Tutuklanmış maya hücreleri (Saccharomyces cerevisiae) kullanılarak sürekli sistemde etanol üretimi
Ethanol production by using yeast cells (Saccharomyces cerevisiae) in continuous system
Yazar: PINAR KARAGÖZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MELEK ÖZKAN
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Mikrobiyoloji = Microbiology ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Biyoetanol, günümüzde petrole alternatif olarak kullanılan bir yakıt olmakla birlikte yenilenebilir enerji kaynağı olması sebebiyle de büyük önem taşımaktadır. Biyoetanol üretimi ve kullanımı açısından diğer Avrupa devletlerine kıyasla geride olan ülkemiz için bu konuda yapılan ve yapılacak olan çalışmalar büyük önem taşımaktadır.Bu tez çalışmasında Saccharomyces cerevisiae ATCC 26602 maya hücrelerinin etanol üretimi incelenmiştir. İlk olarak besiyeri bileşenlerinin ve fiziksel koşulların etanol üretimine olan etkisi kesikli kültürde araştırılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda besiyerindeki maya özütü konsantrasyonunun etanol üretimi için önemli olduğu ve en uygun konsantrasyonun 5 g/L olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca yüksek metal konsantrasyonlarının etanol üretimine olumsuz etki yaptığı görülmüştür. Sıcaklığın etanol üretimi üzerinde fazla etkili olmadığı, ancak 37 oC'de diğer sıcaklıklara kıyasla üretimin daha yüksek olduğu gösterilmiştir.Çalışmanın ikinci aşamasında S. cerevisiae hücreleri iç faz emülsiyonu yüksek bir polimer olan polyHIPE polimer üzerine tutuklanmış ve sürekli sistemde etanol üretimi takip edilmiştir. Besiyerindeki farklı glukoz konsantrasyonlarının sistemin performansına olan etkileri incelenmiştir. 6,7-250 g/L aralığında glukoz konsantrasyonuna sahip besiyerleri 1 ml/dk akış hızıyla ve 50 g/L glukoz içeren besiyeri 1, 2, 3, 6, 9, 12 ml/dk akış hızlarıyla çalışılmıştır. Farklı konsantrasyonlarda glukoz içeren besiyerlerinin sabit akış hızı ile sisteme verildiği deneyler sonucunda50 g/L glukoz içeren besiyeri 1 mL/dk hızla geçirildiğinde reaktörün en yüksek verimlilikte çalıştığı gözlenmiştir. Besiyerindeki glukoz konsantrasyonu 150 g/L'yi geçtiğinde sistemde substurat inhibisyonu görülmüştür. En yüksek etanol üretkenliğine (929 g/gün) 50 g/L glukoz içeren besiyeri 6 ml/dk akış hızı ile sistemden geçirildiğinde ulaşılmıştır. Reaktör içerisindeki kuru hücre ağırlığı destek materyalin gramı başına iki gram olarak hesaplanmıştır. Tarayıcı Elektron Mikroskobu ile yapılan incelemeler polyHIPE polimer matrisinin maya hücrelerinin immobilizasyonu için son derece kullanışlı olduğunu ve hücrelerin polimerin yalnızca yüzeyine tutunduğunu göstermiştir.Çalışmanın üçüncü aşamasında ise selülolitik anaerobik bir mikroorganizma olan Clostridium thermocellum bakterisinin selülozu kullanımı sonucu ortaya çıkan glukozun tutuklanmış maya hücreleri tarafından kullanımı ve etanol üretimi incelenmiştir. C. thermocellum kültür sıvısıyla gerçekleştirilen deneylerde bu sıvının S. cerevisiae'nın etanol üretimi içi kullanılabilir nitelikte olduğu görülmüştür. Yaklaşık 7 g/L glukoz içeren C. thermocellum kültürü ile reaktörün beslenmesi sonucunda glukozun % 19 oranında etanole dönüştüğü görülmüştür. Kültür sıvısında metabolik artıklar ve besin yetersizliği olabileceği düşünülerek %75 oranında taze besiyeri ilavesi yapılmış ve sürekli sistemde etanol üretiminin % 83 oranında artığı görülmüştür.

Abstract:
Being renewable and clean energy source, bioethanol is an important fuel which can be used as an alternative to petroleum. Studies on bioethanol production has great importance in Turkey because our country is not as competitive as other European countries in bioethanol production and use.In this study, bioethanol production by Saccharomyces cerevisiae ATCC 26602 strain was investigated. First, effect of media components and physical parameters on ethanol production by this strain were studied. Yeast extract was found to be effective nutrient on ethanol production. The most suitable yeast extract concentration was determined to be 5 g/L in the medium for increased ethanol production. High metal concentrations in the medium caused a decrease in the amount of ethanol. It was also shown that ethanol production at 37 °C was higher as compared to those obtained at other incubation temperatures. Nonetheless, the effect of incubation temperature on production was not so remarkable.In the second part of thesis, S. cerevisiae cells were immobilized on polyHIPE polymer, which has high internal phase emulsion, and ethanol production in continuous packed-bed reactor was monitored at various glucose concentration in the feed medium. A large initial concentration range of glucose between 6,7-250 g/L was studied at 1 mL/min and 50 g/L glucose gave the maximum efficiency. Substrate inhibition was observed when glucose concentration in feed medium was higher than 150 g/L. 50 g/L glucose containing medium was fed into the reactor at flow rates of 1, 2, 3, 6, 9, 12 ml/min. Ethanol productivity reached its highest value (929 g/d) atthe flow rate of 6 ml/min. The dried weight of the cells was found to be ca. two g for per gram of cell supporting material. Scanning electron microscope photographs showed that the polyHIPE polymer can successfully be used for yeast cell immobilization. A very homogenous thick layer of yeast cells were seen from the scanning electron micrographs only on the surface of the polymer giving rise to less diffusion limitations.In the last part of the thesis, glucose accumulated at the end of cellulose degradation was used as substrate for immobilized S. cerevisiae cells in batch and packed-bed reactor. Cellulose was degraded in Clostridium thermocellum culture and about 7 g/L glucose accumulated at the end of this degradation process. It was observed that the culture was found to be usable by S. cerevisiae. 19% of glucose in C. thermocellum culture was converted to ethanol by yeast cells. It was thought that presence of some metabolic by products and nutrient limitation in C. thermocellum culture might cause limited utilization of glucose. Ethanol production increased by 83% when the culture mixed with 75% fresh medium was fed into the reactor.