Ön-arıtma, üretilen etanolün yaklaşık 0,30 $/galon galonunu oluşturan lignoselüloz biyokütlesinden biyoetanol üretimindeki en maliyetli adımlardan biridir. Selülozun reaktivitesini ve fermente edilebilir, şekerlerin potansiyel verimini arttırmayı amaçlayan farklı ön-arıtma yöntemleri mevcuttur. Bunlar geleneksel veya gelişmiş ön işlemler olabilir. Geleneksel ön işlemler kimyasal, fiziksel, fizikokimyasal ve biyolojik yöntemleri içeren dört kategoride sınıflandırılırken, gelişmiş ön işlem yöntemi asit bazlı fraksiyonlama veya iyonik sıvı bazlı fraksiyonlama (ILF) olabilir. Geleneksel ön arıtma yöntemleri arasında kimyasal kategoriler en verimli olanıdır ve bu nedenle ağırlıklı olarak kullanılır.
Lignoselülozik biyokütlenin çeşitli yöntemlerle ön işleme tabi tutulması, orijinal yapıyı bozarak genellikle lignin ve hemiselülozdan oluşan bir polimer matrisine gömülü selülozun salınmasına yardımcı olur. Bununla, selüloz polimer matrisinden ayrılır ve enzimatik hidroliz için daha erişilebilir hale gelir, böylece çimen, mısır ve odun gibi hammaddeler kullanılarak %90’dan fazla şeker verimi (teorik verim) ile sonuçlanır. Bu, selülozun kristal yapısı bozulduğunda enzimatik hidrolize daha duyarlı olduğu anlamına gelir. Bozulma olmadan enzimler, enzimatik hidrolizi engelleyen selüloz zincirlerine değil, ligninin yüzeyine bağlanır.
Ön işlemin diğer avantajları arasında şekerlerin (pentozların) bozulmasını önlemeye yardımcı olmak, orta büyüklükte reaktörler kullanarak, ısı ve güç gereksinimlerini en aza indirerek biyoetanol üretim süreçlerinin yaşayabilirliğini sağlamaktır. Aynı zamanda hidroliz verimini ve dolayısıyla şekerin etanole fermantasyonunu azaltan inhibitörlerin oluşumunu en aza indirmektir.
Geleneksel Ön İşlemler
Bu ön işlemler yöntemi literatürde kapsamlı bir şekilde tartışılmıştır, yöntem bazı şekillerde kategorize edilir ve bu yöntemler aşağıdaki gibidir:
Fiziksel ön işlem: Bu, öğütme, ışınlama ve ekstrüzyon gibi yöntemlerle lignoselülozik biyokütlenin ve kristalliğin boyutunun parçalanmasını içerir. Bunun sonucunda, biyokütlenin artan yüzey alanı ve gözenek boyutu, enzimatik hidroliz veriminin artmasını sağlar. Lignoselülozun yapı sökümünün etkinliğini arttırmak için fiziksel ön arıtmanın kimyasal ön arıtma ile birleştirilmesi gerekebilir.
Kimyasal ön arıtma: Bunlara asit, alkali, oksidatif delignifikasyon ve organik asit (organosolvasyon) yöntemleri dahildir. Spesifik besleme stokları için oldukça seçicidirler ve polimer matrisinden lignin veya hemiselülozun yapısını bozmak ve çıkarmak için kullanılırlar. Kimyasal ön işlemler kuşkusuz etkilidir ancak sonraki işlemler üzerinde olumsuz etkisi olabilecek zorlu çalışma koşulları gerektirir ve yan ürünler özel bertaraf prosedürleri gerektirebilir
Fizikokimyasal: Bu, hem fiziksel hem de kimyasal ön işlemlerin özelliklerini birleştirir. Örnekler buhar patlaması, sıvı sıcak su, mikrodalga ışınlama ve CO 2 patlamadır.
Biyolojik ön arıtma: Bu, daha fazla enzimatik hidroliz için lignoselülozik biyokütleyi parçalamak için mikroorganizmaların kullanımını içerir. Bu organizmalar arasında beyaz, kahverengi ile yumuşak çürüklük mantarları ve bakteriler bulunur.
