Bioethanol production from lignocellulosic biomass

Abstract

Günümüzde, küresel ısınma, iklim değişikliği, petrol rezervlerinin tükenmesi, artan petrol fiyatları ve fosil yakıtların neden olduğu sera gazı emisyonları nedeniyle yenilenebilir yakıtların üretimi ve kullanımı üzerine araştırmalar yoğunlaşmıştır. Nüfusun katlanarak artmaya devam etmesiyle, dünyadaki sadece yiyecek değil, sınırlı kaynakların da bastırılacağı tahmin edilmektedir. Özellikle enerji ihtiyacının karşılanmasında kullanılan fosil yakıt, petrol ve doğal gaz rezervleri yüksek bir hızla tükenmeye devam etmektedir. Yapılan araştırmalara göre, petrol ve doğal gazın yaklaşık 50 yıllık bir ömre sahip olduğu belirtilmektedir. Dünyanın toplam petrol rezervi yaklaşık 51 yıllık tüketime karşılık gelen yaklaşık 1.5 trilyon varildir. Dünya doğalgaz rezervi 2015 yılı sonunda 177 trilyon m3 olarak belirlenmiştir. Bu değer yalnızca 51 yıllık bir süre boyunca küresel üretimi kapsaması için yeterlidir. Tüm bu sorunlar bizi yeni alternatif ve sürdürülebilir enerji kaynakları bulmaya itiyor. Bu bağlamda, sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak ilk akla gelen kaynak biyokütle enerjisidir. En önemli alternatif enerji kaynakları biyokütle enerjisi, etanol, bütanol, metanol, hidrojen, çeşitli bitkilerden üretilen biyodizel ve organik atıklar gibi sıvı, katı veya gaz halindeki formlardır. Birinci nesil biyoyakıtlar temel olarak gıda ve yağ bitkilerinden elde edilir, ancak besin zinciri ile rekabet etmek ve tarımsal arazi kullanmak nedeniyle tercih edilmez. Bu nedenle, gıda dışı biyokütle üretiminden kaynaklanan biyoyakıt gelişimine olan ilgi artmıştır. İkinci nesil biyoyakıtlar, lignoselülozik biyokütle de dahil olmak üzere gıda dışı hammaddelerden türetilir ve biyokütle işlenerek üretilir. Alglerden elde edilen üçüncü nesil biyoyakıtlar. Ek olarak, biyoyakıt üretiminde yeni trend, fotobiyolojik güneş yakıtları ve elektroyakıtlar kullanılarak dördüncü nesil biyoyakıttır. Biyoetanol yakıtlar için katkı maddesi olarak kullanılabilir ve lignoselülozik atıklardan üretilmiş olan biyoetanolün kullanımı CO2 emisyonlarını ciddi oranda azaltır. CO2, güneş enerjisi kullanılarak organik kütleye (biyokütle) dönüştürülür ve bu organik biyokütleden biyoyakıt elde edilir. Böylece, ulaşımda ikinci nesil biyoyakıtlar kullanıldığında, atmosfere salınan net CO2 emisyonları azalır. Etanol, mayaların fermantasyonu ile oluşur. Mayalar, basit şekerleri doğrudan etanole fermente edebilirken, daha kompleks yapıdaki şekerlerin etanole fermente olabilmeleri için fermente edilebilir şekerlere dönüştürülmesi gerekir. Ön muamele, hidroliz ve fermantasyon, lignoselülozik biyokütleden etanol üretiminde kullanılan genel işlemlerdir. Tarımsal faaliyetler sırasında, ana mahsullerin hasat edilmesinden sonra koçan, kabuk, yaprak, sap, saman vb. gibi yüksek miktarda tarımsal atık üretilir. Çiftçiler kendileri için ciddi bir sorun yaratan bu