Rhodotorula mucilaginosa TO11 lipitlerinden biyodizel üretimi
Biodiesel production from lipids of rhodotorula mucilaginosa TO11
Yazar: TUĞBA ORAK
Danışman: PROF. DR. MESUT TAŞKIN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı / Biyoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Amaç:  Biyodizel biyokütle temelli yenilenebilir enerji çeşitlerinden biridir. Mayalar tarafından üretilen lipitlerin yağ asidi kompozisyonun bitkisel yağlara benzerliği nedeniyle biyodizel üretiminde hammadde olarak kullanılabilmektedir. Bu çalışmanın amacı, (1) melas sükrozunu karbon kaynağı olarak etkin bir şekilde kullanabilen yağlı mayaları izole etmek, (2) melas ve peynir altı suyu bazlı ortamda en verimli maya izolatından lipit üretimi için çalkalamalı şişe kültürü ve büyük ölçekli fermenter kültür koşullarını optimize etmek ve (3) in situ transesterifikasyon reaksiyonu yoluyla lipitler açısından zengin maya biyokütlesinden biyodizel hazırlamaktır.
Yöntem:  Yağlı mayaların izolasyonu melas bazlı agar besiyerinde gerçekleştirilmiş ve izole edilen mayalar daha sonra 100 ml melas bazlı sıvı besiyeri içeren 250 ml Erlenmeyer şişelerinde lipit üretme yetenekleri açısından karşılaştırılmıştır. Maya hücresi biyokütlesi, hücre kuru ağırlığı ile belirlendi. Lipitler, kloroform-metanol karışımı kullanılarak maya biyokütlesinden ekstrakte edildi ve toplam hücre kütlesindeki azalma, lipit konsantrasyonu (g/l) olarak ifade edildi. Maya lipitlerinin ve biyodizelin yağ asidi profili GC/MS ile belirlendi. En iyi lipit üreten mayanın tanımlanması, 18S rRNA analizine göre yapıldı. En iyi izolat ile lipit üretimi için bazı kültür koşulları (pH, sıcaklıklar, KH2PO4 konsantrasyonları ve inkübasyon süresi ile melas-peynir altı suyu konsantrasyonları) 250 ml'lik şişe kültüründe optimize edildi. En verimli izolattan lipit üretimi de optimum kültür koşullarında 100 l fermentör ortamında gerçekleştirilmiştir. Biyodizel üretimi doğrudan kurutulmuş maya hücrelerinden asit veya baz katalizörü ile in situ transesterifikasyon yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Biyodizel üretimi, diğer reaksiyon koşulları sabit tutulurken, katalizör konsantrasyonu ve reaksiyon süresi optimize edilerek gerçekleştirilmiştir. Üretilen biyodizelin yakıt özellikleri biyodizel analiz yazılımı ile belirlenmiştir.
Bulgular: Melas besiyerinde toplam 49 maya izole edilmiştir. Bunlardan TO11 kodlu izolatın en iyi lipit üreticisi olduğu belirlendi. Bu izolat Rhodotorula mucilaginosa (GenBank Erişim No: OR360597) olarak tanımlanmıştır. Mayadan lipit üretimi için optimum kültür koşulları, 2:8 melas-peynir altı suyu oranı (200 ml melas:800 ml peynir altı suyu), başlangıç pH'ı 6, 20 °C sıcaklık, 1 g/l KH2PO4 ve 7 günlük inkübasyon süresi idi. Bu koşullar altında 15,1 g/l hücre büyümesi, 10,4 g/l lipid konsantrasyonu ve %68,9 lipid içeriği elde edilmiştir. Fermentör ortamında 10,2 g/l lipit üretimi ve %68,5 lipit içeriği elde edilmiştir. En yüksek FAME konsantrasyonu 0,4 M H2SO4 ile 20 saat gerçekleştirilen reaksiyon sonucunda elde edilmiştir.
Sonuç: Rhodotorula mucilaginosa TO11 mayası iyi bir lipit üreticidir. Yağ aside profilinin biyodizel üretimine uygun olması nedeniyle biyodizel üretiminde hammadde olarak kullanılabilir bir mayadır.

Abstract:
Purpose: Biodiesel is one of the renewable energy types based on biomass. Due to the similarity of fatty acid composition of yeast lipids to vegetable oils, they can be used as feedstock in the production of biodiesel. The aims of this study were to (1) isolate oleaginous yeasts which are capable of using effectivelly molasses sucrose as a carbon source, (2) optimize the culture conditions for lipid production from the most productive yeast isolate in molasses and whey-based medium in shaking flask culture and large-scale fermenter, and (3) prepare the biodiesel from the lipids-rich yeast biomass via in situ transesterification reaction.
Method: Isolation of oleaginous yeasts was carried out in molasses-based agar media and the isolated yeasts were then compared in terms of their ability to produce lipids in 250 mL Erlenmeyer flasks containing 100 mL of molasses-based liquid medium. Yeast cell biomass was determined by cell dry weight. The lipids was extracted from the yeast biomass using chloroform–methanol mixture, and the decrease in total cell mass was expressed as lipid concentration (g/L). The fatty acid profile of the yeast lipids and biodiesel was determined by GC/MS. The identification of the best lipid-producing yeast was performed according to the 18S rRNA analysis. For the lipid production from the best isolate, some culture conditions (pH, temperatures, KH2PO4 concentrations and incubation time as well as molasses-whey concentrations) were optimized in 250 mL flask culture. The production of the lipids from the most productive isolate was also performed in 100 L fermenter medium under optimum culture conditions. The biodiesel prodcution was perfomed directly the dried yeast cells with acid or base catalyst by in situ transesterification method. Biodiesel production was carried out by optimizing the catalyst concentration and reaction time while keeping the other reaction conditions constant. The fuel properties of the produced biodiesel were determined by the biodiesel analysis software.
Findings: A total of 49 yeasts were isolated on molasses medium. Among them, TO-11 coded isolate was determined to be the best lipid producer.  This isolate was identified as Rhodotorula mucilaginosa (GenBank Accesion No: OR360597).  Optimum culture conditions for lipid production from the yeast were a molasses-whey ratio of 2:8 (200 ml molasses:800 ml whey), initial pH of 6, 20 °C temperature, 1 g/l KH2PO4 and 7 days incubation period. Under these conditions, 15,1 g/l cell growth, 10,4 g/l lipid concentration and 68,9% lipid content were obtained. In the fermenter medium, 10,2 g/l lipid production and 68,5% lipid content were obtained. The highest FAME concentration was obtained as a result of the reaction carried out with 0.4 M H2SO4 for 20 hours.
Results: Yeast Rhodotorula mucilaginosa TO11 was a good lipid producer. It is a yeast that can be used as a raw material in biodiesel production because its fatty acid profile is suitable for biodiesel production.