MELASTAN FERMENTASYON YOLUYLA ETANOL ÜRETİMİNE MONTMORİLLONİTİN ETKİSİ

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "MELASTAN FERMENTASYON YOLUYLA ETANOL ÜRETİMİNE MONTMORİLLONİTİN ETKİSİ"

Si̇mge Jamaković
7 yıl önce
İzleme sayısı:

1 MELASTAN FERMENTASYON YOLUYLA ETANOL ÜRETİMİNE MONTMORİLLONİTİN ETKİSİ A.TOSUN, M.ERGUN Gazi Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Maltepe ANKARA ÖZET Bu çalışmada, Saccharomyces cerevisiae mayasının kullanıldığı, melastan fermentasyonla etanol üretiminde; Fermentasyon ortamına değişen konsantrasyonlarında (1-10g/l) montmorillonitin (MNT), biyokütle gelişimi ve etanol üretimi üzerine etkisi araştırılmıştır. Fermentasyon ortamına eklenen, 5 g/l MNT in etanol üretim hızını, kontrol kültüre göre %65 ve teorik verimi ise % 20 oranında, biyokütle gelişimini de %30 oranında artırdığı belirlenmiştir. Fermentasyon süresince yapılan metal iyonu analizlerinden, MNT in, iyon değişim ve adsorpsiyon özelliği sayesinde, melas ortamında bulunan, glikoliz ve mikroorganizma gelişimi üzerinde toksik etkisi olduğu bilinen Na +,Zn ++, Mn ++ metal iyonları konsantrasyonlarını azaltarak, etanol verimini arttırdığı sonucuna varılmıştır. Anahtar kelimeler: Etanol; Fermentasyon; Montmorillonit; Saccharomyces cerevisiae GİRİŞ Dünyada tükenmekte olan fosil yakıt stoklarının oluşturduğu enerji bunalımı, alternatif enerji kaynaklarının uygun ve verimli bir şekilde kullanılması üzerinde araştırmalar yapılmasına neden olmuştur. Bunlardan birisi de sakkaroz bazlı, yenilenebilir, doğal ve bol miktarda bulunan melastan, mikroorganizmalar yardımıyla, fermentasyon yoluyla etanol üretimi konusudur. Ancak, etanol üretim verimi, kullanılan melasta bulunan, glikoliz ve mikroorganizma gelişimi üzerine doğrudan toksik etkisi olan metal iyonları (Na +,Zn ++, Mn ++ ) nedeniyle düşük olmaktadır. Dolayısıyla etanol üretimi proseslerinde, üretim verimini arttıracak yönde iyileştirme gerekmektedir. Literatürde bu amaçla fermentasyon veya alıştırma ortamlarına termal stabilitesi, iyon değişimi özelliği ile son zamanlarda biyokimyasal çalışmalarda kullanılan zeolitler [1-2], EDTA, potasyum ferrosiyanür, sodyum potasyum tartarat gibi kompleks yapıcı maddeler [3-4], eklenmiş ve toksik özelliği olan eser elementlerin etkilerini azaltarak, etanol veriminin arttırılması üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmada, hazırlanan yapay melastan fermentasyonla etanol üretiminde, Saccharomyces cerevisiae mayası kullanılmıştır. Mikroorganizma için toksik etkisi olan eser elementleri zararsız hale getirmek ve ortam şartlarını etanol üretimini artırmak yönünde geliştirmek amacıyla, fermentasyon ortamına, kimyasal bileşimi %59.40 SIO 2, %16.94 Al 2 O 3, %0.08 Na 2 O, %4.54 Fe 2 O 3, %2.51 CaO olan bir çeşit doğal kil olan MNTin değişen konsantrasyonları eklenerek, bu maddenin mikroorganizmayla etkileşimi ve etanol verimi üzerine etkileri araştırılmıştır. Ortama eklenen MNTin konsantrasyonlarına (1g/L-10g/L), MNT nin iyon değişim kapasitesi (1,36 meq/g) göz önünde bulundurularak karar verilmiştir.

