Sentez gaz fermantasyonu ile biyoetanol üretiminde immobilize biyoreaktörlerin etkisinin incelenmesi
Assesment of the effect of immobilized bioreactors on bioethanol production by syngas fermentation
Yazar: SİMGE SERTKAYA KÖYBAŞI
Danışman: PROF. DR. NURİ AZBAR ; DOÇ. DR. TUĞBA KESKİN GÜNDOĞDU
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Hayatımızın her alanında fosil bazlı yakıtların kullanımına bağlı olarak ortaya çıkan karbon salımları küresel bazda iklim değişikliklerine ve takibinde iklim krizine neden olan yegâne sebep olmuştur. Bu bağlamda, sürdürülebilir, temiz, güvenli, alternatif yenilenebilir enerji kaynaklarının bulunması kaçınılmaz hale gelmiş, bu konuda literatürde yapılmış çalışmalar eksponansiyel artış göstermiştir. Alternatif temiz enerji kaynakları arasında biyoetanol gelecek vaat eden kaynaklardan birisi olarak literatürde yerini almıştır. Son yıllarda sentez gazın bakterilerle temiz bir enerji kaynağına dönüştürülmesinde çalışmalar başlamıştır. Biyoteknolojik olarak sentez gazın özgün biyoproses sisteminin kullanılmasına dayalı bu doktora çalışmasıyla ulusal ve uluslararası ölçekte çözüm önerileri getirilmesi amaçlanmıştır.

Çalışma kapsamında sentez gaz fermantasyonunda en çok kullanılan Clostridium ljungdahlii ve Clostridium ragsdalei suşları kullanılmıştır. Çalışma, işletim parametrelerinin belirlenmesi, iz element optimizasyonu, kesikli ve sürekli beslemeli biyoreaktör çalışmaları olarak dört kısımdan oluşmaktadır. 

Clostridium ljungdahlii'yle biyoetanol üretiminde Plackett-Burman istatistiksel deneysel tasarım yöntemi kullanılarak yapılan optimizasyon çalışmasında etanol üretim performansında sentez gaz ve saf CO kullanılarak sırasıyla 2.5 ve 3.5 kat iyileşme sağlanabileceği görülmüştür. Optimum ortam bileşimiyle iz element çözeltisinin maliyetinin sentez gaz için %18 oranında azaltılabileceği hesaplanmıştır. 

Clostridium ljungdahlii'yle sentez gaz ve piroliz gazından biyoetanol üretim performansının incelendiği çalışmada birbirine çok yakın biyoetanol üretimleriyle sonuçlandığı gözlenmiştir.

İmmobilize materyal olarak kullanılan seramik top, ponza ve zeytin çekirdeği biyokömürünün incelendiği SEM verilerine göre her üç materyalin de yapısal deformasyona uğramadığı gözlenmiştir. Benzer şekilde immobilize materyaller üzerine tutunan bakterilerin de yapısında bozulma gözlemlenmemiştir. Buna göre; immobilize materyalin sahip olması gereken fiziksel, kimyasal ve biyolojik kararlılığa sahip olma özelliğini her üç materyal de taşımaktadır. Fakat gerçekleştirilen adsorpsiyon çalışmalarına göre zeytin çekirdeğinden elde edilen biyokömürün etanolü adsorbe etmesi nedeniyle uygun bir immobilize materyal olarak görülmemektedir. Çalışmalara daha kararlı performans gösteren seramik topla devam edilmiştir.

Kesikli beslemeli çalışmalarda Clostridium ragsdalei, Clostridium ljungdahli suşuna göre 760 mg/L etanol üretimiyle 1.36 kat yüksek performans göstermiştir. Besleme hızlarına baktığımızda her iki suş için 0.1 m3gaz/m3VR/gün besleme hızı, 0.2 m3gaz/m3VR/gün besleme hızına göre yüksek performans göstermiştir. Askıda kültür sistemle immobilize kültür sistemi karşılaştırıldığında Clostridium ljungdahli 0.1 m3gaz/m3VR/gün besleme hızında 3.6 kat, 0.2 m3gaz/m3VR/gün besleme hızında 2.4 kat yüksek performans sergilerken; Clostridium ragsdalei 0.1 m3gaz/m3VR/gün besleme hızında 3 kat, 0.2 m3gaz/m3VR/gün besleme hızında 1.7 kat yüksek performans göstermiştir.

