Ethanel fermentation with simultaneous product separation in a bioreactor-stripper system
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 1997
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: SİBEL SAİN
Danışman: CANAN ÖZGEN
Özet:oz BİRLEŞİK BİYOREAKTÖR-SIYIRMA KOLONU SİSTEMİNDE ETANOL FERMENTASYONU VE AYRILMASI Sain, Sibel Doktora, Kimya Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Canan ÖZGEN Ortak Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Türker GÜRKAN Mart 1997, 266 sayfa Yakıt kalitesindeki etanolu fermentasyonla ucuz olarak üretebilmek günden güne önem kazanmaktadır. Bu çalışmada fermentasyonu içeren yeni bir proses geliştirilerek fermentasyondan sonra uygulanacak gazla sıyırma yöntemi ile etanolu sistemden ayırarak, etanolun üretim hızının arttırılması amaçlanmıştır. Etanol üretiminde, kullanılan besi, üretilen etanol ve yan-ürünlerin inhibisyon (engelleme) etkilerinden kaynaklanan bir çok zorluklar bulunmaktadır. İnhibisyon reaksiyon hızım ve hücrelerin büyüme hızım düşürmektedir. Ancak, inhibisyona neden olan ürünler fermentasyon ortamından uzaklaştınlırlarsa, reaksiyon hıza arzu edilen düzeyde tutulabilmekte ve hücrelerin canlılığı korunabilmektedir. Geliştirilen proseste, Ca-aljinat ile immobilize edilmiş (tutuklanmış) maya, Saccharomyces cerevisae, akışkan yataklı bir reaktörde fermentasyon için kullanılmıştır. Daha sonra, üretilen etanolun mayayı inhibe etmesini engellemek için viy fermentör çıkışında, dolgulu bir kolonda, karşı-akımlı hava akışı ile etanol sıyrılmaktadır. İkincil yan-ürünlerin inhibisyonu ise dolgulu sıyırma kolonu çıkışında sızdırma yapılarak engellenmektedir. Sıyırma kolonunun sıvı çıkışı, şekerin etanole dönüşümünü arttırarak atık miktarım minimuma indirebilmek amacıyla fermentöre geri döndürülmektedir. Sıyırma kolonunun etanol içeren gaz çıkışı yoğuşturulmakta ve bir sonraki adımda pervaporasyon ile saflaştırılması planlanmaktadır. Ön çalışmalarda, fermentördeki yatak yüksekliği, akışkanlaştırma hızı, sıyırma gazının akış hızı ve sıyırma sıcaklığı gibi bazı tasarım ve işletim parametrelerinin optimizasyonu için fermentasyon ve sıyırma deneyleri ayrı ayn yapılmıştır. Fermentasyon ve sıyırma çalışmalarına bağlı olarak bu değerler sırasıyla 15 cm, 105 ml/dak, 15 1/dak ve 35°C'ye ayarlanmışlardır. Çalışmanın ikinci aşamasında, birleşik proseste, ikincil yan ürünler ve onların inhibisyon seviyeleri dikkate alınarak taze besideki şeker derişiminin, sızdırmanın ve sızdırma hızının etanolun üretim verimliliği üzerindeki etkileri çalışılmıştır. Prosesten dışarı sızdırma yapılmadığında üretim verimliliğinde belirgin bir düşme gözlenmektedir. Taze besideki şeker derişiminin artmasıyla üretim verimliliği de artmakta ve en yüksek değeri (32.7 g/l.sa) 400 g/l olan en yüksek taze besi şeker derişiminde ve 23.3 ml/sa sızdırma hızında elde edilmiştir. İkincil yan ürünlerden asetik asit, formik asit, asetaldehit ve gliserolün deneyler süresince izlenmesi sonucunda gliserol inhibisyonunun sızdırma hızının kuvvetli bir fonksiyonu olduğu ve asetik asit inhibisyonunun ise sıyırma kolonunun sıvı girişinin akış hızının bir fonksiyonu olduğu bulunmuştur. Asetik asit inhibisyonu sıyırma kolonuna giren sıvının akış hızı 105 ml/dak'ya ayarlanarak ortadan kaldırılırken, gliserol inhibisyonu 25-35 ml/sa sızdırma hızında engellenmektedir. Gazla sıyırma yapıldığı takdirde, düşük buharlaşma basıncına bağlı olarak asetaldehit inhibisyonu olmamaktadır. Deneyler süresince formik asit üretimi tespit edilememiştir. Modelleme çalışmalarında, fermentayon (Fortran temelinde) ve sıyırma (ASPEN PLUS kullanılarak) bölümleri için ayn ayn elde edilen modeller bütün sistem için vubirleştirilmiştir. Sentezlenen prosesin modelinin geçerliliği deneysel çalışmaların verileri kullanılarak kontrol edilmiştir. Model kullanılarak yapılan parametrik çalışmalar, maya miktarı arttığında, fermentör çıkışındaki etanol derişimi hemen hemen aynı kalırken şeker derişiminin doğrusal olarak düştüğünü göstermiştir. Sistem etanol ve şekerin suya olan diflüzyon katsayılarındaki değişmelere bir hassasiyet göstermediği halde, şekerin Ca-aljinat jele olan diffiizyon katsayısındaki değişmeye karşı oldukça hassastır. Akışkanlaştırma hızının ise sistemin performansı üzerinde hemen hiç etkisinin olmadığı ve değişik sızdırma hızlarında kütle dengesi için sıyırma kolonuna beslenen hava debisinin ayarlanmasının daha uygun olduğu bulunmuştur. Anahtar Kelimeler: Fermentasyon, Etanol, Saccharomyces cerevisiae, İmmobilizasyon (tutuklama), Yan-ürün, İnhibisyon (engelleme), Akışkan Yatak. vııı