Energy And Biomass Production Using Yarrowia Lipolytica From Sanitary Landfill Leachate

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016Artan enerji ihtiyaçlarını karşılayabilecek için petrole alternatif enerji kaynakları aranmaktadır. Dünyadaki birincil enerji rezervlerinin yaklaşık olarak %80’ini fosil yakıtlar oluşturmaktadır ve çeşitli kurumlar tarafından bu değerin 2035 yılında % 63’e kadar düşebileceği belirtilmektedir. Aynı zamanda, petrol, kömür, doğalgaz gibi fosil yakıtların global tüketimi, endüstrileşmiş dünyanın kirlilik problemlerini arttırmaktadır. Gazolin ve dizel gibi petrol türevi yakıtların egzoz gazları, asit yağmurları, iklim değişikliği, sera gazı emisyonlarında artış gibi olumsuz çevresel sonuçlara neden olmaktadır. Diğer bir taraftan, atıklar dünya genelinde çevresel problem olarak düşünülmeye başlanmıştır. İçinde bulunduğumuz yüzyılda gerçekleşen hızlı sanayileşme ve beraberinde artan kirlilik yüklerinin ekosistemde birikmesi nedeni ile atık arıtımı giderek önem kazanması gereken bir konu haline gelmektedir. Ekonomik etkenler göz önünde bulundurulacak olursa, atık geri kazanımı daha yaygın bir şekilde uygulamaya geçilmesi gereken bir konu olmalıdır. Aynı zamanda, atıktan enerji üretimi sağlayacak entegre sistemler üzerinde çalışılmasına ağırlık verilmelidir. Günümüzde, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde araştırma ve geliştirme çalışmaları için önemli bütçelerin ayrıldığı güneş, rüzgar ve biyokütle gibi yenilenebilir enerji kaynakları temelli yakıtlar için akademisyenler; fosil yakıtlara alternatif olabilecek ve global düzeyde artan enerji taleplerini sürdürülebilir olarak karşılayabilecek alternatif kaynaklar olarak ciddiyetle ele alınması ve geliştirilmesi gerektiği yönünde görüş bildirmektedirler. Biyokütle, biyolojik uygulamalar sonucunda etanol, metanol, metan, hidrojen ve dizel gibi geleceğin yakıtı olarak nitelendirilen yakıtlara dönüştürülebilmektedir. . Biyokütle kaynaklarının kullanılarak elde edilen 3 tip (katı, sıvı, gaz) biyoyakıt vardır. Bugün yapılan Ar-Ge çalışmaları biyoetanol ve biyodizel üretimi üzerine odaklanmıştır. Biyoetanol şeker fermentasyonu sonucu elde edilirken diğer biyoyakıt türleri lipitlerden elde edilmektedir. Biyodizel, petrol türevi yakıt olan dizel ile benzer özelliklere sahip olması sayesinde çeşitli mevcut dizel motorlarında ve ısıtma sistemlerinde kullanılma potansiyeli yüksek bir biyoyakıttır. Aynı zamanda biyodizel, atmosferik karbon dioksit seviyesini arttırıcı etkisi olmayan bir yakıt türüdür ve küresel iklim değişikliğine katkıda bulunmadığı için çevre dostu bir yakıt olarak kabul edilebilir. Temiz teknoloji ürünü olmasından dolayı ayrışabilen, toksik olmayan sürdürülebilir bir enerji alternatifi olarak düşünülebilir. Bunlardan dolayı, biyodizel üretimi araştırmacıların dikkatini çekmektedir.1.nesil biyodizel, kanola, ayçiçeği ve soya fasülyesi gibi yenilebilir bitki yağları kullanılarak üretilmiştir. Son yıllardaki gıda fiyatlarındaki artış ve bazı ülkelerdeki büyük tarımsal alanların biyodizel üretimi için hammadde endüstrisine dönüşmesi nedenleri ile hammadde olarak yenilebilir bitkilerin kullanımına karşı tepkiler oluşmuştur. Bu tepkiler nedeni ile jojoba ve jatrofa gibi yenilemeyen bitki yağlardan 2.nesil biyodizel üretilmiştir. Yenilemeyen bitkilerin yetiştirilmesi sürdürülebilirlik açısından sorun oluşturmaktadır ve global enerji ihtiyaçlarını karşılamaya yetmeyeceği belirtilmiştir. Günümüzde, mikrobiyal