Biyoetanol sürecindeki entegre süreci; optimizasyon amacıyla lignoselülozik biyokütleden biyoetanol üretim süreçlerinde bir veya daha fazla işlemin birleştirilmesini içerir, bu da verimde artış ve minimum üretim maliyeti ile sonuçlanır. IP’nin bir örneği, hem reaksiyonun hem de ürünlerin ayrılmasının aynı anda gerçekleştiği membran reaktörüdür. Hidroliz ve fermentasyon prosesleri, ayrı hidroliz, fermantasyon (SHF), eş zamanlı sakarifikasyon ve fermentasyona (SSF) entegre edilebilir. SHF, selülazların sıcaklıkları için bir fırsat sağlar ve Saccharomyces cerevisiae, her işlemin verimli çalışması için ayrı ayrı kontrol edilmelidir. SHF’nin selülaz için 45–55 o C ve 32 o C’nin altındaki optimum sıcaklıklarda çalıştırılması Saccharomyces cerevisiae, pentoz ve heksoz şekerlerinin, ayrı hidroliz ve birlikte fermentasyon (SHCF) olarak bilinen bir yönteme yol açan tek aşamalı bir işlemde fermente edilmesi için uygun koşullar sağlar.
Enzimatik hidrolizin dezavantajlarından biri, üretilen yüksek konsantrasyondaki glikozun neden olduğu selülazın inhibisyonudur. Bu zorluk, enzimin konsantrasyonu artırılarak veya SSF kullanılarak çözülebilir. SSF, enzimatik hidrolizden elde edilen glikozun aynı reaktörde fermantasyon yoluyla doğrudan etanole dönüştürülmesine izin verir. Bazı araştırmacılar, SSF sürecinin oldukça sıralı olduğunu ve eşzamanlı olmadığını savunmuşlardır ve bu nedenle, ko-fermentasyon (SCCF) ile birleştirilmiş sakarifikasyon kullanılır. SSF, enzim üretimini operasyona entegre ederek konsolide biyo işleme (CBP) olarak bilinen bir teknolojiye göre daha da geliştirilmiştir, ayrıca enzim üretimi, hidroliz ve fermentasyon tek bir ünitede gerçekleştirilir.
Biyoetanol Üretiminde Etanol Geri Kazanım Süreci
Monomerik şekerlerin fermantasyonunu genellikle fermantasyon et suyundan etanol geri kazanımı takip eder. Genellikle, et suyunun su içeriği hacimce yaklaşık %0.5’e düşürülerek, hacimce minimum %99,5 susuz etanol oluşumu sağlanır. Bu işlem, etanol-su çözeltisinin azeotropik doğası tarafından sınırlandırılmıştır ve çözelti bileşenlerinin kaynama noktasındaki farktan yararlanarak dayalı olarak yani damıtma ilkesine gerçekleştirilebilir. Azeotropik çözümle ilgili problem, ana bileşenin göreli uçuculuğunu değiştiren bir ayırma maddesi kullanılarak aşılır. Saf etanolün fermantasyon et suyundan geri kazanılmasında kullanılan teknikler vardır. Bu tekniklerden bazıları aşağıdaki gibidir:
• Adsorpsiyon damıtma,
• Azeotropik damıtma,
• Difüzyon damıtma,
• Ekstraktif damıtma,
• Vakum damıtma,
• Membran damıtma,
• Kimyasal dehidrasyon,
Geleneksel teknikler arasında azeotropik damıtma, sıvı-sıvı ekstraksiyonu ve ekstraktif damıtma yer alır. Ekstraktif damıtma, büyük ölçekli operasyonlar için en çok kullanılanıdır. Özellikle daha az enerji gereksinimi nedeniyle gelecekte kullanım için ilgi çeken başka teknikler de vardır ve bunlar pervaporasyon ile tuz damıtmadır.
Biyoetanol Üretiminde Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (LCA)
Bu değerlendirme genellikle farklı hammaddeler kullanılarak biyoetanol üretiminin çevresel etkisini ölçmek için yapılır. LCA aracı, bir süreç tasarımı sırasında potansiyel etkilerin belirlenmesine ve ölçeği büyütmeden önce süreci iyileştirmek için karar vermeye yardımcı olur. LCA metodolojisi, hedef ve kapsamın tanımlanması, yaşam döngüsü envanter analizi (LCIA), etki değerlendirmesi ve sonuçların yorumlanması dahil olmak üzere dört ana aşamadan oluşur.
LCIA, etki kategorilerine ve göstergelerin seçimine bağlı olarak CML 2002, Eco-indicator 99, ReCiPe, LIME, Lucas ve TRACI gibi metodolojiler kullanılarak yürütülebilir. Farklı lignoselülozik hammaddelerden elde edilen biyoetanol ve benzeri kimyasal ürünlerin çevresel etkileri üzerine çok sayıda araştırma yapılmıştır. Biyoetanolün sera gazı emisyonunu ve küresel ısınma potansiyelini önemli ölçüde azaltma kapasitesine sahip olduğunu ve dolayısıyla ozon tabakasının korunmasını kolaylaştırdığını göstermektedir.
Biyoetanol Üretiminde Tekno-Ekonomik Analiz (TEA)
TEA, biyoetanol üretimi ile ilgili farklı süreçlerin ekonomik fizibilitesini değerlendirmede kullanılan etkili bir araçtır. Bu analiz, biyoetanol üretimine yol açan farklı proses yollarının teknik ve ekonomik verimliliklerini, en iyi yolları seçmeye yönelik kapsayıcı bir amaç ile değerlendirme fırsatı sağlar. Analizin teknik yönü, süreç akış şemasının geliştirilmesini, Aspen Plus ve SuperPro gibi simülasyon yazılımlarını kullanarak titiz malzeme ve enerji dengesi hesaplamalarını içerir. Ekonomik yönü, sermaye ve proje maliyeti tahminini, indirgenmiş nakit akışını ve minimum etanol satış fiyatının (MESP) belirlenmesini içerir. Bu, Aspen ekonomik değerlendirici paketi (Aspen Technology, Inc., ABD) kullanılarak gerçekleştirilebilir.
