Biyoetanol Ön Arıtma ve Hidroliz Süreçleri

Sponsorlu Bağlantılar

Biyoetanol sisteminde bulunan ön arıtma ve hidroliz süreçleriyle ilgili bilgi edinmek isteyenler için hazırladığımız makalemizde sizlere tüm süreçleri tek tek detaylı olarak anlatacağız. Eğitim alanında bilgi ihtiyacı olarak Biyoetanol konusunu inceleyenler içinde oldukça faydalı bir içerik olacaktır. Ön arıtma ve hidroliz süreçleri en çok araştırılmakta olan Biyoetanol bilgisine sahip olunmak istenen konuların başında gelmektedir.

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.

Biyoetanol Üretiminde Ön arıtma ve Hidroliz SüreçleriÖn 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.