Lignoselülozik atıkların ön işlemi ve enzimatik hidrolizi
Pre-treatment and enzymatic hydrolysis of lignocellulosicbiomass
Yazar: MERVE ÇETİNKAYA
Danışman: PROF. DR. NURDAN SARAÇOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyokütle = Biomass ; Enzimatik hidroliz = Enzymatic hydrolysis ; Lignoselüloz = Lignocellulose ; Çözücüler = Solvents

Özet:
Biyoetanol, tüm dünyada kullanılan yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Biyoetanol hem tek başına hem de benzinle çeşitli oranlarda karıştırılarak kullanılmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynağı olarak lignoselülozik biyokütlenin kullanılması, etanol üretiminde büyük bir önem taşımaktadır. Lignoselülozik maddeler selüloz, hemiselüloz ve ligninden oluşmaktadır. Etanol fermentasyonu öncesi bu kompleks yapıların basit şeker bileşiklerine, enzimatik hidroliz yoluyla parçalanması gerekmektedir. Hidroliz öncesi, lignin uzaklaştırmaya yönelik ön işlemden geçen biyokütle, kolay biyolojik enzimatik olarak daha kolay parçalanmakta ve enzimlerin hammaddeye erişebilirliği artmaktadır. Seçilen ön hazırlık işlemlerinin çevre dostu, ucuz, etkili ve basit olması büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada lignoselülozik biyokütle olarak bir endüstri atığıolan ve bolca bulunan ayçiçeği kabuğu kullanılmıştır. Lignoselülozik biyokütleden lignin uzaklaştırılmasına yönelik,  son yıllarda büyük ilgi çeken ve çevre dostu olan Derin Ötektik Solventler (DES) ile ön işlem araştırılmış ve ön işlem sonrası biyokütlenin enzimatik hidrolizi incelenmiştir. Derin Ötektik Solvent olarak hidrojen bağı alıcısı (HBA) olarak kolin klörür (ChCl) ve hidrojen bağı donörü (HBD) olarak laktik asit,okzalik asit, gliserol ve üre 1:1 ve 1:2 mol oranlarında  karıştırılarak hazırlanmıştır. Hazırlanan bu DES çözücüleri ile 1:10 katı/sıvı oranında öğütülen ayçiçeği kabukları, 90oC sıcaklıkta 6 saat ön işlem görmüştür. Daha sonra biyokütle seçilen  kolin klorür/Üre (1:1) DES ile 70- 110 oC aralığında değişen farklı sıcaklıklarda 2-6 saat arasında muamele edilmiştir. Ön işlemlerden sonra biyokütleye ADF, ADL ve NDF analizleri yapılmıştır. Biyokütlelerde ön işlem sonrası en düşük lignin içeriği 90oC'de yapılan deneylerde ölçülmüştür. Ön işlem görmüş ve görmemiş biyokütlenin karakterizasyonun tayini amacı ile XRD, SEM ve FT-IR analizleri yapılmıştır. Ön işlem sonuçları ile karakterizasyon analiz sonuçları birbirini destekler nitelikte olduğu gözlenmiştir. Ayçiçeği kabuklarının enzimatik hidrolizi NREL/TP-5100-63351 protokolüne uygun olarak Cellic CTec2 (selüloz enzim karışımı) ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen indirgen şeker miktarının biyokütledeki selüloz , hemiselüloz ve lignin içeriğine bağlı olduğu görülmüştür. En yüksek enzimatik hidroliz dönüşümü, 90oC'de 4 saat kolin klorür/üre(1:1) ile ön işlem görmüş biyokütle örneklerinden %99,9 olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Bioethanol is a renewable energy source used all over the world.  Bioethanol is used both alone and blended with gasoline in various proportions. The use of lignocellulosic biomass as a renewable energy source is of great importance in ethanol production. Lignocellulosic raw materials contain complex cellulose, hemicellulose and lignin structures. Before ethanol fermentation, these complex structures must be broken down into simple sugar compounds by enzymatic hydrolysis. Before hydrolysis, the biomass, which undergoes appropriate pretreatment for lignin removal, is more easily biodegraded and the accessibility of enzymes to the raw material increases. It is of great importance that the selected pretreatment processes are environmentally friendly, inexpensive, effective and simple. In this study, lignocellulosic biomass, sunflower seed hulls, which are abundant as industrial waste, were used. Treatment with environmentally friendly Deep Eutectic Solvents (DES) which has attracted great interest in recent years has been investigated as a pretreatment for lignin removal from lignocellulosic biomass and enzymatic hydrolysis of biomass after pretreatment was studied. Deep Eutectic Solvent was prepared by mixing Choline Chloride (ChCl) as a hydrogen bond acceptor (HBA) and Lactic acid, Oxalic acid, Glycerol and Urea as hydrogen bond donor (HBD) in 1:1 and 1:2 mole ratios. The ground sunflower shells were treated with these prepared DES solvents at 1:10 solid/liquid ratio were pre-treated at 90oC for 6 hours After pretreatment, ADF, ADL and NDF analyzes were performed on the biomass. The lowest lignin content in biomass after pretreatment was measured in experiments performed at 90oC. XRD, SEM and FT-IR analyzes were performed to determine the characterization of pretreated and untreated biomass. It has been observed that the results of the pretreatment and characterization analysis support each other. Enzymatic hydrolysis of sunflower hulls was carried out with Cellic CTec2 (cellulose enzyme mixture) in accordance with the NREL/TP-5100-63351 protocol. It has been observed that the amount of reducing sugar obtained depends on the content of cellulose, hemicellulose and lignin in the biomass. The highest enzymatic hydrolysis conversion was determined as 99.9% from biomass samples pretreated with Choline Chloride/Urea(1:1) for 4 hours at 90oC.