lipofil -yağ sever- bileşimler kullanılarak üretilen 3.nesil biyodizel üzerine yapılan çalışmalar gelişim aşamasındadır. Bu mikrobiyal lipofil bileşimler, Tek Hücre Yağları (THY) olarak adlandırılmaktadır; bazı yağlı alg, bakteri, mantar ve maya türleri THY olarak kabul edilir. THY, intraselüler olarak yüksek miktarda yağ depolayabilen, en azından kuru ağırlıklarının %20’sı yağdan oluşan yağlı mikroorganizmalar olarak düşünülebilirler. Y.lipolytica karbon fazlalığı ve azot, fosfor veya demir gibi nütrientlerin kısıtlandığı stres koşulları altında, çok miktarda mikrobiyal hücre içinde Yağ Damlacıkları (YD) oluşturmaktadır. Pratikte, medyada kolaylıkla kontrol edilebilir olması sayesinde yaygın olarak kullanılan kısıtlayıcı nütrient azottur. YD, ağırlıklı olarak trigliseridlerden ve steril esterlerden meydana gelen hücre içi nötral yağ depolarıdır. Biyodizel, mikroorganizmalardaki depolama lipitleri olan YD’in yağ asitlerinde bulunan trigliseridlerin, etanol veya metanol gibi alkoller yardımı ile transesterifikasyonu sonucu üretilirler. Biyodizel, Yağ asidi Metil Ester (FAME) olarak da adlandırılabilmektedir. Üretilen lipitin yağ asiti miktarı ve özellikleri biyodizelin kalitesini etkilemektedir. Özellikle karbon zinciri uzunluğu ve yapısındaki çift bağlar daha iyi kalite sağlanmaktadır. 12 ve üzeri karbon içeriği biyodizelin kristal oluşturma sıcaklığını arttırmaktadır. Yağlı bir maya türü olan Yarrowia lipolytica’dan izole edilen YD’in yağ asidi kompozisyonu; oleik asit (C18:1), palmitik asit (C16:0), palmitoleik asit (C16:1), stearik asit (C18:0) ve linoleik asit (C18:2)den oluşmaktadır. Biyodizel üretim proseslerindeki maliyetin büyük kısmını hammadde oluşturmaktadır. Ülkemizde bu sektör duraklamış durumdadır. Üreticiler, ÖTV uygulamasının getirilmesi ile, biyodizel üretimin proseslerinin maliyeti kurtarmadığını belirtilmişlerdir. Ülkemizde ticari amaçlı biyokütle eldesi için işletilen maya üretim tesisi mevcut değildir. Laboratuvar ölçekli biyoreaktör reaktör denemeleri sonucundagöre büyük ölçekli bir tesisin kurulumu için taban teşkil edecek tasarım verileri belirlenmeye çalışılmıştır. Bu çalışma ile, biyokütle olan Y. lipolytica maya türünün hammadde ihtiyacı atık akımından karşılanarak üretim maliyetleri azaltılmaya çalışılmıştır ve ticari amaçlı maya üretimi optimize edilmeye çalışılmış ve özel sektör yatırımına katkı sağlamak amaçlanmıştır. Mevcut teknolojiler ile arıtımında güçlük yaşanan sızıntı suyu beslemesi ile heterotrofik ortamda büyüme gösteren yağlı maya Y. lipolytica’nın MUCL 28849 suşunun çoğalma verimi ve lipit üretim kapasitesi optimize edilmesi amaçlanmıştır. Biyodizel eldesi için mikrobiyal lipit üretiminin ekonomik değerlerini ticarileştirmeye uygun hale getirmek adına gerekli optimizasyon çalışmaları yürütülmüştür. Biyokütle çoğalması 680 nm’de spektrofotometrik optik yoğunluk ölçülerek gözlenmiştir. Ayrıca, biyokütlenin ikiye katlanma süresi hesaplanmıştır. Biyokütlenin optik yoğunluğu ile askıda katı madde konsantrasyonu lineer olarak kalibre edilmiştir. Sızıntı suyunun farklı derişim oranlarındaki Y. lipolytica çoğalması sonucu nütrient giderim verimleri standart metotlara göre yapılan toplam kjeldahl azotu, amonyok azotu, ortofosfat, toplam fosfat ve kimyasal oksijen ihtiyacı deneyleri sonucunda belirlenmiştir. Elde edilen biyokütlenin lipit, protein, karbonhidrat ve yağ asidi metil ester kompozisyon analizleri yapılmıştır. Biyokütle eldesinde artış