Lignoselülozik biyokütleden biyoetanol üretimi sırasında ön işlem koşullarının etanol verimine etkisi
Effect of pretreatment conditions on ethanol yield during bioethanol production from lignocellulosic biomass
Yazar: SİMEL BAĞDER ELMACI
Danışman: PROF. DR. FİLİZ ÖZÇELİK
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Biyoetanol = Bioethanol ; Enzimatik hidroliz = Enzymatic hydrolysis ; Fermentasyon = Fermentation ; Lignoselülozik yapı = Lignocellulosic structure ; Çam ağacı = Pine ; İyonik sıvılar = Ionic liquids

Özet:
Bu çalışmada, lignoselülozik bir madde olan çam odununun sıcak su ile muamele ve iyonik sıvı ile işlemi olmak üzere, iki farklı yöntem ile farklı koşullarda ön işleme tabi tutularak, enzimatik hidrolize daha elverişli hale getirilmesi ve enzimatik hidroliz sonucunda elde edilen şekerin yüksek verimle etanole dönüştürülmesi amaçlanmıştır. Ön işlemler sürecinde incelenen parametreler arasında işlem sıcaklığı, işlem süresi, biyokütle konsantrasyonu ve işlem öncesi partikül büyüklüğü yer almaktadır. Pinus banksiana ve Pinus sylvestris türü çam odunlarına farklı sıcaklık ve sürelerde, sıcak su ön işlemler uygulanmıştır. Bu işlemleri takiben gerçekleştirilen enzimatik hidroliz sonucunda, ön işlem uygulanmış biyokütledeki selüloz içeriğine göre, sırasıyla % 9-16 ve % 4-5 aralığında oldukça düşük glikoz verimleri elde edilebilmiştir. Farklı enzim konsantrasyonları, farklı enzim karışımları (β-glukozidaz, pektinaz, endoglukanaz ilavesi, yüzey aktif madde ilavesi) kullanılarak ve farklı ön işlem uygulamaları (iki aşamalı ön işlem, maleik asit ile ön işlem) ile enzimatik hidroliz verimi arttırılmaya çalışılmıştır. Yüksek enzim dozunun (150 FPU/g glukan) kullanıldığı ve hidroliz ortamına polietilen glikol yüzey aktif maddesinin eklendiği denemelerde, % glikoz veriminde artış sağlanmıştır. 
Çam odununun enzimatik hidrolize elverişli hale gelmesinde, EMIMAc (1-etil-3-metil imidazolyum asetat) iyonik sıvısının oldukça etkili olduğu görülmüştür. Sarıçam odunu için en uygun olarak saptanan, 500-850 µm partikül büyüklüğü ve % 5 biyokütle konsantrasyonunda, 140 °C'de 45 dakikada EMIMAc ile ön işlemi sonrasında biyokütlenin % 56'sının glikoza dönüştüğü belirlenmiştir. Seçilen koşullarda ön işleme tabi tutulan biyokütle örneklerinin simultane sakkarifikasyon ve fermantasyonu (SSF) ve enzimatik hidrolizatın fermantasyonu sonucunda, sırasıyla % 86 ve % 96 etanol verimine ulaşılmıştır.

Abstract:
In this study, it was aimed to enhance the enzymatic hydrolysis of pine wood, which is a lignocellulosic material, and subsequently to produce ethanol efficiently through the application of two different pretreatment methods, including liquid hot water and ionic liquid pretreatment, at different conditions. The investigated parameters during pretreatment processes were pretreatment temperature, pretreatment duration time, biomass concentration and particle size prior to pretreatment. Pinus banksiana and Pinus sylvestris pine wood samples were subjected to liquid hot water pretreatment at different temperature and time conditions. Subsequently, the glucose yields, on basis of the cellulose content of the pretreated biomass, obtained upon enzymatic saccharification of the pretreated biomass samples were extremely low, ranging between 9-16 % and 4-5 % for Pinus banksiana and Pinus sylvestris, respectively. The hydrolysis yields were tried to be enhanced by using different enzyme loadings, different enzyme mixtures (addition of β-glucosidase, pectinase, endogluconase and addition of surfactant) and different pretreatment applications (two stage pretreatment, maleic acid pretreatment). The glucose yields were shown to increase with the use of high enzyme concentration (150 FPU/g glucan) and the addition of polyethylene glycol surfactant. 
It was determined that EMIMAc (1-ethyl-3-methylimidazolium-acetate) ionic liquid pretreatment improved the enzymatic digestibility of the pine wood. The conversion of biomass to glucose was 56 % for the yellow pine wood pretreated at the optimum conditions (500-850 µm particle size; 5 % biomass concentration and 140 °C-45 min EMIMAc pretreatment). The biomass samples pretreated at the selected conditions were subjected to simultaneous saccharification and fermantation (SSF) and fermentation of enzymatic hydrolyzate, resulting in ethanol yields of 86 % and 96 %, respectively.