Membrane bioreactor assisted bacterial contamination removal from bioethanol fermentation system

Biyoetanol fermantasyonu monomerik şeker gruplarının maya fermantasyonusonucunda etanol ve karbondioksite dönüşmesini sağlayan anaerobik bir prosestir. Başlıca kullanılan hammaddeler mısır veya şeker kamışı gibi tarım ürünleri olmakla birlikte lignoselüloz içerikli tarımsal atıklardan üretimi de mevcuttur. Fosil yakıtların gideren artarak kullanımı çevre kirlenmesinin yanı sıra küresel iklim değişikliği gibi çok yönlü sorunlara yol açtığı göz önünde bulundurulduğunda, yerel olarak üretilebilen bir likit enerji kaynağı olan bioethanol, fosil yakıt yerine geçebilecek sürdürülebilir bir alternatiftir. Kendi başına kullanılabileceği gibi, benzinlekarıştırılarak (%30' a kadar) da taşıt yakıtı olarak kullanılabilir. Oksitlenmiş bir yakıtolduğundan benzin yerine taşıt yakıtı olarak kullanılması hava kalitesinde de pozitif bir etki yaratır. Dünya çapında devlet birimlerinin ve sanayinin biyoetanole artan ilgisi sayesinde2007- 2015 arasında biyoetanol üretimi iki katına çıkmıştır. Üretimde başı çeken ülkeler Brezilya ve ABD'dir ve 2015 RFA verilerine göre toplam küresel biyoetanol üretiminin %85'i bu iki ülke tarafından gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte biyoethanol sanayisinde verimi etkileyen başlıca sorunlardan biriproses sırasında ve öncesi çeşitli yollardan sisteme girebilen bakterikontaminasyonudur. Fermantasyon prosesinde ortaya çıkan bakteri kontaminasyonunihai etanol üretimi verimliliği, maya metabolik aktivitesi ve nihai ürünün kalitesini olumsuz etkilemekte ve sonraki işlem kademelerinin bedelini artırmaktadır. Sanayi ölçekte yapılan fermantasyonda tamamen kontaminasyondan uzak bir sistem elde edilmesi oldukça zor, besleme çözeltisi ve ekipmanların steril tutulması isemasraflı ve zahmetli bir iştir. Kontaminasyonun çok çeşitli yollardan sisteme dahil olabileceği göz önünde tutulduğunda konvansiyonel anti-mikrobiyal bileşiklerin kullanımı uzun dönemde bakteri kontrolü ve sistem dezenfeksiyonu için yeterli olmamaktadır. Bu çalışmada fermantasyon sürecinde oluşan bakteri kontaminasyonunun asit-bazişlemi veya antibiyotik katımı yerine fiziksel yollarla giderilmesi araştırılmıştır. Bu amaçla batık membran biyoreaktör ve IPC düz levhamembran panellerinin birlikte yer aldığı bir konfigürasyon kullanılmıştır. Bukonfigürasyon ile maya hücreleri biyoreaktör içinde tutulurken kontaminasyona neden olan bakteri hücrelerinin reaktör dışına atılabileceği sürekli beslemeli bir bioethanolfermantasyon sistemi elde edilmesi amaçlanmıştır. Etanol üretici mikroorganizma olarak en yaygın kullanılan maya türü olanSaccharomyces cerevisiae seçilmiştir. Kontamine bakteri türü olarak daha önce BorasÜniversitesi dahilindelaboratuar ölçekli bir etanol fermantöründe kontaminasyonaneden olduğu tespit edilerek izole edilmiş olan Enterobacter cloacae seçilmiştir. Her iki tür ayrı ve beraber olarak fermantasyon koşullarında (30 C ve pH 5) ve sentetik besleme çözeltisi içerisinde, sallanan su banyosunda 24 saat büyütülmüştür. Kültürler olgunlaştığında steril koşullarda örnekler alınmış ve gram boyama yöntemiyle ışık mikroskobu altında hücre morfolojileri incelenerek hücre boyutlarımaya için hücre çapı 3-4 m, bakteri için 1 -1.5 m olarak belirlenmiştir. Ayrıca mikroorganizmaların metabolik hareketlerinin ve büyüme hızlarının belirlenmesi amacıyla spektrofotometri, HPLC, plaka aşılama ve kuru ağırlık ölçümleri yapılmıştır. Saccharomyces cerevisiae veEnterobacter cloacae bakteri kompleksinin selektif olarakayrılmasını incelemek amacıyla öncelikle kültürler MBR'a PBS çözeltisi içindekonulmuştur. Nütrient yokluğunda bakteri ve maya kültürlerinin metabolik aktiviteleriyavaşlayarak hücre dışı bileşik üretimleri durma noktasında geldiğinden sadeceboyutsal olarak membran tarafından reaktör içinde tutulup tutulmadıklarınıgözlemlemek mümkün olmuş, mikroorganizmaların ayrı ve beraber olarakkonulduklarında membran yüzeyiyle etkileşimleri incelenmiştir. Bu sayedekullanılacak membran plakalarının por büyüklüğü, sistemin optimum seyreltme oranı ve reaktöre konacak kültürlerin miktarının belirlenmesi amaçlanmıştır. 