Biodesulfurization of fossil fuels by sulfolobus solfataricus P2
Fosil yakıtların sulfolobus solfatarıcus P2 ile biyodesülfürizasyonu
- Tez No: 332976
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. GİZEM DİNLER DOĞANAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Günümüzde petrol ve kömür gibi fosil yakıtlar oldukça geniş kulanım alanlarına sahiptir. Fosil yakıt kullanımına dayalı olarak enerji üreten termik santraller, endüstriyel faaliyetler, ısınma amaçlı kullanılan fosil yakıtlar SOx, NOx ve hidrokarbon bileşiklerinin salınımına neden olmaktadır. Bu bileşikler atmosferde taşınarak çeşitli kimyasal reaksiyonlara girer ve sülfürik asit (H2SO4) ve nitrik asit (HNO3) bileşiklerinin oluşumuna neden olurlar. Bu asit bileşikleri yağmur sularıyla birleşerek asit yağmuru şeklinde yeryüzüne ulaşır. Asit yağmurları toprak ve göl sularının asidik hale gelmesine neden olarak bu ekosistemler üzerinde olumsuz etki göstermektedir. En yaygın atmosfere salınan bileşik kükürt dioksit (SO2) gazıdır ve salınımının yaklaşık olarak %80'i fosil yakıtların yanmasından kaynaklanmaktadır. Fosil yakıtlarda kükürt, organik ve inorganik formlarda bulunmaktadır. İnorganik kükürt bileşikleri sülfit veya sülfat halinde bulunurken, organik kükürt bileşikleri tiyofenler, merkaptanlar, tiyoeterler, ditiyoeterler ve dibenzotiyofenler olarak bulunurlar. Bu tür bağlı kükürdü gidermek için çeşitli fiziksel veya kimyasal işlemler gerekir. İnorganik kükürt fiziksel yöntemlerle giderilebilmesine karşın organik kükürdün uzaklaştırılması oldukça zordur ve fiziksel yöntemler bu konuda yetersizkalmaktadır. Günümüzde bu amaçla kimyasal yöntemler (hidrodesülfürizasyon (HDS), kimyasal oksidasyon vb.) yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Ancak yüksek sıcaklık ve basınç gerektiren bu işlemler (örn: HDS için 300oC sıcaklık ve 107 Pa basınç) hem yüksek maliyetli hem de istenmeyen zararlı yan ürünlerin oluşmasına neden olduğundan daha ekonomik ve verimli bir yöntem olan mikrobiyal desulfürizasyon çalışmaları hız kazanmıştır.Mikroorganizmaların veya enzimlerin kullanıldığı mikrobiyal desülfürizasyon işlemi, termokimyasal yöntemlere göre daha düşük sıcaklık ve basınçta gerçekleşmesi ve çok yüksek reaksiyon spesifitesine sahip olması bakımından oldukça etkili bir alternatif olarak görülmektedir. Biyodesülfürizasyon (BDS) çalışmalarında model olarak heterosiklik kükürt bileşikleri, özellikle desülfürizasyonu çok zor olan dibenzotiyofen (DBT) ve alkillenmiş dibenzotiyonfenler (Cx-DBT), kullanılmaktadır (Matsui ve diğerleri). Mikroorganizmalar bu bileşikleri çeşitli metabolik yollarla kullanmaktadır. Bunlar bileşiklerin kısmen oksidize edildiği ve suda çözünebilen ara ürünlerin oluştuğu ya da C-S bağının hedef alındığı metabolik yollardır. Bunlardan en çok tercih edileni yakıtın termal değerinde azalmaya neden olmayan C-S bağ kırılması yolu dolayısıyla bu bağa spesifik mikroorganizmaların kullanımıdır. 