atıkları yönetmek için büyük çaba sarf etmektedirler. Bu atıkları enerjiye dönüştürmek mümkün olmasına rağmen, arazi sahipleri yeni hasat döneminde tarlayı atıklardan temizlemek için yakmaktadırlar. Bu yakma işlemi sonucunda arazi ciddi bir şekilde zarar görmektedir. Bu nedenle, tarımsal atık hem atık yönetimi hem de bu potansiyelin enerjiye dönüştürülmesi için tüm dünyada yenilenebilir enerjinin ana odak alanlarından biri haline gelmiştir. Atık lignoselülozik biyokütle çoğunlukla tarımsal atıklar, ormancılık atıkları ve selülozik endüstriyel atıklardan oluşmaktadır. Bu atıklardan enerji üretimi ekonomik, sosyal ve çevresel olmak üzere her açıdan önemlidir. Ayrıca, sürdürülebilir enerji üretimi kapsamında değerlendirilmektedir. Sanayi hizmetlerin sürekli artmasına rağmen tarım, Türk halkının çoğunluğunun istihdamıdır. Tarım arazileri açısından, Türkiye aynı zamanda dünyanın en büyük ülkelerinden biridir. Türkiye'nin tarımsal atıklardan enerji üretim potansiyeli dikkate alındığında; bu potansiyelin ekonomik, sosyal ve çevresel açıdan tarımın sürdürülebilirliğinde vazgeçilmez bir rol oynayacağı açıktır. Dahası, Türkiye, bu potansiyel enerjinin kendileri için özellikle önemli olduğu tarımla uğraşan kırsal nüfusun önemli bir kısmına sahiptir. Fakat, ülkemizde, tarımsal atıkların yüksek miktarda enerji içermesine rağmen, ticari olarak tarımsal atıklarla çalışan sınırlı sayıda tesis bulunmaktadır. Bu nedenle, termal ve biyolojik olarak yenilenebilir enerji kaynağı olarak metan, hidrojen, ısı, biyoetanol ve biyobutanol gibi ürünlere dönüştürülürler. Ancak, ön arıtma bu atığın biyodönüşümü sırasında hızı sınırlayan bir adımdır. Lignoselülozik biyokütleyi fermente edilebilir şekere dönüştürmek için özel ön işlem prosesleri gereklidir. Ön işlemin amacı, lignoselülozun karmaşık yapısını kırmak ve biyoyakıt üretiminde mikroorganizmaların kullanılabilir şekere erişimi için basit bir yapı elde etmektir. Ön arıtma yöntemleri mekanik, kimyasal, fiziko-kimyasal ve biyolojik olarak ikiye ayrılır. Mekanik ön işlem, öğütme, parçalama gibi boyut küçültme işlemlerini içerir. Kimyasal işlem, konsantre veya seyreltik asit veya baz kullanımı, ıslak oksidasyon, ozonlama gibi yöntemlerle yapılabilir. Fiziko-kimyasal yöntemlerde sıcak su uygulaması, buhar püskürtme ve ozonlama uygulaması yapılır. Biyolojik arıtımda çürükçül mantar çeşitleri veya bazı özel mikroorganizmalar kullanılabilir. Lignoselülozik atıklardan biyolojik yollar ile etanol üretimi esnasında hız kısıtlayıcı olan ve en fazla maliyet gerektiren aşama ön arıtma aşamasıdır. Ön arıtma aşamasında oldukça fazla miktarda enerji,su ve kimyasal kullanılabilmektedir. Ayrıca, her atık için en uygun yöntem de farklılaşabilmektedir. Tüm maddeler nedeniyle yapılacak olan çalışmalarda öncelikle atık için en uygun ön arıtma türüne karar verebilmek amacıyla bazı optimizasyon çalışmalarının yapılması faydalı olmaktadır. Optimizasyon çalışması esnasında