Şeker pancarı küspesinin biyoetanol üretiminde kullanılabilirliğinin araştırılması
Investigation of the usage of sugar beet pulp for bioethanol production
Yazar: HANDE GÜNAN YÜCEL
Danışman: PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Fermentasyon = Fermentation ; Şeker pancarı küspesi = Sugar beet pulp

Özet:
Tarımsal bir yan ürün olan şeker pancarı küspesi kullanılarak, petrole alternatif olarak gösterilen biyoetanol üretiminin gerçekleştirildiği bu tez çalışmasında kurutulmuş ve öğütülmüş küspe sülfürik asit çözeltisiyle hidrolize uğratılarak yapısındaki hemiselülozdan elde edilen beş karbonlu şekerler Pichia stipitis mayasıyla fermantasyonla etanole dönüştürülmüştür.İzotermal ve karıştırmalı reaktörde gerçekleştirilen çalışmaların ilk kısmında, kurutulmuş küspenin asidik hidrolizinde sıcaklığın, tanecik boyutunun, karıştırma hızının, katı/sıvı oranının ve asit derişiminin, toplam indirgen şeker ve şekerlerin bozunma ürünü olan toplam furan bileşiklerinin oluşumuna etkileri incelenmiştir. Hidrolizde gerçekleşen seri tepkimeler için öngörülen model kullanılarak tepkime hız sabitleri bulunmuş ve modelin sisteme uygunluğu incelenmiştir. Sonuçlar toplam indirgen şeker ve toplam furan bileşikleri oluşumunu en çok etkileyen parametrelerin asit derişimi ve sıcaklık olduğunu ve 110oC'da 0.30 M asit derişiminde en yüksek şeker derişimine ulaşıldığını göstermiştir.Hidroliz sırasında oluşan ve mikroorganizmaya inhibitör etkisi yapan toplam furan bileşiklerinin giderilmesi için uygulanan çeşitli yöntemler içinde ticari aktif karbon ve küspeden elde edilen aktif karbon adsorpsiyonu ardından aşırı kireçlemenin en yüksek giderim verimini sağladığı görülmüştür. Uçucu kül ile zehir gidermede ise hidrolizattaki furan bileşiklerinin yarısının uzaklaştırıldığı tespit edilmiştir.Çalışmanın son kısmında ise, önce ksiloz şekerine adapte edilmiş P. stipitis mayasının üremesine ve etanol üretimine başlangıç ksiloz derişiminin etkisi 10-75 g/l aralığında incelenmiş ve üreme hız sabitleri belirlenmiştir. Daha sonra mikroorganizmanın hidrolizat ortamına da adaptasyonu gerçekleştirilmiş ve aktif karbon adsorpsiyonu+aşırı kireçleme ile ve uçucu kül ile zehiri giderilmiş hidrolizatlar kullanılarak yapılan deneylerle hidrolizata uygulanan zehir giderme yönteminin, ortama eklenen aşının derişiminin ve sentetik şeker ilavesinin mikroorganizmanın üremesine ve etanol üretimine etkileri araştırılmıştır. Mayanın, sentetik şeker içermeyen, aktif karbon adsorpsiyonu+aşırı kireçleme ile zehiri giderilmiş hidrolizattan oluşan besin ortamında ürediği, ortamdaki substratı tükettiği; ancak çok az miktarda etanol üretebildiği gözlenmiştir. Aynı yöntemle zehiri giderilmiş hidrolizatın besin ortamındaki hacimce miktarı %80'e düşürülüp ortama 10 g/l ksiloz (toplam indirgen şeker içeriği 48 g/l) eklendiğinde yüksek verimde hücre ve etanol üretiminin gerçekleştiği belirlenmiştir. Hidrolizata uygulanan zehir giderme işlemi uçucu kül ile adsorpsiyon olduğunda ise, furan bileşiklerinin mikroorganizmanın üremesine önemli bir inhibisyon etkisi yapmasına karşın maya hücrelerinin yüksek verimde etanol ürettiği görülmüştür.

Abstract:
Bioethanol fuel which is an alternative of petroleum was produced using sugar beet pulp, an agricultural byproduct in this thesis study. Sugar beet pulp was dried and grinded and then hydrolyzed with sulphuric acid solution and the obtained five-carbon sugars from the hemicellulose structure of pulp were fermented to ethanol by the yeast Pichia stipitis.At the first part of the study the effects of temperature, particle size, agitation rate, solid/liquid ratio and acid concentration on the formation of total reducing sugars and decomposition products of sugars (furan compounds) during the acid hydrolysis of dried sugar beet pulp where investigated in an isothermal and well-mixed reactor. Reaction rate constants were obtained by using the proposed model for the series of reactions carried out during the hydrolysis, and the fitness of the model was investigated. The results showed that the parameters mostly affecting the formation of total reducing sugars and total furan compounds were the temperature and acid concentration and the maximum total reducing sugar concentration was obtained at 110oC and 0.30 M acid concentration.Adsorptions with commercial activated carbon and activated carbon obtained from sugar beet pulp and then applying overliming were found the most effective methods for the removal of total furan compounds formed during the hydrolysis, which have inhibition effect on the microbial growth. It is determined that half of the furan compounds were removed by the adsorption with fly ash.At the last part of the study, firstly, the effect of initial xylose concentration in the range of 10-75 g/l on the growth and ethanol production of the yeast P. stipitis, which was adapted to the xylose sugar and growth rate constants were determined.After that, the yeast was adapted to the hydrolysate medium and using the hydrolysates detoxified with activated carbon adsorption+overliming and fly ash, the effects of the detoxification method applied to the hydrolysate, the inoculum concentration and the addition of synthetic sugar on the growth and ethanol production of the microorganism were investigated. It was seen that the yeast was able to grow in the growth medium containing 100% hydrolysate detoxified with activated carbon adsorption+overliming as substrate and to consume the substrate; but to produce a very little amount of ethanol. However when 80% volumetric hydrolysate detoxified by the same method and 10 g/l xylose (48 g/l total reducing sugar) were added to the growth medium, it was seen that highly yielded cell and ethanol productions were observed. When the detoxification method applied to the hydrolysate was fly ash adsorption, it was seen that yeast cells were able to produce ethanol with high efficiency although the inhibition effect of the furan compounds on the growth of the microorganism was important.