Glukonik asit ve 5-hidroksimetil furfuralın eş zamanlı olarak üretilmesi
Co-production of gluconic acid and 5-hydroxymethyl furfural
Yazar: ABDULKADİR GÜL
Danışman: PROF. DR. MUHAMMET ŞABAN TANYILDIZI
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Glukonik asit (GA), glukozun oksidasyonu sonucu açığa çıkan, yaygın kullanımı nedeniyle ticari olarak en fazla üretilen üçüncü organik asittir. 5-Hidroksimetil furfural (HMF) ise gelecek vadeden biyoyakıtların yanı sıra faydalı kimyasallara dönüştürülebilen önemli bir biyo-tabanlı platform kimyasallarından biridir. Bu çalışmada, halihazırda farklı tesisler, mekanizmalar ve hammaddelerle üretilen bu değerli platform kimyasallarını tek bir proseste, aynı substrat kaynağından daha düşük maliyetlerle birlikte üretiminin sağlanması amaçlanmıştır. Çalışmada, ilk olarak glukoz ve fruktoz monomerlerinden oluşan sakkaroz, invertaz enzimi ile hidroliz edilmiştir. Sakkarozun hidroliziyle elde edilen hidrolizattaki glukozdan, E. coli W pqq+ rekombinant suşu kullanılarak erlenlerde iki aşamalı bir deneysel tasarımla GA üretilmiştir. İlk aşamada, Placket-Burman (PB) tarama deneyleri kullanılarak GA üretimi için önemli besiyeri bileşenleri, hidrolizat, kalsiyum karbonat (CaCO3), pepton ve amonyum fosfat olarak belirlenmiştir. İkinci aşamada, PB tarama deneyleri ile GA üretiminde önemli olan besiyeri bileşenlerinin ayrıntılı optimizasyonu, Merkezi Kompozit Dizayn (MKD) yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. MKD tasarımı sonucunda, maksimum GA (93,5 ± 2,95 g/L) üretiminde incelen bağımsız değişkenlerin optimum değerleri, hidrolizat 190 g/L, CaCO3 25 g/L, pepton 2 g/L ve amonyum fosfat 1,13 g/L olarak belirlenmiştir. Biyoreaktörde GA üretim durumunu incelemeden önce, erlenlerde fermantasyon ortam bileşenleri yanında ortam şartlarının belirlenmesi amacıyla MKD ile bir ortam optimizasyonu daha gerçekleştirilmiştir. Tasarım sonucunda, sıcaklık 36,3 oC, karıştırma hızı 250 rpm ve ekim konsantrasyonu %9 olarak belirlenmiştir. Erlen deneylerinde elde edilen sonuçlar kullanılarak biyoreaktörde GA üretimi için biyoreaktör işletme koşulları yine MKD ile araştırılmıştır. Biyoreaktörde maksimum GA verimliliği (3,20 g/L.saat), havalandırma hızının 10,82 L/dakika, karıştırma hızının 656,87 rpm ve CaCO3 konsantrasyonunun 16,90 g/L olduğu şartlarda elde edilmiştir. Erlen ve biyoreaktör deneylerinde, rekombinant suş substrat kaynağı olarak sadece glukozu kullandığından, fruktoz miktarı neredeyse hiç değişmeden fermantasyon ortamında kalmıştır. Son olarak, içeriğinde GA ve fruktozun bulunduğu biyoreaktör sıvısı ve 2-Metiltetrahidrofuran organik çözücüsünden oluşan bifazik sistemde, fruktozdan HMF üretimi ve verimi MKD kullanılarak, optimum noktada sırasıyla 0,052 g ve %54,30 olarak belirlenmiştir. Bifazik sistemin sıvı fazında bulunan GA miktarı %98,35 oranında korunmuştur. Bifazik sistemin farklı fazlarında üretilen GA ve HMF ayırma hunisi yardımıyla birbirinden ayrılmıştır. Daha sonra, vakumlu evaporatör yardımıyla HMF ve organik çözücü birbirinden ayrılarak organik çözücü yaklaşık %70 oranında geri kazanılmıştır.

Abstract:
Gluconic acid (GA), released as a result of the oxidation of glucose, is the third most commercially produced organic acid due to its widespread use. 5-Hydroxymethyl furfural (HMF) is one of the important bio-based platform chemicals that can be converted into useful chemicals as well as promising biofuels. In this study, it is aimed to produce these valuable platform chemicals, which are currently produced with different plants, mechanisms, and raw materials, in a single process with lower costs from the same substrate source. In the study, sucrose, consisting of glucose and fructose monomers, was first hydrolyzed by the invertase enzyme. GA was produced from glucose in the hydrolyzate obtained by hydrolysis of sucrose in a two-step experimental design in erlenmeyers using the E. coli W pqq+ recombinant strain. In the first step, the important medium components for GA production were determined as hydrolyzate, calcium carbonate (CaCO3), peptone, and ammonium phosphate using Placket-Burman (PB) screening experiments. In the second stage, detailed optimization of the medium components that are important in the production of GA with PB screening experiments was carried out using the Central Composite Design (MKD) method. As a result of the MKD design, the optimum values of the independent variables examined in maximum GA (93.5 ± 2.95 g/L) production were determined as hydrolyzate 190 g/L, ammonium phosphate 1.13 g/L, CaCO3 25 g/L, and peptone 2 g/L. Before examining the GA production situation in the bioreactor, another medium optimization was performed with MKD in order to determine the medium conditions in addition to the fermentation medium components in the erlenmeyers. As a result of the design, the temperature was determined to be 36.3 oC, the stirring speed was 250 rpm, and the inoculation concentration was 9%. Using the results obtained in the erlenmeyer experiments, the operating conditions of the bioreactor for the production of GA in the bioreactor were also investigated by MKD. Maximum GA efficiency (3.20 g/L.hr) in the bioreactor was obtained under conditions where the aeration rate was 10.82 L/min, the stirring speed was 656.87 rpm, and the CaCO3 concentration was 16.90 g/L. In the erlenmeyer and bioreactor experiments, the amount of fructose remained almost unchanged in the fermentation medium since the recombinant strain used only glucose as the substrate source. Finally, in the biphasic system consisting of bioreactor broth containing GA and fructose and organic solvent 2-Methyltetrahydrofuran, HMF production and yield from fructose were determined as 0.052 g and 54.30%, respectively, at the optimum point using MKD. The amount of GA in the liquid phase of the biphasic system was preserved at a rate of 98.35%. GA and HMF produced in different phases of the biphasic system were separated from each other with the help of a separating funnel. Then, with the help of a vacuum evaporator, HMF and organic solvent were separated from each other, and about 70% of the organic solvent was recovered.