1.5 ve 2 litrelikhacimleri olan laboratuar ölçekli iki ayrı reaktör kullanılmış ve bu reaktörlerde 0 .25ve 0.75 1 /saat aralığında seyreltme oranları, 1 ve 2.4 m por çapına sahip iki ayrıpolieter sülfan membran panel tipi denenmiştir. İlk aşamada maya ve bakteri kültürleri ayrı olarak reaktöre konularak membran özelliklerinin mayanın reaktör içinde tutulması ve bakterinin atılması için uygun olup olmadığı araştırılmıştır. Bu amaçla sadece maya bulunan kültürle 1 ve 2.4 m por çaplıiki ayrı membran panelinin kullanıldığı iki ayrı deney yapılmıştır. Sistem akısının 110 L/m2/saat ve reaktör içindeki kültür konsantrasyonunun 0.6 g/L olduğu deneylerdemembran yüzeyindeki basıncın ve reaktör içindeki türbiditenin sabit olduğu gözlemlenmiş ve membranın mayayı reaktör içinde tutmak için uygun olduğu sonucu çıkarılmıştır. Sadece bakteri bulunun kültürle PBS çözeltisi içinde yapılan deneyler sonucunda optimum konfigürasyonda (akı; 150 L/m2/saat, 2,4 m por çaplı membran, reaktör içindeki bakteri kültür konsantrasyonu; 0.04 g/L)membran yüzeyinde basınç artışıolmadığı halde % 93 oranında kontaminasyon gideriminin sağlanabildiğispektrofotometrik yöntemlerle belirlenmiştir. Sonraki aşamada bakteri ve maya kültürleri ayrı ve beraber olarak kesikli beslemeli reaktör sisteminde, membran yokluğunda, sentetik besleme çözeltisinde büyütülmüş ve bu koşullar altındaki metabolik aktiviteleri ve büyüme hızları gözlemlenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda mayanın varlığının bakterinin büyümesini glikoztüketiminde rekabete yol açması ve etanol üretimi sayesinde olumsuz etkilediği sonucuna varılmıştır. PBS çözeltide yapılan MBR ve kesikli beslemeli reaktör sisteminde yapılan deneyler sonucunda elde edilen bulgular doğrultusunda MBR sisteminde sentetik nütrient içinbakteri büyütülmüş ve sistemden atılması denenmiştir. Ancak akının 37 L/m2/saat, reaktör içindeki başlangıç bakteri konsantrasyonunun ise 0.001 g/L'ye düşürülmesine rağmen 6. saatte bakterinin eksponansiyel büyüme fazına geçmesini takiben membran yüzeyindeki basınç artışı kontrol edilememiş ve sürekli bakteri giderimi yapılmıştır. Bunun üzerine bakteri ve maya MBR sistemine sentetik besleme çözeltisinde birliktekonulmuş ve fermantasyon koşullarında büyütülmüştür. Bu aşamada akının 72 -16L/m2/saat, reaktör içindeki başlangıç bakteri konsantrasyonunun 0.001-0. 0001 g/L, mayanın ise 0.14-0. 36 g/L olduğu koşullarda denemeler yapılmıştır. Reaktör içindekipH'ınmanüel olarak 10. ve 24. saaate konsantre NaOH eklenerek 5'te kontrol edildiğideneylerde akının 16 L/m2/saat, reaktör içindeki başlangıç bakteri konsantrasyonunun0.001g/L, mayanın ise 0.36 g/L olduğu koşullarda sürekli bakteri giderimisağlanabildiği membran yüzeyindeki basıncın sabit gittiğinin gözlenmesiyleispatlanmıştır. Daha sonra manüel olarak yapılan pH kontrolü yerine otomatik olarak konsantreNaOH eklenmesiyle pH'ın 5'te tutulması denenmiş, ancak reaktör içindeki başlangıç bakteri konsantrasyonunun 0,00001 g/L'ye kadar düşürülmesine rağmen membran yüzeyindeki basıncın kontrol edilememesi nedeniyle sürdürebilir bir bakteri giderimi sağlanamamıştır. Sonuç olarak optimum sistem konfigürasyonunda pH'ın 4-5 arasında tutulması halinde beslemeli membran biyoreaktör sisteminde sürekli bakteri kontaminasyonugideriminin sağlanabileceği sonucuna varılmıştır.