Peynir altı atıksuyundan etil elkol üretilmesinin modellenmesi
Modeling of ethyl alcohol production from whey wastewater
Yazar: OSMAN OKUR
Danışman: PROF.DR. ABDURRAHMAN TANYOLAÇ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2006
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Peynir Altı Atık Suyundan Etil Alkol Üretilmesinin ModellenmesiOsman OkurHacettepe Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Kimya Mühendisliği AnabilimDalıÖZBu çalışmanın amacı, ülkemizde küçük ve orta ölçekli mandıralarda oluşan kısmenproteini alınmış peynir altı atıksuyunu biyolojik olarak işleyerek etil alkol üretecek birprosesin uygun üretim koşullarını saptamak ve bu koşullarda biyokinetik bir modelgeliştirmektir. Tüm aşamalarında otoklavlanarak kısmen deproteinize edilmiş peyniraltısuyunun (PAS) kullanıldığı tezin kapsamı üç ana bölüme ayrılmıştır.Birinci bölümde, PAS ortamında verimli ve yüksek derişimde etil alkol üretebilenmaya türü belirlenmiştir. Dokuz farklı maya kültürünün incelendiği bu bölümde, enverimli kültürün Kluyveromyces marxianus Y-1175 olduğu saptanmıştır.İkinci bölümde, seçilen maya kültürü için optimum üretim koşulları, 30Âº C ve 150 rpmkarıştırma hızında çalışan orbital inkibatörde kesikli sistem deneyleriyle belirlenmiştir.Yüzey cevap yöntemi (YCY) kullanılarak üretim ortamında; pH, aşılama yüzdesi,toplam azot ve maya özütü derişimleri bağımsız değişkenler olarak seçilmiş vebunların değişimiyle bağımlı değişken olarak belirlenen; etil alkol derişimi, cevapzamanı ve ürün verim faktörü cevapları incelenmiştir. Gerçekleştirilen optimizasyonprogramı (Design Expert 6.0, deneme sürümü) çözümünde, pH 5.8, aşılama yüzdesi% 1, toplam azot derişimi 1.8 g/L ve maya özütü derişimi 1 g/L olduğu koşullarınoptimum değerler olduğuna karar verilmiştir. Bu optimum koşullarda, Kluyveromycesmarxianus Y-1175 maya kültürü 30 oC ve 60 g/L PAS ortamında 27 saat içinde%45.3 verimle 18.7 g/L derişiminde etil alkol üretmiş ve 48 saat içinde laktozuntamamını kullanmıştır.Son bölümde, 30 oC da üç set kesikli deney yapılarak her sette sırayla azot derişimi,laktoz derişimi ve etil alkol derişimi diğer parametreler sabit kalmak şartıyladeğiştirilmiş ve kültürün özgül büyüme ve üretim hızları modellenmiştir. Büyümekinetik modeli üretim ortamında laktoz, etil alkol ve azot derişimlerini içeren çoksubstratlı ve yarışmasız ürün ve substrat inhibisyonlu bir mekanistik eşitlik olarakönerilmiştir. Büyüme modeline ait biyokinetik parametrelerden maksimum özgülçoğalma hızı, laktoza ve azota ait doygunluk değerleri ve etil alkole ve azota aitinhibisyon sabitleri sırası ile; Âµmax= 0.586 (saat-1), KL= 14.305 g/L, KN= 2.046 g/L, KİP= 44.840 g/L ve KİN = 2.046 g/L olarak hesaplanmıştır. Özgül üretim kinetiği içinyapılan çalışmada Î± ve Î² katsayıları (R2 = 0.98) yüksek korelasyon katsayısı ilesırasıyla 6.31 ve 0.18g/L olarak bulunmuştur. Bu katsayılar gerçekleşen etil alkolüretim prosesinin karma büyüme oranlı olduğunu göstermektedir.Sonuç olarak yapılan çalışma ülkemizde küçük ve orta ölçekli mandıralarda kısmenproteini alındıktan sonra atılan peynir altı atıksuyunu verimli bir şekilde etil alkoledönüştürecek kültürü ve optimum çalışma koşullarını saptayarak alternatif birdeğerlendirme ve arıtım yöntemi önermiş ve çok substratlı ve yarışmasız inhibisyonluözgül büyüme ve üretim kinetik modelleriyle literatüre orijinal katkıda bulunmuştur.Anahtar Kelimeler: Peyniraltı suyu, Laktoz, Kluyveromyces marxianus, Maya, Etilalkol, Çok substratlı kinetik model, İstatistiksel deney tasarımı, Cevap yüzey yöntemiDanışman: Prof Dr. Abdurrahman Tanyolaç, Hacettepe Üniversitesi, KimyaMühendisliği Bölümü, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı

Abstract:
Modeling of Ethyl Alcohol Production From Whey WastewaterOsman OkurHacettepe University, Chemical Engineering Department, Chemical Engineering MainBranchABSTRACTThe aim of this work is to determine optimum operation conditions of a bioprocess toproduce ethyl alcohol from partially deproteinized whey wastewater from dairyindustries with medium or small capacity (SMSEs) in our country and to develop abiokinetic model under these conditions. The study, in which partially deproteinizedand autoclaved whey wastewater was used through all phases, has been conductedin three main sections.In the first section, the most suitable microorganism to produce ethyl alcohol withhigh yield and concentration in whey wastewater medium was investigated. Ninedifferent yeast cultures were elucidated in this part of the study and the most efficientyeast strain was determined as Kluyveromyces marxianus Y-1175.In the second section, optimum conditions of ethyl alcohol production weredetermined through batch runs carried out in an orbital incubator operating 30oC with150 rpm shaking rate. In the runs; pH, inoculation %, total nitrogen and yeast extractconcentrations were selected as independent process parameters and their effectson dependent parameters (responses) ethyl alcohol concentration, production timeand product yield factor were investigated using response surface methodology(RSM). The solution of the optimization program Design Expert 6.0 (trial version)yielded the conditions of pH 5.8, 1% inoculation percent, 1.8 g/L total nitrogen and1g/L yeast extract concentrations as the optimum. Under these optimum conditions,the culture produced 18.7 g/L ethyl alcohol concentration in whey wastewatermedium with 45.3 % yield after 27 hours and totally utilized the lactose within 48hours of fermentation.In the last section, three sets of batch runs were conducted at 30 oC by changing onlynitrogen, lactose and ethyl alcohol concentrations in each set -keeping the othersfixed- and specific growth and production rates of the culture were modeled. Theanalysis proposed a mechanistic equation for the growth model with non-competitiveproduct and substrate inhibition in terms of lactose, ethyl alcohol and nitrogenconcentrations in the production medium. The biokinetic parameters of the growthmodel were assessed as Âµmax= 0.586 (h-1), KL= 14.305 g/L, KN= 2.046 g/L, KİP =44.840 g/L and KİN = 2.046 g/L for maximum specific growth rate, saturationconstants of lactose and nitrogen, and inhibition constants of ethyl alcohol andnitrogen, respectively. The evaluation of same kinetic data for specific production rateyielded 6.31 and 0.18g/L for Î± and Î² coefficients, respectively, with a high correlationcoefficient denoting that ethyl alcohol production process is a mixed growthassociated fermentation type.In conclusion, this study proposed an alternative treatment and bioremediationprocedure for partially deproteinized whey wastewater produced by small andmedium capacity dairy industries by determining the culture and optimum operationconditions to produce ethyl alcohol with high yield, and made an original contributionto literature with specific noncompetitive multi substrate inhibition growth and specificproduction kinetics.Keywords : Whey, Lactose, Kluyveromyces marxianus, Yeast, Ethyl alcohol, Multi-substrate kinetic model, Statistical experiment design, Response surfacemethodology.Supervisor: Prof Dr. Abdurrahman Tanyolaç, Hacettepe University, ChemicalEngineering Department, Chemical Engineering Main Branch