Lignoselülozik biyokütlelerin derin ötektik çözücüler ile ön işlemi
Pre-treatment of lignocellulosic biomasses with deep eutectic solvents
Yazar: FATMA ZEHRA TURAN
Danışman: DOÇ. DR. MÜJGAN OKUR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Biyoetanol, fosil yakıtlara alternatif olarak gösterilebilecek en faydalı biyo-yakıtlardan biridir ve farklı biyokütle türleri tarafından üretilebilir. Lignoselülozik biyokütlelerden biyo-yakıt üretimi üç ana adımdan oluşmaktadır. Bu adımlar; ön işlem, hidroliz ve fermantasyondur. Biyokütlenin yüzey alanını genişletmek, yapıdan lignini uzaklaştırmak ve biyokütlenin parçacık boyutlarını azaltmak, ön işlemde en önemli hedefler olarak gösterilmektedir. Ön işlemler temel olarak fiziksel, fiziko-kimyasal, kimyasal, biyolojik ve kombine yöntemler olmak üzere ana başlıklara ayrılmaktadır. Kimyasal yöntem ana başlığı altında yer alan derin ötektik çözücüler (DES), bileşenlerinden çok daha düşük erime noktalarına sahip ötektik karışımlar oluşturan iki veya daha fazla maddenin karıştırılmasıyla elde edilen yeni bir çözücü sınıfını oluşturmaktadır. Bu çalışmada; derin ötektik çözücülerin lignoselülozik biyokütleler üzerindeki ön işlem etkisi araştırılmış ve ön işlem sonrası biyokütlenin enzimatik hidrolizi incelenmiştir. Derin ötektik çözücülerde, hidrojen bağı alıcısı (HBA) olarak kolin klorür (ChCl), etilen glikol ve hidrojen bağı vericisi olarak (HBD) borik asit, askorbik asit ve laktik asit kullanılmıştır. Lignoselülozik biyokütle olarak ayçiçeği kabuğu ve çeltik kavuzu kullanılmıştır. Biyokütle/DES oranı 1/10 sabit olacak şekilde 9 farklı DES hazırlanmıştır. Bunlar; ChCl/Borik Asit (1:1, 1:2, 2:1), Etilen Glikol/Borik Asit (2:1), ChCl/Laktik Asit (1:1, 1:5, 1:10), ChCl/Askorbik Asit (1:1, 2:1)'dir. Ön işlem koşulları ise 2s (90℃, 110℃, 120℃), 4s (84℃, 105℃ 126℃), 1.17s 105℃, 6.83s 105℃, 6s (90℃, 120℃) ve 2s 110℃ olarak belirlenmiştir. Ön işlem sonrasında yapısal analiz deneyleri gerçekleştirilerek yapıda bulunan lignin, selüloz, hemiselüloz oranları belirlenmiştir. Son olarak lignoselülozik biyokütlelerden lignin giderim yüzdeleri hesaplanmıştır. Çeltik kavuzu için ChCl/L.A (1:10) DES sisteminin 2s 110℃ ortam şartlarında %26.2 oranında en yüksek lignin giderimi gerçekleştirdiği görülmüştür. Ayçiçek kabuğunda en yüksek lignin giderimi ise 2s 120℃ ortam şartlarında ChCl/L.A (1:5) DES sisteminde  % 26.1 oranında olduğu görülmüştür. Ön işleme tabi tutulan lignoselülozik biyokütlelerin yapısal özellikleri, Taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier geçirimli kızılötesi spektroskopisi (FT-IR), X-ışını kırınım difraktometresi (XRD) karakterizasyon yöntemleriyle karakterize edilmiştir.

Abstract:
Bioethanol is one of the most useful biofuels that can be shown as an alternative to fossil fuels and can be produced by different types of biomass. Biofuel production from lignocellulosic biomass consists of three main steps. These steps; pretreatment, hydrolysis and fermentation. Expanding the surface area of biomass, removing lignin from the structure, and reducing particle sizes of biomass are shown as the most important goals in pretreatment. Pretreatments are basically divided into main headings: physical, physico-chemical, chemical, biological and combined methods. Deep eutectic solvents (DES), which fall under the main heading of chemical methods, constitute a new class of solvents obtained by mixing two or more substances that form eutectic mixtures with much lower melting points than their components. In this study; The pretreatment effect of deep eutectic solvents on lignocellulosic biomass was investigated and the enzymatic hydrolysis of biomass after pretreatment was examined. In deep eutectic solvents, choline chloride (ChCl), Ethylene Glycol was used as hydrogen bond acceptor (HBA) and Boric Acid, Ascorbic Acid and Lactic Acid were used as hydrogen bond donor (HBD). Additionally, sunflower husk and rice husk were used as lignocellulosic biomass. 9 different DES were prepared with a constant biomass/DES ratio of 1/10. These; ChCl/Boric Acid (1:1, 1:2, 2:1), Ethylene Glycol/Boric Acid (2:1), ChCl/Lactic Acid (1:1, 1:5, 1:10), ChCl/Ascorbic Acid is (1:1, 2:1). Pretreatment conditions are 2s (90℃, 110℃, 120℃), 4s (84℃, 105℃ 126℃), 1.17s 105℃, 6.83s 105℃, 6s (90℃, 120℃) and 2s 110℃ has been determined. After pre-treatment, structural analysis experiments were carried out and the lignin, cellulose and hemicellulose ratios in the structure were obtained. Finally, lignin removal percentages from lignocellulosic biomass were calculated. It is seen that the ChCl/L.A (1:10) DES system for rice husk achieves the highest lignin removal of 26.2% under 2h 110℃ ambient conditions. It is seen that the highest lignin removal in sunflower peel is 26.1% in the ChCl/L.A(1:5) DES system under 2h 120℃ ambient conditions. The structural properties of pretreated lignocellulosic biomasses were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), X-Ray Diffraction Diffractometer (XRD) characterization methods.