Clostridium beijerinckii ile immobilize biyoreaktörlerde 1,3 propandiol üretiminin incelenmesi ve geliştirilmesi
Evaluation and enhancement of 1,3 propanediol (1,3-pdo) production with immobilized bioreactors by clostridium beijerinckii
Yazar: ÇAĞDAŞ GÖNEN
Danışman: PROF. DR. NURİ AZBAR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology
Dizin: 1,3-propanediol = 1,3-propanediol ; Biyodizel = Biodiesel ; Biyoplastik = Bioplastic ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; İmmobilizasyon = Immobilization

Özet:
Günümüzde teknolojinin artan hızla gelişmesine paralel ilerleyen ve küreselleşen toplumsal yaşam tarzının, kaynaklarını tüketerek yaşadığımız dünya üzerinde yarattığı ekolojik baskı geri dönüşü olmayan zararlar vermeye başlamıştır. Doğal kaynakların tükenmesi veya kirlenerek kullanılamaz hale gelmesi sonucunda toplumsal bilinçlenme oluşmuştur. Bu baskı altında bilimsel ve teknolojik araştırmalar, toplumsal bilinçlenme ve yaşam tarzları sürdürülebilir bir dünya perspektifi çerçevesinde gelişmeye başlamıştır. Yenilenebilir kaynaklara yönelme artarken, bu kaynakları kullanan üretim teknolojileri geliştirilmiş ve bu prensiplerle üretilen ürün ve hizmetlerin tüketimi sonrasında da doğaya dost, ekolojiyi koruyan şekilde bertaraflarının sağlanabilmesi yönünde çalışmalar halen sürmektedir.Tüketilen kaynakların başında enerji gelmekte ve enerji konusu çözüm bekleyen bir problem olmuştur. Uzun vadede geleneksel petrol türevli enerji kaynaklarına alternatif yenilenebilir enerjilere geçilebilmek için ulusal ve uluslar arası programlar sürdürülmektedir. Sürdürülebilir enerji kaynaklarının en yaygın ve bilineni yenilenebilir doğal kaynaklardan gelen hammadde ile kimyasal işlemler sonucunda elde edilen biyodizeldir. Biyodizel üretimi sonucunda hacimsel olarak %10 gliserol çıkmaktadır. Artan enerji ihtiyacına paralel çoğalan biyodizel üretimi ile biriken gliserol miktarı da artmıştır. Yan ürün olan gliserol birçok alanda kullanılabilmesine rağmen birikmeye başlamış, piyasa değerinde düşüşle birlikte bertaraf problemleri ortaya çıkmıştır.Gliserolün ekolojik ve ekonomik bir çözüme ihtiyacı vardır. Bu bağlamda ekonomik değeri düşük olan gliserolden katma değeri çok yüksek ve çevreyle dost olan 1,3 propandiol'ün sürdürülebilir çerçevede biyoteknolojik yöntemlerle üretimi gelecek vaat etmektedir. 1,3 propandiol özellikle termoplastik türde polimer sentezinde de önemli bir monomerdir. 1,3 propandiolün polimer, tekstil kozmetik, gıda, yağ ve ilaç sektörlerinde pek çok uygulama alanı bulunmaktadır. Son yıllarda endüstriyel 1,3 propandiol üretimi, yeni bir polyester tipi olan ve tekstil endüstrisinde önemli uygulama alanı bulan politrimetilen terefitalat'ın sentezinde gerekli ve önemli monomerlerden biri olmasından dolayı kimya endüstirisi alanında ilgi kazanmıştır.Yapılan bu tez çalışmasında, 1,3 propandiol üretiminin en önemli girdisi ve maliyet etkeni olan hammadde, biyodizel üretim atığı konumundaki gliserolden temin edilerek çevreci, ekonomik ve sürdürülebilir bir proses yaratılmaya çalışılması üzerinde durulmaktadır. Bu amaçla seçilen biyoteknolojik yöntemler 1,3 propandiol konusundaki literatür çalışmalarına özgünlük katacak şekilde seçilmiş ve eksik olduğu görülen immobilize biyoreaktörler ile özgün çalışmalar yapılarak literatüre bilimsel yöntemlerle ?immobilize biyoreaktörlerde biyolojik 1,3 propandiol üretimi? çalışmalarının sonuçlarına ulaşılmıştır.Tez çalışmasındaki hedef biyoteknolojik yöntemlerle 1,3 propandiol üretiminde ki hacimsel verimliliğin, literatürde sunulan değerlerin üzerine çıkarılabilmesidir. İmmobilize sistemlerin bilinen avantajları ön plana çıkartılıp daha üretken ve ortam koşullarındaki fiziksel-fizikokimyasal değişimlere, organik yüklenmelere, toksik etkilere daha dayanıklı üretim metotlarının geliştirilmesi amaçlanmış ve çalışmalardaki denemeler bu yönde sürdürülmüştür. İmmobilize biyoreaktörlerin üst dayanma limitleri ve bu limitlerin zorlanmasının üretime etkisi incelenmiştir. Burada biyoteknolojik 1,3 propandiol üretimi için literatüre özgün bakış açıları ve metotlar ile bilimsel katkılar yapılabilmesi hedeflenmiş, hacimsel üretkenlik değerlerinin literatürde sununlan değerlerin üzerine çıkması için araştırmalar sürdürülmüş ve beklenen doğrultuda yüksek hacimsel üretkenlik değerleri elde edilerek, değerli bilimsel sonuçlar bu tez'de sunulmuştur.

