Farklı hammaddelerden biyoetanol üretiminde yer alan işlemler, ön arıtma, hidroliz, fermantasyon ve etanol geri kazanımını içerir. Bu yazıda biyoetanol üretiminde fermantasyon süreçleri, fermantasyon teknolojileri ve biyoetanol üretimini etkileyen faktörler hakkında bilgiler yer almaktadır.
Biyoetanol Üretiminde Fermantasyon Süreçleri
Bu, hidroliz adımından elde edilen şekerlerin monomerik birimlerinin maya, mantar veya bakteri gibi mikroorganizmalar kullanılarak etanol, asitler ve gazlara dönüştürülmesini içeren biyolojik bir işlemdir. Saccharomyces cerevisiae yüksek etanol verimi ve yüksek tolerans limitleri nedeniyle en sık kullanılan mikroorganizma özellikle mayadır. Saccharomyces cerevisiae selülozun hidrolizinden elde edilebilen glikoz, mannoz veya fruktozu etanole dönüştürürken, hemiselülozun hidrolizinden elde edilen ksilan ksiloza dönüştürülebilir. Basit şekerlerin fermentasyonunda kullanılan farklı mikroorganizmaların bazı örnekleri ve bunların değişen çalışma koşullarında ilgili etanol verimleri vardır.
Fermantasyon Teknolojileri
Monomerik şeker birimlerinin etanole fermantasyonu için kullanılan teknolojiler arasında ayrı hidroliz ve fermantasyon, eş zamanlı sakarifikasyon ve fermentasyon (SSF), eş zamanlı sakarifikasyon ve birlikte fermantasyon (SSCF) yaygın olarak kullanılır. Ayrıca izotermal olmayan eşzamanlı sakarifikasyon ve fermantasyon, eş zamanlı sakarifikasyon, filtrasyon ve fermantasyon, konsolide biyo işlemede kullanılır. Diğer fermantasyon türleri arasında kesikli, kesikli besleme, sürekli ve katı hal fermantasyonu bulunurken bu fermantasyon yöntemlerinden bazıları aşağıda gibidir:
• Toplu fermantasyon süreci
Bu, bir dizi ürün için esnek, kontrolü kolay ve çok damarlı olduğu için fermantasyon işlemlerinin en basitidir. İşlem, substratların, mikroorganizmanın, kültür ortamının ve besin maddelerinin, işlemin başlangıcında kapalı bir sistemde, uygun koşullar altında önceden belirlenmiş bir zamanda eklenmesini içerir. Ürünler sadece fermantasyon süresinin sonunda geri çekilir. Bu tip fermantasyon prosesi ile ilgili problemler, düşük verim, uzun fermantasyon süresi ve yüksek işçilik maliyetidir, bu da kesikli prosesi ticari biyoetanol üretimi için çekici bulmamaktadır. Ayrıca, fermentasyon ortamındaki yüksek şeker konsantrasyonu nedeniyle, hücre büyümesinin ve etanol üretiminin inhibisyonuna yol açan substrat inhibisyonu olabilir.
• Sürekli fermantasyon süreci
Bu işlem, aktif mikroorganizmalar içeren bir fermentöre substratlar, kültür ortamı, besinlerin eklenmesini ve ürünlerin sürekli olarak geri çekilmesini içerir. Elde edilen ürünler genellikle etanol, hücreler ve artık şekerdir. Sürekli fermantasyon prosesinin avantajları, yüksek üretkenlik, küçük fermentör hacimleri, düşük yatırım ve işletme maliyetidir. Dezavantajlar arasında ürün kontaminasyonu olasılığı ve uzun ekim süresi nedeniyle etanol üretimini desteklemek için maya kapasitesindeki potansiyel düşüş yer alır.
• Fed-batch fermantasyon süreci
Bu, ortamı çıkarmadan substratın fermentöre yüklenmesini içeren toplu ve sürekli fermantasyon işlemlerinin birleşimidir. Diğer fermantasyon prosesleriyle karşılaştırıldığında, kesikli besleme prosesi daha yüksek üretkenliğe, ortamda daha fazla çözünmüş oksijene, daha kısa fermantasyon süresine ve ortamın daha düşük toksik etkisine sahiptir. Dezavantajı, etanol üretkenliğinin hücre kütlesi konsantrasyonu ve besleme hızıyla sınırlı olmasıdır.
• Ayrı hidroliz ve fermantasyon (SHF)
Enzimatik hidroliz, enzimlerin yüksek sıcaklıkta çalışmasına ve fermentasyon mikroorganizmalarının optimum performans için orta sıcaklıkta çalışmasına izin vererek fermentasyondan ayrılır. Hidrolitik enzimler ve fermentasyon organizmaları optimum koşullarda çalıştıkları için etanol veriminin yüksek olması beklenir. SHF’nin dezavantajları, özellikle iki reaktör gerektiğinden yüksek sermaye maliyeti, yüksek reaksiyon süresi gerektirmesi ve hidroliz adımı sırasında salınan şekerler tarafından selülaz aktivitelerinin sınırlandırılması olasılığıdır.
