Kalsiyum aljinatta immobilize edilmiş Saccharomyces cerevisiae hücreleri ile etanol üretimi üzerine inhibitör maddelerin etkisinin belirlenmesi
Investigation of the effect of inhibitors on ethanol production with immobilized Saccharomyces cerevisiae cells in calcium alginate
Yazar: SELİME BENEMİR ERKAN
Danışman: DOÇ. DR. İRFAN TURHAN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Günümüzde, enerjinin büyük bir bölümü petrol, kömür ve doğal gaz gibi fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Hızla tükenen enerji kaynakları göz önüne alındığında bu durum gelişmiş ülkeleri alternatif yollar bulmaya yönlendirmiştir. Bu nedenle doğal tarımsal kaynaklarla ya da ucuz ve içeriği uygun lignoselülozik hammaddeler ile etanol üretimi gerçekleştirilmektedir. Saf karbon kaynaklarından etanol üretimi fermentasyon ve distilasyon aşamalarından oluşurken lignoselülozik materyallerden etanol üretimi ön-işlem, hidroliz, fermentasyon ve distilasyon aşamalarından oluşmaktadır. Bu işlemler sırasında fermentasyon ortamında olumsuz etki gösterebilecek inhibitörler oluşmaktadır. Bu maddeler biyokütle gelişimi engelleyerek ürün verimini azaltmaktadırlar. 
Yapılan bu çalışmada etanol üretimi için immobilize edilmiş Saccharomyces cerevisiae hücreleri kullanılmıştır. İmmobilizasyon ile hücrelerin inhibitörlere olan tolerans aralıklarını arttırmak amaçlanmıştır. Çalışmada inhibitör olarak HMF, furfural, fenol, asetik ve formik asit tek tek ve miks olmak üzere farklı konsantrasyonlarda kullanılmıştır. İnhibitörlerin karışımının fermentasyon üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla 10 farklı deneme Plackett-Burman Dizayn ile oluşturulmuştur. Yapılan fermentasyonlar sonucunda besiyerinde 8 g/L HMF inhibitör etki göstermiştir. Furfural ile yapılan fermentasyonlarda 8 g/L furfural inhibitör etki göstermiştir. Fenol ile yapılan fermentasyonlarda 5 g/L fenol inhibitör etki göstermiştir. Asetik asit ile yapılan fermentasyonlarda 7,5 g/L asetik asit inhibitör etki göstermiştir. Formik asit ile yapılan fermentasyonlarda 1,5 g/L formik asit inhibitör etki göstermiştir. Elde edilen istatistik sonuçlarında ise miks olarak yapılan fermentasyonlarda furfuralın etkisinin diğer inhibitörlere kıyasla daha etkili olduğu görülmüştür.
Çalışmanın diğer kısmında ise en iyi etanol elde edilen fermentasyonlara 10 farklı matematiksel model uygulanmıştır. Kontrol fermentasyonunda etanol üretimi için MMF uygun model olarak seçilmiştir. HMF ve furfural ilavesi ile gerçekleştirilen fermentasyonlarda etanol üretimi için MGM uygun model olarak seçilmiştir. Fenol ilavesi ile gerçekleştirilen fermentasyonda etanol üretimi için Baranyi uygun model olarak seçilmiştir. Asetik asit ilavesi ile gerçekleştirilen fermentasyonda etanol üretimi için MGM uygun model olarak seçilmiştir. Formik asit ilavesi ile gerçekleştirilen fermentasyonuda etanol üretimi için MMF uygun model olarak seçilmiştir. Miks fermentasyonlarda ise etanol üretimi için Weibull uygun model olarak seçilmiştir.
Etanol üretim proseslerinde hammaddelere ve yapılan ön işlemlere bağlı olarak inhibitör maddeler yan ürün olarak meydana gelmektedir. Bu çalışma ile de immobilize hücrelerin HMF, furfural, fenol, asetik ve formik asit gibi inhibitörlere karşı tolerans aralıkları belirlenmiştir. Ayrıca bu inhibitörlerin karışım olarak kullanıldığı miks fermentasyonlar ile hücrelerin tolerans aralığı farklı bir açıdan da gözlemlenmiştir. Yapılan çalışma literatür ile karşılaştırıldığında immobilizasyon işleminin tolerans aralığını genişlettiği ve hücreleri koruduğu görülmüştür. Aynı zamanda belirlenen tolerans aralıkları ile zaman, maliyet ve enerji açısından çalışmalar için olumlu bir kapı açmaktadır.

Abstract:
Today, most of the energy is obtained from fossil fuels. Given the rapidly depleting energy sources, this situation led developed countries to find alternative ways. Ethanol is produced with pure sources or lignocellulosic raw materials. While ethanol production from pure carbon sources consists of fermentation and distillation stages, ethanol production from lignocellulosic materials is generally carried out in four steps, including pre-treatment, hydrolysis, fermentation and distillation. During these processes, inhibitors are formed that may have negative effects on the environment.
In this study, immobilized Saccharomyces cerevisiae cells were used for ethanol production. In the study, HMF, furfural, phenol, acetic and formic acid were used as inhibitors in different concentrations. Mix fermentations with 10 different trial patterns were obtained with Plackett-Burman Dizayn.  As a result of the fermentations, 8 g/L HMF showed an inhibitory effect. In fermentations with furfural addition, 8 g/L furfural showed inhibitory effect. In fermentations with the addition of phenol, 5 g/L phenol showed an inhibitory effect. In fermentations performed the addition of acetic acid, 7,5 g/L acetic acid showed an inhibitory effect. In the fermentations performed the addition of formic acid, 1,5 g/L formic acid showed an inhibitory effect. In the obtained statistical results, it was seen that the effect of furfural concentration was more effective than other inhibitors in mixed fermentations.
In the other part of the study, 10 different mathematical models were applied to the fermentations with the best ethanol. MMF for ethanol was selected in the control fermentation. MGM for ethanol was selected in the addition of 2 g/L HMF and furfural. Baranyi for ethanol was selected in the addition of 0,5 g/L phenol. MGM for ethanol was selected in the addition of 2,5 g/L acetic acid. MMF for ethanol was selected in the addition of 0,5 g/L formic acid. In mix fermentation numbered 10, Weibull was chosen as suitable model for ethanol.

As a result of the study, tolerance intervals of immobilized cells against inhibitors such as HMF, furfural, phenol, acetic and formic acid were determined. In addition, the tolerance range of the cells was observed in a different way with fermentations where these inhibitors were used as mix. Compared with the literature, it was seen that immobilization process extended the tolerance range and protected the cells. At the same time, it is positive in terms of time, material and energy to predict whether or not to perform pre-treatments with the specified tolerance ranges.