Lignoselüloz İçin Gelişmiş Ön Arıtma Yöntemleri
Bu yöntemler aynı zamanda lignoselüloz fraksiyonlama ön-muamelesi olarak da adlandırılır, lignoselülozu 50 o C ve atmosferik basınç gibi hafif bir çalışma koşulu altında katma değerli yan ürünler üretecek şekilde fraksiyonlayarak selülozik etanol üretiminin maliyetini düşürmeyi hedefler. Bu kazanç, katma değerli yan ürünler üretmek için selüloz erişilebilirliğini, selüloz, hemiselüloz ve ligninin ayrılmasını artıran selüloz çözücüler kullanılarak elde edilir. Yöntem aynı zamanda selüloz çözücü bazlı lignoselüloz fraksiyonasyonu (CSLF) olarak da bilinir. İşlem, müteakip enzimatik hidroliz için gerekli olan enzim miktarlarının azaltılmasına yardımcı olur ve çeşitli besleme stokları için kullanılabilir. CSLF’de kullanılan iki temel teknik vardır ve bu teknikler aşağıdaki gibidir:
• Asit aracılı fraksiyonasyon
Fosfolik asit gibi selüloz çözücüler, aseton veya etanol gibi organik çözücüler genellikle lignoselülozik biyokütleyi ayırmak için 1 atm ve 50 o C gibi hafif çalışma koşullarında kullanılır . Ayırmanın etkinliği, sırasıyla selüloz çözücü, organik çözücü, su içinde selüloz, hemiselüloz ve ligninin çözünürlük özelliklerine bağlıdır. Lignin ve hemiselülozun selüloz fraksiyonundan ayrılması, substratın inatçı ve rekabetçi bağlanma bölgelerinin, istenmeyen şeker bozulmasının, inhibitörlerin maliyetinin ve üretiminin azaltılmasına yardımcı olur. Bu yöntem, bambu, mısır sobası, şeker kamışı, şalt otu ve fil otu gibi lignoselüloz çeşitlerini ön işleme tabi tutmak için verimli bir şekilde kullanılmıştır.
• İyonik sıvı bazlı fraksiyonlama
İyonik sıvılar (IL’ler), önemli miktarda organik katyonlardan ve oda sıcaklığı gibi nispeten düşük sıcaklıklarda sıvı olarak bulunan küçük/inorganik anyonlardan oluşan tuz çözeltileridir. Bozulmamış, kolayca ayrılabilen ve katma değerli yan ürünler olarak kullanılan spesifik, saflaştırılmış ve polimerik hammaddeler elde etmek için lignoselülozu fraksiyonlamak için kullanılırlar. Geleneksel lignoselülozik biyokütle ile karşılaştırıldığında, IL’lerin ön arıtma yöntemleri, daha az enerji yoğunluğu, operasyon kolaylığı ve belirli bileşenleri ayırma kapasitesi gibi bazı avantajlar göstermektedir. Düşük buhar basıncı ve yüksek termal kararlılık gibi özellikler, IL’lerin çevre dostu olduğunu ve bu nedenle yeşil çözücüler olarak kabul edildiğini göstermektedir.
IL’lerin ayrıca, istenen spesifik sonuçları elde etmek için ayarlanabilen hidrofobiklik, polarite ve solvent gücü gibi özelliklerden dolayı ayarlanabilir olduğu kabul edilir. IL’lerin antisolvent ve lignoselüloz özellikleriyle (tip, nem içeriği, kısmi boyut ve yük) sıcaklık, ön işlem süresi ile bu özellikleri, iyonik sıvı ön işlem yönteminin genel verimliliğini belirlemek için kullanılabilir. Ancak en sık kullanılan ön arıtma yöntemi buhar patlatma yöntemidir. Bu patronaj, düşük sermaye yatırımı, yüksek enerji verimliliği, daha az çevresel etki, daha az tehlikeli proses kimyasalları ve koşulları ile tam şeker geri kazanımı nedeniyle olabilir.
Biyoetanol Üretiminde Hidroliz Süreci
Lignoselülozik biyokütlenin ön muamelesini takiben, şeker monomerleri üretmek için polimerik karbonhidratın (selüloz ve hemiselüloz) hidrolizi yapılır. Bir sonraki aşamada (fermantasyon) ihtiyaç duyulan enzimler sadece şeker monomerlerini sindirebildiği için bu aşama gereklidir. İşlem, asit veya enzimler tarafından katalize edilebilirken, asit katalizli hidroliz en yaygın kullanılan yöntemdir ve konsantre veya seyreltik asit kullanımını içerir. Bu gibi asitlerin örnekleri, H 2 SO 4 ve HCl’den hazırlanmıştır. Konsantre asit katalizli hidroliz, daha düşük sıcaklıkta ve yüksek asit konsantrasyonunda kullanılır, bu da kısa sürede %90 şeker geri kazanımı sağlar.
Bu yöntemin dezavantajı, asit geri kazanımı, bertarafı, konsantrasyon kontrolü ve geri dönüşümdeki zorluk nedeniyle yüksek üretim maliyetidir. Konsantre asit katalizli hidroliz işlemiyle ilgili diğer bir sorun, hâkim asidik ortam nedeniyle şeker monomerlerini parçalama yeteneğidir. Seyreltik asit katalizli hidroliz, yüksek sıcaklık ve düşük asit konsantrasyonu gerektirirken, en çok kullanılan asit seyreltik asittir. Bu hidroliz yöntemiyle ilgili sorun, işlemin asit katalizli hidrolize kıyasla inhibitörlerin oluşmasıyla sonuçlanmasıdır.