• Eşzamanlı şekerleme ve fermantasyon (SSF)
Burada selülozun sakarifikasyonu ve monomerik şekerlerin fermantasyonu aynı reaktörde aynı anda gerçekleştirilir. Hidrolizat aynı anda fermentasyon için kullanıldığından, selülaz aktivitelerinin olağan inhibisyonundan kaçınılabilir. SSF’nin dezavantajı, sırasıyla hidroliz ve fermentasyon sırasında selülazın ve mikroorganizmaların verimli performansı için gereken optimum sıcaklıktaki değişikliktir. Selülazın hidroliz için ihtiyaç duyduğu yüksek sıcaklık, fermantasyon için kullanılan maya gibi mikroorganizmaları azaltabilir.
• Eşzamanlı şekere dönüştürme ve birlikte fermantasyon (SSCF)
Bu, hidroliz ve sakarifikasyonun pentoz şekerlerinin birlikte fermantasyonu ile aynı ünitede gerçekleştirilmesini içerir. Genellikle genetiği değiştirilmiş Saccharomyces cerevisiae ksilozu fermente edebilen suşlar normalden beri kullanılmaktadır. Saccharomyces cerevisiae pentoz şekerini fermente edemez. SSF gibi, SSCF de daha düşük maliyet, daha yüksek etanol verimi ve daha kısa işlem süresi avantajlarına sahiptir. Ek olarak SSCF, enzimatik hidrolitik işlem sırasında şekerlerin neden olduğu inhibisyonu en aza indirmeye yardımcı olur ve mikroorganizmaların çoğu ksiloz tükettiği için ksilozun glikoz konsantrasyon oranını arttırır.
• Konsolide biyolojik işleme (CBP)
Bunun için enzim üretimi, hidroliz ve fermantasyonun tek bir ünitede gerçekleşmesi gerekir. Bu süreçte en çok kullanılan mikroorganizma,Clostridium termosellum çünkü lignoselülozu monomerik şekerlere indirgeyen ve etanol üreten selülaz sentezleme kapasitesine sahiptir. CBP henüz başlangıç aşamasında olmasına rağmen, daha az enerji yoğun, daha ucuz enzim maliyeti, düşük yatırım maliyeti ve daha az kontaminasyon olasılığı olarak avantajlar tespit edilmiştir.
Biyoetanol Üretimini Etkileyen Faktörler
Biyoetanol üretimini etkileyen faktörler arasında sıcaklık, şeker konsantrasyonu, pH, fermantasyon süresi, çalkalama hızı ve inokulum boyutu yer alır. Yüksek sıcaklık enzimleri denatüre edebilir ve aktivitelerini azaltabilir. Biyokütlenin fermantasyonu için ideal sıcaklık 20–35 o C ve üretiminin optimum verimi, 150 g/L’lik bir konsantrasyon kullanılarak elde edilebilir. Et suyunun pH’ı ayrıca biyoetanol üretimini de etkiler çünkü bakteri kontaminasyonu, maya büyümesi, fermantasyon hızı ve yan ürün oluşumu üzerinde etkilidir. Biyokütlenin fermantasyonu için optimum pH aralığı Saccharomyces cerevisiae 4.0–5.0’dır. PH 4.0’dan düşük olduğunda, daha uzun bir inkübasyon süresi gerekir ve 5.0’ın üzerinde bir pH’ta etanol konsantrasyonu önemli ölçüde azalır. Biyoetanol verimini optimize etmek için dikkate alınması gereken bir diğer faktör de çalkalama hızıdır. Çalkalama hızı ne kadar yüksek olursa, üretilen etanol miktarı da o kadar yüksek olur. Maya hücrelerinin kullanıldığı fermantasyon için yaygın olarak kullanılan karıştırma hızı 150-200 rpm’dir ve aşırı ajitasyon hızı, hücrelerin metabolik aktivitelerini sınırlayabilir.
Sonuçta küresel olarak üretilen biyoetanol miktarı artmakta ve 2018’de 110 milyar litreyken 2022’de 140 milyar litre olabilir ve günümüzde en yüksek üreticiler ABD ve Brezilya’dır. Bu ülkeler sırasıyla mısır ve şeker kamışından biyoetanol (1G biyoetanol) üretir. Hammaddelerin %40-70 katkısıyla yüksek üretim maliyeti nedeniyle, sırasıyla 2G, 3G ve 4G biyoetanol üretimine yol açan diğer hammadde kaynakları düşünülmektedir. Lignoselülozik biyokütleyi biyoetanole dönüştürmenin yüksek maliyeti, 1G biyoetanol ile karşılaştırıldığında rotayı hala çekici kılmaz. 2G biyoetanol, toplam biyoetanol üretiminin %3’ünden daha azını oluşturur ve 1G biyoetanol ile karşılaştırıldığında daha yüksek bir sera gazı azaltma potansiyeline sahiptir. 
Biyoetanol verimini artırmak ve üretim maliyetini en aza indirmek için SHCF, SCCF ve CBP gibi entegre süreçlerle farklı süreçler birleştirilebilir.
Biyoetanol üretiminin LCA’sına dayalı olarak, çevresel etkiler hammadde mevcudiyetine ve bunları biyoetanole dönüştürmek için kullanılan teknolojiye bağlıdır.
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