MESP, süreçler arasındaki teknoloji farklılıklarını karşılaştırmak, nerede ekonomik veya süreç performansının iyileştirilmesi gerektiğini belirlemeye yardımcı olan duyarlılık analizlerini yürütmek için kullanılabilir. Çok sayıda araştırmacı, hammadde olarak lignoselüloz kullanan biyoetanol üretiminin tekno-ekonomik analizini incelemiştir. Örneğin, Quintero ve ekibi gibi birçok araştırmacı, proses simülasyonu ve ekonomik analiz için sırasıyla Aspen Plus ve Aspen Process Economic Analyzer’ı kullanmışlardır. Elde edilen sonuçlar, değerlendirilen dört lignoselülozik biyokütle dikkate alındığında, boş meyve salkımlarından biyoetanol üretim maliyetinin en düşük (0.49 US$/L) olduğunu göstermiştir.
Biyoetanol Üretiminde Ekserji Analizi
Ekserji, bir kütle veya enerji akışı referans ortamla dengeye getirildiğinde elde edilebilecek maksimum iş miktarıdır. Bu analiz bazı konularda yardımcı olur ve bu konular aşağıdaki gibidir:
• Gerçek termodinamik kayıpların yerini, kaynağını ve büyüklüğünü belirleme,
• Sistemin performansını düşüren her bir proses adımındaki ekserji kayıplarının belirlenmesi ve maksimum üretim için en verimli rotanın belirlenmesi için çeşitli proses konfigürasyonlarının karşılaştırılması,
Ekserji analizi, tükenen doğal kaynakların yanı sıra tüm çevresel sorunları hesaba katmaya yardımcı olan ekserjetik yaşam döngüsü değerlendirmesini (ELCA) oluşturmak için yaşam döngüsü değerlendirmesi (LCA) ile birleştirilebilir. Bu, kapalı malzeme ve enerji dengelerini içerirken, işlem sırasında ekserji yıkımı belirlenerek gerçekleştirilebilir.
Biyokütleden biyoetanol üretiminde proses performansını değerlendirmek için ekserji araçlarının uygulanması alanında araştırmacılar tarafından çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Hurtado ve ekibi hammadde olarak pirinç kabuğu kullanarak biyoetanol üretim proseslerinin verimliliğini değerlendirmek için ekserji analizini kullanmışlardır. Süreci simüle etmek için Aspen Plus yazılımı kullanılmış, ekserji analizinin sonuçları, aşama en düşük ekserjetik verimliliği ve en yüksek tersinmezlikleri verdiği için ön arıtma aşamasının kütle veya enerjinin iyileştirilmesini gerektirdiğini göstermiştir.
Biyoetanol Üretiminde Süreç Simülasyonu
Bu, bir simülasyon yazılımında kimyasal, fiziksel, biyolojik, diğer teknik süreçlerin ve birim operasyonların resimli temsilidir. Yazılım bazı konularda yardımcı olur ve bunlar aşağıdaki gibidir:
• Çevre dostu ve güvenli süreçlerin tasarımında,
• Sermaye ve işletme maliyetlerinin azaltılmasında,
• Verimli biyoyakıt süreçlerinin modellenmesi için gereken işlevsellik ve esnekliğin sağlanmasında,
• Isı geri kazanım süreçlerinin iyileştirilmesinde,
• Verilerin uzlaştırılmasında,
• Çalışma koşullarının doğrulanmasında,
• Verimli ve optimal proses tasarımı, mevzuata uygunluk ve biyoyakıt prosesinin operasyonel analizinde,
Simülasyon yazılımı ile mühendisler sanal olarak çalışabilirler, böylece sürecin gerçek dünyada test edilmesiyle ilgili masraflardan ve zaman gecikmelerinden kaçınılır. Biyoetanol üretiminin simülasyonunda kullanılan simülasyon yazılımı örnekleri arasında Aspen plus, Chemcad, Prosimplus, Hysys ve PRO/II bulunmaktadır. Biyorafineride en yaygın olarak kullanılan yazılım Aspen plus’tır. Lignoselülozik biyokütleden biyoetanol üretiminin simülasyonu, çeşitli ünite operasyonlarının birbirine bağlanmasını gerektirir ve buna ön arıtma, hidroliz, fermantasyon ve damıtma dahildir.
Bu, Peraltaz ve ekibi hammadde olarak kalıntı mikroalg biyokütlesini kullanarak biyoetanol üretim sürecini simüle ederek araştırmışlardır. Bu araştırmacılar, üç teknolojiden en etkili yolu değerlendirmişlerdir: eşzamanlı sakarifikasyon ve birlikte fermantasyon (SSCF), eşzamanlı sakarifikasyon ve fermantasyon (SSF) ve en yüksek biyoetanol verimine yol açan asit hidrolizi (SHF) kullanarak ayrı sakarifikasyon ve fermantasyon. Simülasyon Aspen Plus 7.1 kullanılarak gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar en yüksek verimi %23,6 ile SSCF’nin, en düşük verimi ise %18,5 ile SHF’nin verdiğini göstermiştir. Bu sonuçlarla, enzimatik teknolojilerin biyoetanolün mikroalgal üretimi için kullanılabileceği sonucuna varmışlardır.
Kaynakça:
link.springer.com/article/10.1007/s42452-020-03471-x
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24337249/
mdpi.com/2227-9717/9/2/206
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu