Pirinç kavuzu hidrolizatının biyofilm reaktörde kesikli ve sürekli sistemlerle etanol fermentasyonu ve üretimin matematiksel modellerle tanımlanması
Ethanol fermentation in biofilm reactor using batch and continuous systems from rice husk hyrolysate and defination of production by mathematical models
Yazar: NOUR BEN BADER
Danışman: DOÇ. DR. İRFAN TURHAN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering

Özet:
Günümüzde nüfus ve sanayileşmede hızlı bir büyüme gerçekleştiğinden yakıt ve özellikle de yüksek verimlilik ve düşük çevre etkisi olan biyo-enerji kaynakları arasında sayılan etanole, dünya çapındaki talep sürekli artmaktadır. Lignoselüloz biyokütle, birçok endüstriyel prosesin ve tarımsal materyalin yan ürünü olarak ortaya çıkan en bol ve yenilenebilir karbon kaynaklarıdır ve basitçe bazı enerji bitkilerinden üretilebilir. Lignoselülozik materyaller biyoetanol üretimi için dünya çapında artan bir ilgi görmektedir. 
Bu çalışmada Pichia stipitis ATCC 58784 ve ATCC 58785 mayaları kullanılarak pirinç kavuzu hidrolizatından biyofilm reaktörde etanol üretimleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla öncelikle biyofilm reaktör seçiminde kullanılacak destek materyalinin seçimi yapılmıştır. Her iki mikroorganizma için de farklı oranlarda denemeler gerçekleştirilerek en iyi karbon kaynağı bileşiği belirlenmiştir. Bunun sonucunda 1.numaralı besiyeri olarak "%50 pirinç kavuzu hidrolizatı + % 50 glukoz", 2.numaralı besiyeri olarak ise "%75 pirinç kavuzu hidrolizatı + % 25 ksiloz" seçilmiştir. Fermentasyon sonunda tüm kinetik parametreler ve sonuçlar incelendikten sonra pirinç kavuzu hidrolizatının fermentasyon ortamında kullanılmasında P.stipitis ATCC 58785 suşunun daha etkili olduğu görülmüştür. Ayrıca azot kaynağının etkisi incelenerek en iyi azot kaynağı ikilisinin maya ekstraktı ve pepton olduğu belirlenmiştir. Fermentasyon ortamında en uygun karbon kaynağı içeriği ve azot kaynağı çeşidinin belirlenmesinden sonra sürekli sistemde fermentasyonlar gerçekleştirilmiştir.  
Buradan elde edilen ürün ve biyokütle verimlilik değerlerinin kesikli fermentasyona göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Tüm bunların yanında zenginleştirme ve sterilizasyon işleminin biyofilm reaktörde önemli olduğu görülmüştür. Fermentasyon işlemleri sonucunda elde edilen sonuçlar ve hesaplanan kinetik parametreler kullanılarak (deneysel veriler) 11 farklı matematiksel model ile etanol üretimi, biyokütle gelişim ve substrat tüketimi modellenmiştir. Bu amaçla MGM, MLM, MRM, Stannard, Weibull, MMF, Asimetrik, Baranyi, Huang, Fitzhugh ve Cone modelleri kullanılmıştır. 1 numaralı besiyeri için, biyokütle gelişiminin ve etanol üretiminin deneysel verilerinin modellenmesinde en iyi model Fitzhugh model olurken, şeker tüketiminde en iyi modeller Baranyi ve Huang modelleri olmuştur. 2 numaralı besiyeri için hem hücre gelişiminin hem de şeker tüketiminin deneysel verilerinin modellenmesinde en iyi modeller MMF ve Cone modelleri olurken, etanol üretimi için en başarılı modellerin MGM ve MRM olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar pirinç kavuzu hidrolizatının fermentasyon ortamında potansiyel bir karbon kaynağı olabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Nowadays, rapid growth in population and industrialization has led to a steady increase in world demand for ethanol, which is considered to be one of the bio-energy sources of fuel and in particular of high efficiency and low environmental impact. Lignocellulosic biomass is the most abundant and renewable carbon source emerging as a byproduct of many industrial processes and agricultural materials, and can simply be produced from some energy plants. Lignocellulosic materials are receiving increasing interest worldwide for bioethanol production. 
In this study ethanol production of rice husk hydrolyzate in biofilm reactor was carried out using Pichia stipitis ATCC 58784 and ATCC 58785. For this purpose, the selection of the support material to be used in the selection of the biofilm reactor has been made. Experiments were carried out at different rates for both microorganisms and the best carbon source compound was determined. As a result of this, "50% rice husk hydrolyzate + 50% glucose" was selected as the No. 1 nutrient and "75% rice husk hydrolyzate + 25% xylose" was selected as the 2nd nutritional supernatant. After all the kinetic parameters and results were examined at the end of the fermentation, P. stipitis ATCC 58785 strain was found to be more effective in the use of rice husk hydrolyzate in the fermentation medium. In addition, the effect of nitrogen source was examined and it was determined that the best nitrogen source pair was yeast extract and peptone. Fermentation was carried out in the continuous system after determining the most suitable carbon source content and nitrogen source type in the fermentation environment. It was determined that the product and biomass productivity values obtained from this study were higher than the batch fermentation.  
In addition, enrichment and sterilization processes have been found to be important in the biofilm reactor. Using the results obtained from the fermentation process and the calculated kinetic parameters (experimental data), 11 different mathematical models were modeled for ethanol production, biomass development and substrate consumption. For this purpose, MGM, MLM, MRM, Stannard, Weibull, MMF, Asymmetric, Baranyi, Huang, Fitzhugh and Cone models are used. The best model for sugar consumption is the Baranyi and Huang models, while the best model is model Fitzhugh for experimental data of biomass development and ethanol production for medium number 1. While the best models for modeling experimental data of both cell growth and sugar consumption for medium number 2 were MMF and Cone models, the most successful models for ethanol production were MGM and MRM. The results have shown that rice husk hydrolyzate may be a potential carbon source in the fermentation medium.