İki adımlı fermantasyon ile atık pirinçten biyobütanol üretimi ve ekonomik analizi
Biobutanol production via two-step fermentation from waste rice and economic analysis
Yazar: ABDULLAH BİLAL ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. FATMA JALE GÜLEN ; DOÇ. DR. TÜLİN ARASOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mikrobiyoloji = Microbiology
Dizin: Biyokimya = Biochemistry ; Endüstriyel tasarım = Industrial design ; Enerji sektörü = Energy sector ; Katıhal fermentasyonu = Solid state fermentation ; Mikrobiyal fermentasyon = Microbial fermentation

Özet:
Gıda atıklarından biyoyakıt üretimi, Birleşmiş Milletler (BM) tarafından hedef gösterilen 2050 yılına kadar net sıfır karbon salınımı amacıyla CO2 emisyonlarını azaltarak gelecekteki düşük karbon toplumuna katkıda bulunmak için umut verici yaklaşımlardan biridir. Biyobütanol üretimi biyolojik yöntem olan aseton-bütanol-etanol (ABE) fermantasyonu ile gerçekleştirilmektedir, Clostridium'un anaerobik doğası ve kullanılan ham maddelerin ihtiyaç duyduğu ön işlemler sebebiyle enzim ve anaerobik ortam oluşturma gibi ekstra operasyonel maliyetler ortaya çıkmaktadır.
Bu çalışmada, atık pirinçten iki adımlı fermantasyon ile biyobütanol üretilmiştir. ABE fermantasyonundan önce pirincin sakkarifikasyonu, yukarıda belirtilen enzim maliyeti sınırlamalarını aşmak için katı-hal fermantasyonu ile Aspergillus oryzae kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, literatürde ilk kez aerotolerant özellikli yabani tip C. acetobutylicum YM1 suşu ile aerobik ve steril olmayan şartlarda ABE fermantasyonu gerçekleştirilmiş ve operasyonel maliyetler düşürülmüştür. Fermantasyon sonuçları ve temel varsayımlar, iki adımlı biyolojik süreçlerle endüstriyel ölçekli bir ABE üretim tesisi için SuperPro Designer®'a uyarlanmıştır. Enzim ve azot maliyetini ortadan kaldırmanın yanı sıra, bütanol üretim maliyetinin daha da düşürülmesi için proses artıklarından buhar, güç üretimi ve ısı entegrasyonu gibi diğer stratejiler uygulanmıştır. Hem deneysel fermantasyon hem de yazılım simülasyonu sonuçları, enzimatik sakkarifikasyon yerine katı-hal fermantasyonunun uygulanması ve aerobik koşullar altında ABE fermantasyonunun gerçekleştirilmesinin, bütanolün birim fiyatında umut verici bir düşüşle sonuçlandığını göstermektedir. Ayrıca, net bugünkü değer, geri ödeme süresi, iç karlılık oranı gibi bir işletmenin karlılık analizi için gerekli temel ekonomik kavramlar hesaplanmıştır. Son olarak, ABE tesisinin dalgalı biyoyakıt piyasa fiyatları ve çevresel koşullara karşı karlılığını göstermek için hammadde fiyatına, iskonto oranına ve kredi faiz oranına karşılık birleşik duyarlılık analizi gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, endüstriyel ölçekte iki adımlı bir fermantasyon tesisinin nişasta bazlı atıkların bütanol üretiminde verimli bir şekilde değerlendirilmesi için umut verici bir yaklaşım olduğunu göstermiştir.

Abstract:
The production of biofuels from food wastes by aiming the net-zero carbon emission by 2050 pointed by the United Nations (UN) is one of the promising approaches for contributing to the future low-carbon society, mitigating CO2 emissions. Biobutanol production is carried out by a biological process, called acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation. Due to the anaerobic nature of Clostridium and the pretreatment processes required by the raw materials used, some extra operational costs arise such as creating an enzyme and providing the anaerobic environment.
In this study, biobutanol was produced from waste rice by two-step fermentation. Prior to ABE fermentation, the saccharification of rice was performed by Aspergillus oryzae via solid-state fermentation (SSF) for circumventing the cost limitations mentioned above. Also, as a first study in the literature, ABE fermentation was performed with aerotolerant wild type C. acetobutylicum YM1 strain under aerobic and non-sterile conditions and operational costs were reduced. Fermentation results and key assumptions were adapted to SuperPro Designer® for an industrial-scale ABE production plant by two-step biological processes. Besides the savings from eliminating enzyme and nitrogen cost, other strategies, steam, power generation from process residue, and heat integration were applied for further reduction in the butanol production cost. Both the experimental fermentation and software simulation results showed that performing SSF instead of enzymatic saccharification and conducting ABE fermentation under aerobic conditions resulted in a promising reduction in the unit price of butanol. In addition, fundamental economic notions required for a company's profitability analysis such as Net Present Value (NPV), Payback Period (PB), Internal Rate of Return (IRR) were calculated. Finally, the conjoint sensitivity analysis was applied to feedstock price, discount rate, and loan interest rate to demonstrate the profitability of the ABE plant against the fluctuated biofuel market prices and environmental conditions. The results showed that an industrial-scale two-step fermentation plant for butanol production from starch-based wastes is promising for eco-efficient evaluation of substrates.