(C6H10Ö5)n+H30+H2O + nC6H12Ö6C6H10Ö5n+H30+H2Ö+nC6H12Ö6E1
Lignoselülozun asit hidrolizi iki aşamada gerçekleştirilir. Birinci aşama hemiselülozun seyreltik asit yardımıyla hidrolize edildiği ve ikinci aşamada ise konsantre asit kullanılarak selülozun hidrolize edildiği aşamadır.
Enzim katalizli hidroliz, 45-50 o C sıcaklık ve pH 4.8-5.0 gibi hafif çalışma koşulları altında polimerik karbonhidratı şeker monomerlerine hidrolize etmek için enzimler kullanır. Bu yöntem etkilidir, inhibitör oluşumu ve korozyona neden olma eğilimi olmadan yüksek şeker kazanımı sağlar. Enzim katalizli hidrolizin etkinliği pH, enzim yüklemesi, zaman, sıcaklık ve substrat konsantrasyonu gibi faktörlerden etkilenir.
Hidrolitik işlem, endo 1,4-glukanazlar, selobiyohidrolazlar ve glukosidazlar olarak adlandırılan üç çeşit selülaz enzimi tarafından katalize edilebilir. Bu enzimler genellikle kağıt, tekstil ve gıda işleme endüstrisi gibi çeşitli endüstrilerde yüksek talep nedeniyle çok pahalıdır. Bu enzimlerin yüksek maliyeti, özellikle büyük miktarlarda enzim gerektiğinden, genel üretim maliyetini de etkiler. Maliyetine göre selülolitik enzim salgılama potansiyeli olan mikroorganizmalar günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır ve bunlar aşağıdaki gibidir:
• Clostridium,
• Selülomonalar,
• Erwinia,
• Thermonospora,
• Bacteriodes,
• Bacillus,
• Ruminococcus,
• Acetovibrio,
• Streptomyces,
• Diğerleri örneğin trichoderma, penicillium, fusarium, phanerochaete, humicola ve schizophillum sp mantarları içerir,
Bu mikroorganizmalar arasında en yaygın olarak kullanılan mikrobiyal enzimler Trichoderma türleridir. Mikrobiyal enzimlerle ilgili problemler stabilite, substrat veya ürün inhibisyonu ve katalitik etkinliktir. Genetik modifikasyonlardaki ilerlemeler, rekombinant DNA teknikleri ve suşları geliştirmek için çeşitli stratejilerin uygulanması, üretilen enzimlerin miktarını artırmaya yardımcı olsa da, onları daha sağlam ve ekonomik olarak mümkün kılar. Selüloz hidrolizinin etkinliği ayrıca Polietilen glikol (PEG) veya Tween 20’nin eklenmesiyle de geliştirilebilir, bu da enzimatik sakarifikasyonun artmasına ve selülozun lignin üzerinde adsorpsiyonunun azalmasına neden olur.
Lignoselülozik biyokütlenin glikoza hidrolizinin mekanizması üç aşamada gerçekleşir. İlk adım, selülozun 1,4 bağının endoglukanaz (1,4-D-glukanohidrolaz) tarafından katalize edilen su molekülü ile bağlanmasıyla daha kısa zincirli ve serbest zincir uçlarına sahip selodekstrinin oluşmasıdır. İkinci adım, indirgeyici olan ve olmayan zincirleri ayarlayarak selodekstrinin eksoglukanaz (1,4-D-glukan sellobiyohidrolaz) yardımıyla iki üniteli bir glikoza (selobiyoz) indirgenmesidir. Üçüncü adım, glukosidazlar selobiyozlara çarptığında elde edilen glukozun oluşumudur. Glikoz üretimi gereklidir, çünkü sonraki işlem olan fermantasyon, hammadde olarak en basit monomerin kullanılmasını gerektirir.
Hemiselülozun hidrolizi, daha amorf özelliğe sahip olması nedeniyle selüloza göre daha kolaydır. Hemiselüloz, yumuşak ve sert ahşaplarda sırasıyla %10-15 ve %10-35 ksilan içerirken, Xylan hem ana hem de dış zincirlere sahiptir. İlki, endo-1,4-ksilanaz (EC 3.2.1.8) ve ksilosidaz (EC 3.2.1.37) kullanılarak indirgenebilir. Ksilanın ana zinciri, endo 1,4-ksilanaz yardımıyla kısa zincirli bir ksilan oligosakarite hidrolize edilir. Oligosakarit ayrıca β-ksilosidaz tarafından ksiropiranoz olarak bilinen ksilanın bir piranoz formuna indirgenir. Aksine, ksilanın dış zincirleri, feruloil esteraz (EC 3.1.1.73), a-L-arabinofuranosidaz (EC 3.2.1.55), a-glukuronidaz (EC 3.2.1.5) ve asetilksilan esteraz (EC 3.1.1.72) gibi aksesuar ksilanolitik enzimler olarak bilinen enzimler tarafından parçalanabilir.
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