sağlamak için kültür ortamına dışarıdan fosfor kaynağı eklemesi yapılmıştır. Hüçre içi yağ miktarını arttırmak için ise dışarıdan karbon kaynağı eklemesi yapılarak biyokütleye azot limitasyonu ile stres koşulu sağlanmaya çalışılmıştır. Bu kapsamda atıktan biyoenerji üretimi yaklaşımı ile entegre bir sistem oluşturularak enerji üretimi hedeflenmiştir. Yapılan çalışmaların sonuçlarına göre artan sızıntı suyu derişimi ile birlikte kültürlerdeki biyokütle çoğalmasının aazaldığı gözlemlenmiştir. Optimum biyokütle çoğalması sızıntı suyunun %60 derişiminde yaklaşık olarak 4,35 g/L konsantrasyonunda gözlemlenmiştir. Optimum derişimdeki sızıntı suyuna dışarıdan fosfor kaynağı eklemesi yapılarak biyokütle çoğaltımının artırılması hedeflenmiştir. %60+P derişiminde sızıntı suyunda biyokütle konsantrasyonunun yaklaşık olarak 8 g/L’ye ulaştığı ölçülmüştür. Kültür ortamının karbon-azot oranı 1 ilen karbon kaynağı eklemesi ile bu değer yaklaşık olarak 30’a çıkartılmıştır. Stres koşullarında biyokütle büyümesinin stasyoner fazda olması beklenmektedir. Ancak stres koşulları sağlanan %60+C ve %100+C sızıntı suyu kültür ortamlarında biyokütlede büyüme fazı görülmüştür. Bu durum, uygulanan karbon-azot oranının yeterli olmadığını göstermektedir. Biyokütlenin mineral eklemesi yapılmış olan YPD medyasındaki lipit içeriği %26±0.2 olarak hesaplanmıştır. %60 derişimindeki sızıntı suyu kültür ortamının lipit içeriği YPD medyasındaki lipit içeriği ile yaklaşık olarak aynıdır. Ancak, stres koşulları sağlanan ve daha yüksek lipit içeriğine sahip olması beklenen %60+C ve %100+C sızıntı suyu kültür ortamlarındaki lipit içeriği de YPD medyasındaki lipit içeriği ile yaklaşık olarak aynıdır. Bu durum, stres koşullarının biyokütlenin lipit depolama kapasitesini arttırmayı başaramadığını göstermektedir. Transesterifikasyon prosesi uygulanmış ve artından gaz kromatografi yöntemi ile biyokütlenin yağ asidi metil esterleri kompozisyonu hesaplanmıştır.Buna göre, biyokütlede çoğunlukla gözlenen yağ asidi metil esterleri yaklaşık olarak %45 oranında palmitik asit (C16:0), oleik asit (C18:1) ve linoleik asittir. Gözlenen bu yağ asidi metil esterleri biyodizel üretimi için uygunluk teşkil eden yağ asidi metil esterleridir. Standart metotlara göre, sızıntı suyunun nütrient arıtım verimleri hesaplanmıştır. Maksimum TP giderimi %98 ile% 60+P derişimindeki sızıntı suyunda, maximum PO4-P giderimi %96 ile 100%+P derişimindeki sızıntı suyunda, maksimum KOİ giderimi %85 ile %60+P derişimindeki sızıntı suyunda, maksimum TKN giderim verimi %75 ile %60+P, maksimum NH4-N giderim verimi %76 ile %60+C derişimindeki sızıntı suyunda gözlemlenmiştir. Giderim verimleri sızıntı suyu arıtımını istenilen şekilde sağlandığını göstrmektedir. Kültür ortamlarının partikül boyut dağılımı ölçülmüştür. Kültürlendirme sonrası sızıntı suyu çıkış akımındaki partikül boyutu, sızıntı suyu giriş akımındaki partikül boyutundan daha büyüktür. Bu durum biyokütlenin kolonileşme eğiliminde olduğunun göstergesi olarak düşünülebilir. Bu çalışma sızıntı suyunda ilk defa Y. lipolytica çoğaltılması denemesidir. Bu açıdan, gelecek icin umut vaad eden sonuçları sayesinde temel teşkil edeceği düşünülen bir çalışma olmuştur. Stres koşulları optimizasyonu başarıya ulaşamamıştır. Stres koşulları optimize çalışmaları ile gelecekte biyokütlenin lipit içeriği arttırılır ise Y. lipolytica ile biyodizel üretimi için büyük bir adım atılmış olacaktır.Approximately 80% of world’s energy needs is