2 DENEYSEL Çalışmada Refik Saydam Hıfzıssıhha Merkezinden liyofiliz stok kültürü halinde alınmış, 251 TP(3-2) kod nolu Sacharomyces cerevisiae isimli mikroorganizma kullanılmıştır. Liyofiliz halindeki mikroorganizma, 3 g/l yeast ekstrakt, 3 g/l malt ekstrakt, 5 g/l pepton ve 10 g/l glukoz içeren sulu çözeltide aktif hale geçirilmiştir. Mikroorganizmanın, 50 g/l glukoz, 12g/L KH 2 PO 4, 5g/L (NH 4 ) 2 SO 4, 1 g/l MgSO 4.7H 2 O, 5 g/l yeast extract, 0,5 g/l CaCl 2 içeren, ph değeri 4,5 olan üreme ortamında, 440 rpm karıştırma hızında manyetik karıştırıcıda, 30 saat süreyle üremesi sağlanmıştır. Üreme ortamından 19. saatte alınan 1g/L konsantrasyonunda mikroorganizma, fermentasyon ortamına aşılanmıştır. Fermentasyon, 250 ml lik erlenlerde, sallamalı su banyosunda, 30 o C sıcaklıkta, başlangıç ph ı 4,5 olan yapay melasla gerçekleştirilmiştir. Yapay melasın içeriği, Türkiye Şeker Fabrikaları melas analizi ve literatür [5] baz alınarak belirlenmiştir. Melas çözeltisi litrede, 5g (NH 4 ) 2 SO 4, 4.13g Na 2 SO 4, g KH 2 PO 4, 2.8g CaCl 2, 0.709g MgSO 4 7H 2 O, 0.040g FeSO 4 H 2 O, 0.017g MnSO 4 H 2 O, 0.021g ZnSO 4 H 2 O, g CuSO 4 5H 2 O, 2.67g pepton, 0.01g H 3 BO 3, g pantotenik asit, 0.125g inosit, 0.006g pridoksin, g biotin içerecek ve toplam şeker miktarı %10 olacak şekilde hazırlanmıştır. Etanol analizleri alev iyonlaşma dedektörlü, Unicam 610 marka gaz kromatografisi ile yapılmıştır. Ayırma işleminde 30 m uzunluğunda, 0.25 mm iç çapında BP20 kapiler kolon kullanılmıştır. Sıcaklıklar, 200 o C, 150 o C ve 180 o C sırasıyla dedektör sıcaklığı, enjektör sıcaklığı, kolon sıcaklığı, kuru hava, H 2 ve N 2 gazı hızları sırasıyla 330, 30, 30 ml/dk olacak şekilde ayarlanmıştır. Eser elementler açısından çözelti analizleri (Zn ++, Mn ++ ) atomik absorpsiyon spektrofotometresinde ve (Na +, Ca ++ ) alev fotometresinde, mikroorganizma-kil etkileşimlerinin araştırılması, Jeol marka elektron mikroskobuyla yapılmıştır. Biyokütle miktarı araştırmaları, UV Spektrofotometre yardımıyla, fermentasyon ve üreme ortamlarından alınan numunelerin absorbanslarına bakılarak yapılmıştır. Etanol ve metal iyonu analizlerinde numuneler mikrofiltrasyon işlemine tabi tutulmuş, elektron mikroskobu incelemelerinde, mikroorganizma ve zeolit örnekleri, iletkenlik özelliğini kazanması için altınla kaplanmıştır. SONUÇLAR MNT in eklenmesiyle, maksimum etanol konsantrasyonu artmış, buna karşılık maksimum konsantrasyona ulaşmak için geçen süre azalmıştır. Maksimum değere ulaşmak için geçen süre kontrol kültürle 32 saat iken, 5 g/l MNT eklenmesiyle bu süre, 18 saate düşmüştür (Çizelge 1). 5 g/l MNT konsantrasyonun 10g/L değerine çıkarılmasıyla maksimum etanol konsantrasyonunda (MEK) daha fazla artış elde edilmemiştir. Fermentasyon ortamına MNT nin eklenmesi durumunda, yirmi dördüncü ve otuz ikinci saatte kontrol kültürle karşılaştırıldığında, etanol üretim hızını %65 ve teorik verimi ise % 20 oranında artırdığı belirlenmiştir (Çizelge1). 5 g/l MNT maksimum biyokütle miktarını (MBM) da kontrol kültüre göre %30 oranında arttırmıştır (Çizelge 2).