Sürekli beslemeli çalışmalarda Clostridium ljungdahli, Clostridium ragsdalei suşuna göre 503 mg/L etanol üretimiyle 2.2 kat yüksek performans göstermiştir. Besleme hızlarına baktığımızda Clostridium ljungdahli, 9.6 m3gaz/m3VR/gün besleme hızında 4.8 m3gaz/m3VR/gün besleme hızına göre 2.1 kat, Clostridium ragsdalei 1.1 kat yüksek performans göstermiştir. Askıda kültür sistemle immobilize sistem karşılaştırıldığında, immobilize biyoreaktör Clostridium ljungdahli için 4.8 m3gaz/m3VR/gün besleme hızında 1.6 kat, 9.6 m3gaz/m3VR/gün besleme hızında askıda sisteme göre 2.5 kat yüksek performans sergilemiştir. Clostridium ragsdalei 4.8 m3gaz/m3VR/gün besleme hızında askıda sisteme göre 1.7 kat, 9.6 m3gaz/m3VR/gün besleme hızında 1.8 kat yüksek performans göstermiştir. Ayrıca Clostridium ragsdalei kullanılarak saf CO ile 28.8 m3gaz/m3VR/gün besleme hızında 1376 mg/L etanol elde edilmiştir.

Bu tez çalışmasıyla iklim krizine karşı çevre dostu yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyoetanolün üretimine immobilize biyoreaktörlerle ekonomik olarak proses verimlerinin arttırılması ve baca gazlarından karbon yakalayarak katma değeri yüksek bir ürün elde edilmesi konusunda yeni bir yaklaşım getirilmiş, literatüre gelecek çalışmalar için katkı sağlanmıştır.

Abstract:
Carbon emissions resulting from the use of fossil-based fuels in every aspect of our lives have been the sole cause of global climate change and subsequent climate crisis. In this context, it has become inevitable to find sustainable, clean, safe, alternative renewable energy sources and studies in the literature on this subject have increased exponentially. Among the alternative clean energy sources, bioethanol has taken its place in the literature as one of the promising sources. In recent years, studies have begun on the conversion of syngas into a clean energy source with bacteria. It is aimed to propose solutions on a national and international scale with this doctoral study based on the use of the unique bioprocess system of synthesis gas biotechnologically.

Within the scope of this study, Clostridium ljungdahlii and Clostridium ragsdalei strains, which are the most used strains in synthesis gas fermentation, were used. The study consists of four parts as determination of the operating parameters of the system, trace element optimization studies, batch fed and continuous fed bioreactor studies.

In the optimization study conducted using the Plackett-Burman method in the production of bioethanol with Clostridium ljungdahlii, it was seen that 2.5 and 3.5 times improvement could be achieved in ethanol production by using syngas and pure CO, respectively. It has been calculated that the cost of the trace element solution can be reduced by 18% for the syngas with the optimum media composition.
It was observed that the study examining the bioethanol production performance from syngas and pyrolysis gas with Clostridium ljungdahlii resulted in very close bioethanol productions.

According to SEM data in which ceramic ball, pumice and olive seed biochar used as immobilized material were examined, it was observed that all three materials did not undergo deformation. Similarly, no deterioration was observed in the structure of bacteria attached to the immobilized materials. According to this, all three immobilized materials have the physical, chemical, and biological stability that an immobilized material should have. However, according to the adsorption studies carried out, olive seed biochar is not seen as a suitable immobilized material because it adsorbs ethanol. The studies were continued with the ceramic ball which shows more stable performance.

In batch fed studies, Clostridium ragsdalei showed 1.36 times higher performance than Clostridium ljungdahli with 760mg/L ethanol production. When we consider the feed rates, the 0.1m3gas/m3VR/day feed rate for both strains showed higher performance compared to the 0.2m3gas/m3VR/day feed rate. When the suspended culture system is compared with the immobilized culture system, Clostridium ljungdahli performed 3.6 times higher at 0.1m3gas/m3VR/day feed rate and 2.4 times higher at 0.2 m3gas/m3VR/day feed rate; Clostridium ragsdalei showed 3 times higher performance at 0.1m3gas/m3VR/day feed rate and 1.7 times higher at 0.2m3gas/m3VR/day feed rate.

In continuous fed studies, Clostridium ljungdahli showed 2.2 times higher performance than Clostridium ragsdalei with 503mg/l ethanol production. When we consider the feed rates, Clostridium ljungdahli showed 2.1 times and Clostridium ragsdalei showed 1.1 times higher performance at 9.6m3gas/m3VR/day feed rate compared to 4.8m3gas/m3VR/day feed rate. When the suspended culture system is compared with the immobilized system, the immobilized bioreactor performed 1.6 times higher at 4.8 m3gas/m3VR/day feed rate and 2.5 times higher performance than the suspended system at 9.6m3gas/m3VR/day feed rate for Clostridium ljungdahli. Clostridium ragsdalei showed 1.7 times higher performance at 4.8m3gas/m3VR/day feed rate and 1.8 times higher performance at 9.6m3gas/m3VR/day feed rate compared to the suspended system. In addition, using Clostridium ragsdalei, 1376mg/L ethanol was obtained with pure CO at a feed rate of 28.8m3gas/m3VR/day.

With this dissertation study, a new approach has been brought to the production of bioethanol, an environmentally friendly renewable energy source against the climate crisis, to increase the process efficiency economically with immobilized reactors and to obtain a high value-added product by capturing carbon from the flue gases, contributing to the literature for future studies.