supplied by fossil fuels. Since the deplation of fossil fuels, climate change, rapid industrialization, increase in waste management requirement, it is urgent to develop alternative sustainable energy systems. For this reason, Yarrowia lipolytica, a kind of oleaginous yeast, have received attention to become an alternative. Y. lipolytica has high lipid accumulation capacity intracellularly. To provide cheap way for nutrients provision for Y. lipolytica, a nutritionally rich wastestream should be used as raw material. Sanitary landfill leachate can be an alternative for the cultivation of Y. lipolytica. It is not only waste valorization but also alternative energy generation. Within the scope of this approach, growth of Y. lipolytica in different dilution rates of sanitary landfill leachate was carried out. All dilutions were made with tap water. In this study, in YPD medium with minerals resulted in 14,83 g/L biomass concentration. Biomass concentrations at the end of cultivations with leachate were lower than cultures grown in YPD medium. The optimum biomass growth was observed with the cultivation of 60% LL as 4,34 g/L. 60% concentration of leachate was the most available cultivation for Y. lipolytica. After addition of external P to the leachate cultivation, the growth of biomass increased. In 60%+P LL cultivation, biomass concentration reached to nearly 8 g/L. To improve lipid accumulation intracellularly, nitrogen limitation condition was provided by the addition of carbon source. Applied C:N ratio was 20-30. The removal efficiencies of leachate treatment was determined. The maximum TP removal was observed in 60%+P leachate nearly as 98%. The maximum PO4-P removal was observed in 100%+P leachtae nearly as 96%. Secondly, PO4-P removal was observed in 60%+P leachate nearly as 95%. The maximum COD removal efficiency was observed in 60%+P leachate nearly as 85%. The maximum TKN removal efficiency was observed in 60%+P leachate neraly as 75%. The maximum ammonium removal efficiency was observed in 60%+C leachate nearly as 76%. Secondly, ammonium removal efficiency was observed in 60% leachate nearly as 61%. Particle size distribution from the effluent of cultivation medium was done. It was shown that the particle size became bigger at the end of the cultivation. It should be due to colony forming ability of Y. lipolytica. In stress conditions to maximize lipid accumulation, biomass growth should be at stationary phase. Thus, growth should not be observed anymore. The growth of Y. lipolytica under stress conditions with 60%+C and 100%+C LL were still observed. The lipid content of Y. lipolytica that was grown in YPDxM was around 26±0.2 %. The lipid content of 60% LL was similar to the lipit content of YPDwM. In 60%+C LL and 100%+C LL cultivations, lipid percentage was not higher than 60% LL and 100% LL cultivations. Since there was not succesful stress conditions proving the addition of C source with cultivation of Y. lipolytica, lipid accumulation intracellularly was not be increased. Adjustment of C:N ratio of leachate from 1-2 to 20-30 was not enough to prove stress conditions for Y. lipolytica. The FAME composition obtained from biomass of the different mediums were calculated. It was observed that most of the FAME were Palmitic acid (C16:0), Oleic acid (C18:1) and Linoleic acid (C18:2) as around 45%. FAME composition with cultivations was suitable for biodiesel protuction.Yüksek LisansM.Sc