Abstract:
Nowadays, in parallel to the technological developments, globallized social life-style causes rapid depletion in natural resources and increases ecological pressure on the Earth. On the other hand, as in most developed countries, social awareness on global environmental pollution and climate change have been progressively increasing in a way to create environmentally friendly and sustainable approaches in industrial productions. Furtheremore, global interest on the maximum use of renewable resources has also increased. Production technologies, which use renewable resources, have improved. People have still been researching and trying to improve the waste treatment processes from the sustainability and eco-friendly life point of view.Energy is one of the most common and problematic global issue that builds significant pressure on the sustainability of natural resources. International and national programs have been promoting the use of renewable energy resources instead of conventional fosil based energy. In this regard, biodiesel, which is based on biological resources (energy plants or algae), has been one of the most attaractive choice among most countries. On the other hand, increasing biodiesel production all over the world has resulted in another side product or waste product, namely glycerol, which is 10% of the total production.Excess glycerol needs economically viable and ecologically acceptable solution. Increasing amount of waste glycerol in parallel to the biodiesel production dropped the market price of glycerol resulting in huge amount of waste that needs to be solved. It is clear that eco-friendly conversion of glycerol into a value added chemical, namely product of 1,3 propanediol with biotechnological methods is promising. 1,3 propanediol has mainly been used in new kind of thermoplastic production. Furtheremore, 1,3 propanediol is an attractive precursor for many products such as textile, solvent production, laminates, adhesives, cosmetic products and human hygiene products. 1,3 propanediol production has also drawn the chemical industry?s attention due to the fact that 1,3 propanediol is an important raw material in chemical synthesis of new kind of polyester called politrimethylene theraphitalate.Glycerol is the most important and the cost effective input for biotechnological 1,3 propanediol production. Using crude glycerol, which comes from biodiesel production, could make biological production of 1,3 propanediol economically and ecologically sustainable. This is the main driving force of why the evaluation and enhancement of the current process of 1,3 propanediol production was chosen in this thesis. A detailed literature review indicated that there is a lack on the use of immobilized cell bioreactors for 1,3 propanediol production. Therefore, novel bioreactor configurations in which various immobilization materials were used were comparatively investigated in this thesis in order to enhance the current 1,3 propanediol production approaches given in the literature.The major aim of this thesis is to increase the volumetric productivity of 1,3 propanediol production by biotechnological methods above the literature values. Another purpose is to provide a robust production method to overcome fluctuation organic loadings, toxic effcets and operational conditions. Furthere more, all the bioreactor configuratiosn were also tested under extreme loading conditions to test their limit of tolerance. Thereby, it is aimed to provide an enhanced biotechnological production of 1,3 propanediol which is in most cases better thatn the lireture values. It was demonstrated that almost lal the immobilized bioreactor configurations were significantly successful in improved 1,3 propanediol production and the results, especially volumetric production rates, were better than the literature values.