üretilmek istenen son ürüne ait verim hesabının yanı sıra, işlem esnasında kullanılan kimyasal,su ve enerji miktarları da göz önünde bulundurularak değerlendirilme yapılmalıdır. Böyleleikle her açıdan daha sürdürülenilir enerji üretimi gerçekleştirilmiş olacaktır. Bu çalışmada amaç, Yanıt Yüzey Metodolojisi ile ön işlem koşullarının optimizasyonundan sonra Saccharomyces cerevisiae (genellikle ekmek mayası olarak bilinir) ile pamuk sapı ve ayçiçeği sapından etanol üretim potansiyelini belirlemektir. İlk olarak, seçilen atıkların karakterizasyon çalışmaları yapılmış ve biyoyakıt üretimine uygun içeriğe sahip olup olmadıklarına karar verilmiştir. Daha sonra, atıklardan indirgen şeker geri kazanımını artırmak için en uygun koşullar Yanıt Yüzey Metodolojisi ile bulunmuştur. En uygun koşullar bulunduktan sonra fermantasyon deneylerinde ön işlemden oluşan hidrolizat (sıvı kısım) kullanıldı. Ön hazırlık koşulları tüm biyokütle türleri için çok önemlidir ve mayalanabilir şeker içeriğini arttırmak için bir anahtar işlevi görmektedir. Ön arıtma koşullarının seçilen lignoselülozik atıklardan maksimum şeker verimi üzerindeki etkisini optimize etmek için Merkezi Kompozit Tasarım kullanılmıştır. Bu amaçla Minitab 16 istatistik yazılımı ile toplam 20 deney planlandı; burada hem pamuk samanı hem de ayçiçeği samanı için asit konsantrasyonu, ön işlem sıcaklığı ve bekletmee süresi olarak üç bağımsız değişken seçildi. Yanıt değişkeni ise toplam şekerdi. İndirgen şeker geri kazanımı için elde edilen optimum koşullar pamuk samanı için; sıcaklık: 140 oC, asit konsantrasyonu: %1.88 (h / h) ve süre: 37 dakika, ayçiçeği samanı için; sıcaklık: 100 oC, asit konsantrasyonu: %3 (h / h) ve süre: 35 dakika olarak bulundu. Ayçiçeği samanı ve pamuk samanı için bu optimum ön işlem koşullarında sırasıyla maksimum 20 g/L ve 17.5 g/L şeker konsantrasyonu elde edilmiştir. En uygun koşullar bulunduktan sonra fermantasyon deneylerinde ön işlemden oluşan hidrolizat kullanıldı. Maksimum fermantasyon etkinliği için gereken pH ve sıcaklık değerleri, sentetik ortam kullanılarak yapılan deneyler sonucunda kararlaştırılmış ve bu koşullarda hidrolizatlar kullanılarak yapılan fermantasyon çalışmaları tamamlanmıştır. Fermantasyon, 4 L fermantör içinde 3.5 L'lik bir çalışma hacminde gerçekleştirildi. PH ve sıcaklık, sırasıyla 4.5 ± 0.5 ve 35 oC'de tüm fermantasyon süresince sabit tutuldu. Belirli zaman aralıklarında örnekler alınarak etanol içerikleri ölçülmüştür. Biyoetanol üretimi ve şeker tüketim oranları belirlenmiştir. Çalışmanın sonunda, pamuk sapı ve ayçiçeği sapı için bulunan maksimum etanol konsantrasyonu, etanol verimi ve etanol üretim oranı değerleri sırasıyla 18.94 g/L, 0.48 g/g, 0.12 g/L/s ve 16.68 g/L, 0.48 g/g, 0.11 g/L/s olmuştur. Çalışmanın sonuçları sürdürülebilir enerji ve çevre kapsamında tarım zengini olan ülkemizin enerji konusundaki dışa bağımlılığını çözmek açısından geleceğe ışık tutar niteliktedir.

