin incelenmesi ve iyileştirilmesi
Lignocellulosic ethanol production via co-fermentation: Examining and enhancement of pretreatment and fermentation processes
Yazar: PINAR KARAGÖZ
Danışman: DOÇ. DR. MELEK ÖZKAN
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mikrobiyoloji = Microbiology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Biyoenerji = Bioenergy ; Mikrobiyal fermentasyon = Microbial fermentation ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Bu tez çalışmasında buğday ve kanola saplarının verimli şekilde biyoetanole dönüştürülmesi için uygun ön arıtım koşulları belirlenmiş, kesikli ve sürekli sistemde serbest ve immobilize hücrelerle gerçekleştirilen farklı fermentasyon proseslerinin verimi kıyaslanmıştır. Glukoz fermentasyonunda ve etanol üretiminde yaygın olarak kullanılan Saccharomyces cerevisiae ile birlikte glukozun yanı sıra ksilozu da fermente edebilen Pichia stipitis fermentasyon için kullanılmıştır. Kesikli koşullarda sentetik besiyerinde gerçekleştirilen deneylerde P. stipitis hücrelerinin ortam koşullarına karşı S. cerevisiae hücrelerine kıyasla daha hassas olduğu tespit edilmiştir.  En yüksek etanol üretimi %50 S. cerevisiae ve %50 P. stipitis içeren ortamda gerçekleşmiştir.   
Lignini gidermek amacıyla buğday saplarına asit ve alkali peroksit olmak üzere iki ayrı ön arıtma metodu uygulanmış ve ön arıtma koşullarının etanol üretimine etkisi incelenmiştir. Seyreltik asit ön artımı ile için en uygun şartlar altında arıtılan biyokütleden %12.95 (gr/gr atık) oranında etanol üretimi gerçekleşmiştir. Alkali peroksit arıtımına tabi tutulmuş buğday sapları için en yüksek etanol üretim verimi %18.23 olarak tespit edilmiştir. Alkali peroksit arıtım metodu ile arıtılan kanola saplarının ko-fermentasyonu sonunda  %11.66 oranında etanol üretimi gerçekleşmiştir. 
Sürekli sistemde etanol üretimi için, immobilize hücre reaktörü (ICR) aljinat boncuklara tutuklanmış maya hücreleri ile doldurulmuş ve etanol üretimi için uygun akış hızı ve uygun maya kombinasyonu sentetik besiyeri kullanılarak belirlenmiştir. Sentetik besiyeri ile yapılan deneylerde reaktör 3 farklı maya kombinasyonu (1. Ko-immobilize P. stipitis ve S. cerevisiae hücreleri, 2. Yalnızca immobilize P. stipitis hücreleri, 3. Yalnızca immobilize S. cerevisiae hücreleri) ile reaktör çalıştırılmış ve 0.5-8 ml/dk arasında değişen 7 farklı akış hızı denenmiştir. En yüksek etanol üretiminin her iki maya hücresini içeren ICR?da 4 ml/dk akış hızında gerçekleştiği tespit edilmiştir. Bu koşullarda buğday sapı hidrolizatı kullanıldığında etanol üretimi 253.43 g etanol/L.gün olarak ölçülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Lignoselülozik Biyoetanol Üretimi, Fermentasyon, Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis, Ön Arıtım, Enzimatik Hidroliz.

Abstract:
In this study, optimum pretreatment conditions for efficient conversion of wheat and rapeseed straw to bioethanol were determined and efficiency of different fermentation processes with free and immobilized yeast cells were compared . In fermentation processes, xylose fermenting Pichia stipitis was used together with Saccharomycess cerevisiae, conventional yeast for glucose fermentation. In batch experiments it was observed that P. stipitis cells are much more sensitive to environmental conditions than S. cerevisiae cells.   50% P. stipitis and 50% S. cerevisiae containing culture condition was found to be optimum for high ethanol production.  
To remove the lignin from lignocellulosic biomass acid and alkaline peroxide pretreatment were applied for wheat straw and the effects of pretreatment conditions for dilute acid and alkaline peroxide pretreatment were investigated. At the optimum conditions for dilute acid pretreatment maximum overall ethanol yield was calculated to be 12.95% (g/g biomass). The maximum overall ethanol yield determined for alkaline peroxide pretreatment was 18.23%. Alkaline peroxide pretreatment was evaluated for rapeseed straw and when co-fermentation was applied to pretreated material the highest overall ethanol yield was found to be 11.66%.   
For ethanol production in continuous system, immobilized cell reactor (ICR) was loaded with yeast cells immobilized in alginate beads. First, suitable flow rate and suitable yeast combination was selected by feeding the reactor with synthetic medium. ICR was operated by filling with three different yeast combinations: 1 co-immobilized beads containing S. cerevisiae and P. stipitis, 2. immobilized beads containing only S. cerevisiae and 3. immobilized beads containing  only P. stipitis. Ethanol productivity compared at seven flowrates between 0.5 to 8 ml/min. The highest ethanol production occurred when ICR was operated at a flow rate of 4 ml/min. When wheat straw hydrolysate was used as substrate in ICR the highest ethanol production was found to be 253.43 g ethanol/day.
Key Words: Lignocellulosic Bioethanol Production, Fermentation, Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis, Pretreatment, Enzymatic Hydrolysis.