3 Çizelge 1. Fermentasyon ortamına eklenen MNT nin etanol verimine etkisi. Parametre MNT miktarı (g/l) Kontrol MEK, v/v 2,5 2, MEK için geçen süre(h) MEK/h 0,078 0,081 0,129 0,125 Teorik verim Çizelge 2. Fermentasyon ortamına eklenen MNT nin biyokütle gelişimine etkisi. Parametre MNT miktarı (g/l) Kontrol MBM (g/l) MBM için geçen süre(h) etanol (v/v) kontrol 1 g/l MNT 5 g/l MNT 10 g/l MNT zaman (h) Şekil 1. Fermentasyon ortamına eklenen MNT nin üretilen etanol konsantrasyonuna etkisi.

biyokütle (g/l) 20 15 10 5 0 6 12 18 24 32 zaman (h) Kontrol 1 g/l MNT 5 g/l MNT 10 g/l MNT Şekil 2. Fermentasyon ortamına eklenen MNT nin biyokütle gelişimi üzerine etkisi.

Çalışmamızda da biyokütle artışının, mikroorganizmanın kil içine immobilize olmasından dolayı olup olmadığı araştırılmıştır.

4 biyokütle (g/l) zaman (h) Kontrol 1 g/l MNT 5 g/l MNT 10 g/l MNT Şekil 2. Fermentasyon ortamına eklenen MNT nin biyokütle gelişimi üzerine etkisi. Literatiürde Saccharomyces cerevisiae nin zeolit içine immobilize olup, gelişiminin ve etanol üretiminin arttığı üzerine sonuçlar elde edilmiştir [6]. Çalışmamızda da biyokütle artışının, mikroorganizmanın kil içine immobilize olmasından dolayı olup olmadığı araştırılmıştır. Ancak mikroorganizma boyutunun (5µm), yapılan elektron mikroskobu çalışmalarında, kilin gözenek boyutundan (600nm) çok daha büyük olduğu ve immobilizasyonun olamayacağı sonucuna varılmıştır (Şekil 3). A B Şekil 3. (A) Saccharomyces cerevisiae nin (B) MNT nin yapısının elektron mikroskobunda elde edilen görüntüsü

5 Biyokütlenin ve etanol konsantrasyonunun artması, MNT nin, ortamda toksik miktarlarında olduğu ön deneylerle belirlenen Zn ++, Mn ++ ve Na +, metal iyonlarını adsorblaması veya yapısındaki Ca ++ iyonlarıyla yer değiştirmesiyle, bu iyonların miktarını azaltması şeklinde açıklanabilir (Şekil 4-5). metal konsantrasyonu (mg/l) Mn Zn zaman (h) Şekil 4. 5g/L MNT nin fermentasyon ortamında bulunmasıyla Zn ++ ve Mn ++ iyon konsantrasyonunun değişimi Şekil 5. 5g/L MNT nin fermentasyon ortamında bulunmasıyla Na + ve Ca ++ iyon konsantrasyonunun değişimi

6 KAYNAKLAR 1. Ergun M., Mutlu F., Gürel Ö., Effect of Addition of EDTA, Ferrocynide and Zeolite X on Ethanol Fermentation of Molasses, J. Chem. Tech. Biotechnol., 68, , Rosario, C., Raquel, A., Joaquium, M.S., Iborra, L., Effect of Zeolite Addition on Ethanol Production from Glucose by Saccharomyces cerevisiae, J. Chem. Technol. Biotechnol, 73, Oderinde, R.A., Ngoka, L.C., Adesogan, Comparative Study of the Effect of Ferrocyanide and EDTA on the Production of Ethyl Alcohol from Molasses by Saccharomyces cerevisiae, Biotechnology and Bioengineering, 28, Pandey, K., Agarwal P.K., Effect of EDTA, Potassium ferrocyanide and Sodium Potassium Tartarate on the Production of Ethanol from Molasses by Saccharomyces cerevisiae, Enzyme Microb. Technol, 15, Kokugan, K. and Kokugan, T., The Effect of Molasses Pretreatment by Ceramic Microfiltration Membrane on Ethanol Fermentation, Journal of Fermentation and Bioengineering, 83 (6):, Roque, R., Delgado, R., Contreras, C., Lago, A., Behaviour of Yeast Fermentation in the Presence of Zeolite, Biotechnology Letters, 9, 9,

Benzer belgeler

Yetiştirme Ortamlarında Besin Maddesi Durumunun Değerlendirilmesi

Yetiştirme Ortamlarında Besin Maddesi Durumunun Değerlendirilmesi N, P, K ve Mg un 1:5 ekstraksiyon çözeltisindeki standard değerleri Çok az Az Yeterli Fazla Çok fazla Oldukça fazla N (meq/l)