Nowadays, research on the renewable fuel production and usage intensified because of global warming, climate change, inefficiency of oil reserves, increased oil prices and greenhouse gas emissions caused by fossil fuels. With the population continuing to grow exponentially, it is estimated that not only food but also limited resources in the world will be suppressed. According to the researchers, fossil fuel reserves are rapidly decreasing and it is stated that oil and natural gas have a life span of about 50 years. The total oil reserve of the world are around 1.5 trillion barrels, which corresponds to approximately 51 years of consumption. The world natural gas reserve is set at 167 trillion m3 at the end of 2020, which is adequate to cover global production for a period of approximately 50 years. All of these challenges push us to find new sources of renewable and sustainable energy. In this context, the first source that comes to mind as a sustainable energy source is biomass energy. The most important alternative sources of energy are biomass energy, liquid, solid or gaseous forms such as ethanol, butanol, methanol, hydrogen, biodiesel produced from various plants and organic wastes. In present, it is known that plants like sugarbeet and wheat are used for biofuel production. First generation (1G) biofuels are mainly derived from nutrition crops but it is not preferred no more because of competing with food chain and using agricultural land. Therefore, interest in the development of biofuel from agro-industrial biomass production has increased. Second generation biofuels are formed by the processing of biomass formed as a result of the agricultural industry. During agricultural activities, a high amount of agricultural waste such as cobs, husks, leaves, stalks, straw, etc. is generated after harvesting of main crops which are named as lignocellulosic wastes. Third generation biofuels derived from algae. One of the recently trending biofuel production technologies is fourth generation biofuel. In this method, energy production is realized through photobiological solar fuels and electrofuels. Bioethanol can be used as additive for fuels and their usage reduce CO2 emissions. CO2 is converted into organic mass by using solar energy, and biofuel is obtained from this organic biomass. So, when second generation biofuels used in transportation, the net CO2 emissions into the atmosphere is reduced. Ethanol is formed by the fermentation of yeasts. Through fermentation, yeast can convert single sugar directly to bioethanol. However, in order for raw materials such as lignocellulose to be converted to ethanol, it must be converted to fermentable sugar by some processes. Pretreatment and hydrolysis are general processes used before production of ethanol from lignocellulosic wastes. For transformation of lignocellulosic biomass into fermentable sugars special pretreatment processes are required. Pretreatment methods are classified into 4 as mechanical, chemical, physico-chemical and biological. Most used pretreatment method physical also named as mechanical pretreatment includes size reduction operations such as milling, shredding. Chemical treatment can be done by methods such as concentrate or dilute acid or base usage, wet oxidation, ozonation. In physico-chemical methods, hot water application, steam blasting and autohidrolysis are applied. Rotting fungi varieties or some special microorganisms can be used in biological treatment. In current study, the purpose is to determine bioethanol production potential of cotton straw and sunlower straw with Saccharomyces cerevisiae after the optimisation of pretreatment conditions with Response Surface Methodology. First, characterization studies of selected wastes have been made and it has been decided whether they are suitable for biofuel production. Then, the most suitable conditions for increasing the reducing sugar recovery from wastes were found with Response Surface Methodology (RSM). After most suitable circumstances were found, the hydrolyzate formed by pretreatment was used in fermentation experiments. Pretratment conditions are very important for all biomass types and can be a key for increasing fermentable sugar content. For optimizing the effect of pretreatment conditions on maximum sugar yield from selected lignocellulosic wastes Central Composite Design was applied. For this purpose, a total of 20 experiments were planned by Minitab 16 statistics software, in which three independent variables were selected as acid concentration, temperature and retention time for both cotton and sunflower straw, and the response variable was total sugar. The optimum conditions obtained for maximum reduced sugar recovery were for cotton straw; temperature: 140 oC, acid concentration: 1.88% (v/v) and time: 37 minutes, for sunflower straw; temperature: 100 oC, acid concentration: 3% (v/v) and time: 35 minutes. Maximum sugar concentration of 20 g/L and 17.5 g/L at these optimum pretreatment conditions for sunflower straw and cotton straw, respectively, were achieved. After the most suitable conditions were found, the hydrolyzate formed by pretreatment was used in fermentation experiments. The pH and temperature values required for maximum fermentation efficiency were decided as a result of experiments using synthetic medium and fermentation studies using hydrolyzates were completed in these conditions. Fermentation was carried out in the 4L fermenter with a working volume of 3.5 L. The pH and temperature were maintained at 4.5±0.5 and 35 oC, respectively. Samples were taken at certain time intervals. Bioethanol production and sugar consumption rates are determined. At the end of study, the maximum ethanol concentration , ethanol yield and ethanol productivity of 18.94 g/L , 0.48 g/g and 0.12 g/L/h for cotton straw and 16.68 g/L , 0.48 g/g and 0.11 g/L/h for sunflower straw were achieved, respectively.