Kirlilik oluşturan atık deniz fanerogamlarının süperkritik CO2 ekstraksiyonunun matematiksel modellemesi ve rafinat fazdaki biyokütleden biyoetanol eldesi
Mathematical modeling for supercritical fluid extraction of waste marine pollutant phanerogams and investigation of bioethanol production from biomass in raffinate phase
Yazar: MÜGE PİLAVTEPE
Danışman: DOÇ. DR. ÖZLEM YEŞİL ÇELİKTAŞ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Biyokütle enerjisi = Biomass energy ; Fermentasyon sıvısı = Fermentation broth ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Optimizasyon = Optimization

Özet:
Bu çalışmada Ege Denizi ve Akdeniz kıyılarında kirlilik oluşturan ve hiçbir şekilde değerlendirilmeyen Posidonia oceanica ve Zostera marina deniz fanerogamlarından biyorafineri mantığı ile katma değeri yüksek ürünler elde edilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda ham, süperkritik akışkan ekstraksiyonu ve hidroliz sonrası biyokütlelerin, lignin, selüloz ve hemiselüloz içerikleri belirlenmiştir. Her iki biyokütlenin de içerdiği fenolik bileşikler süperkritik CO2 ekstraksiyonu ile elde edilmiş, UPLC ile miktar tayinleri yapılmıştır. Süreç optimizasyonunda matematiksel modelleme yaklaşımı kullanılmış olup tüm fiziksel parametreler ayrı ayrı hesaplanmış ve MATLAB ile nümerik çözüme gidilmiştir. Ayrıca toplam fenol tayini ve DPPH radikal süpürme aktiviteleri belirlenerek ilaç ve gıda sanayilerinde kullanım potansiyelleri ortaya konulmuştur. Geri kalan selüloz ve hemiselulozca zengin olan kısımdan en yüksek miktarda indirgen şeker eldesi için asit ve enzimatik hidroliz süreçleri optimize edilmiştir. Elde edilen veriler ışığında ardışık enzimatik ve asit hidrolizleri sonrasında %58 indirgen şeker oranına ulaşılmıştır. Box-Behnken yaklaşımına göre bağımsız değişkenlerden inokulum oranı, indirgen şeker derişimi ve gün için optimum değerler %0,5, 25 g/L ve 1 gün olarak belirlenmiş ve bu koşullar altında GC analizleri sonucunda %62,3 biyoetanol üretildiği tespit edilmiştir. Bunlara ilave olarak fermentasyon süreci 2 L'lik biyoreaktörde gerçekleştirilerek ölçek büyütme çalışması da yapılmıştır.

Abstract:
In the scope of this study, the main aim was to utilize the sea phanerogams Posidonia oceanica and Zostera marina creating pollution on the beaches with biorefinery approach and obtain value-added products. The lignin, cellulose and hemicellulose contents of raw material, the raffinate phase of supercritical CO2 extraction and the biomass remaining after hydrolysis were determined. The phenolic compounds in raw and raffinate biomasses were quantified with UPLC. A mathematical model was used for process optimization where the physical parameters were calculated and numerical solution was carried out with MATLAB. Additionally, total phenol contents and DPPH radical scavenging activities of the extracts were determined in order to emphasise their potential for pharmaceutical and food industries. Subsequently, the acid and enzymatic hydrolyses of the raffinate phases rich in terms of cellulose and hemicelluloses were optimized to determine the process parameters maximizing the reducing sugar content. About 58% of reducing sugar was achieved by consecutive enzymatic and acid hydrolyses. According to the Box-Behnken approach, the optimum values for inoculum, reducing sugar content and time of fermentation were elicited as 0.5%, 25 g/L and 1 day, respectively which yielded 62.3% bioethanol as quantified by GC analysis. Furthermore, fermentation process was scaled-up to 2 L bioreactor.