4S yolağı olarak bilinen DBT'nin kükürt-spesifik bağ kırılması ile sonuçlanan reaksiyonda son ürün olarak kükürtsüz bileşik 2-hydroxybiphenyl (HBP) ve sülfit/ sülfat oluşmaktadır. DBT biyodesülfürizasyonu yapabilen ve 4S metabolik yolunu kullanan mikroorganizmalara örnek olarak; mezofilik bakteriler: Rhodococcus sp. IGTS8; Rhodococcus erythropolis H-2; Corynebacterium sp.; Bacillus subtilis WU-S2B ve termofilik olarak Mycobacterium pheli WU-F1 verilebilir. Bu bakteriler DBT desülfürizasyonundan sorumlu dszABC operonu ve dszD genlerini bulundurular. Her bir gen ürünü 4S yolağında spesifik bir role sahiptir: DszC bir flavomonooksijenaz olup DBT'nin DBT-sülfon'a oksidasyonundan sorumludur. Bu reaksiyon bir diğer flavomonooksijenaz olan DszA ile 2-HBP-sülfinat bileşiğine dönüştürülür. Son olarak DszB proteini ile sülfinat grubu 2-HBP-sülfinat bileşiğinden uzaklaştırılarak son ürün 2-HBP olarak ortama verilir. Bir oksidareduktaz olan DszD ise DszC ve DszA proteinlerinin aktivitelerine etki eder.Bahsedilen desülfürizasyon genlerine ek olarak termofilik bakterilerde bulunan ve ilk olarak Paenibacillus sp. A11-2'ten izole edilen tdsABC genleri dszABC genleri ile sırasıyla 73%, 61% ve 52% homoloji göstermektedir. Mezofilik ve termofilik mikroorganizmaların DBT desülfürizasyon aktiviteleri sırasıyla 30oC ve 50oC civarı sıcaklık değerlerinde en yüksek değere sahip olması nedeniyle hidrodesülfürizasyon sonrası kükürt giderimi için kullanıldıklarında ekstra bir soğutma işlemi gerekmektedir. Bu nedenle, hipertermofilik mikrobiyal desülfürizasyonun kullanılması soğutma işleminden tasarruf edilmesinin yanı sıra ham petrolün vizkozitesini düşürerek biyodesülfürizasyon işlemini kolaylaştırmaktadır.Hipertermofiller genellikle volkanik bölgelerden izole edilmekte ve çoğunlukla 60oC üzeri sıcaklıklarda etkin büyüme gösteren mikroorganizmalardır. Hipertermoasidofilik bir arkea olan Sulfolobus solfataricus P2, 80-85°C arası sıcaklıkta ve pH 2-4 aralığında optimum büyüme koşulları gösteren ekstrem bir mikroorganizmadır.Bu çalışmada çeşitli organik ve inorganik kükürt bileşiklerinin Sulfolobus solfataricus P2 büyümesi üzerine etkileri ve kullanılma düzeyleri belirlenmiştir. Bu amaçla kükürtsüz ve karbon kaynağının glikoz olarak belirlendiği besiyeri ortamı geliştirilmiştir. Ayrıca bu organizmanın DBT desülfürizasyonunda hangi yolağı kullandığı ve bu yolakta sorumlu olan genler belirlenmeye çalışılmıştır.SFM besiyerinde tek sınırlayıcı faktör olarak kükürt kaynakları kullanılmıştır. Bu amaçla en etkili kükürtsüz büyüme koşulları optimize edilmiştir. Uygun karbon kaynağının belirlenmesi amacıyla son konsantrasyonları 2 g.L-1 olacak şekilde arabinoz, glikoz, mannitol ve etanol kullanılmıştır. En etkili karbon kaynağının glikoz olarak belirlenmesinin ardından glikozun 2, 5, 10, 15 and 20 g L-1 konsantrasyonları kullanılarak optimum glikoz konsantrasyonu belirlenmiştir. Hücre kültürü işlemleri 78oC sıcaklıkta, 160-rpm'de ve 250 ml'lik erlen içerisinde 100 ml besiyeri olacak şekilde yakalaşık olarak 300-350 saat sürdürülmüştür. SFM besiyerinde tek sınırlayıcı faktör olarak kükürt kaynakları kullanılmıştır. Bu amaçla en etkili kükürtsüz büyüme koşulları optimize edilmeye çalışılmıştır. Uygun karbon kaynağının belirlenmesi amacıyla 2 g.L-1 olacak şekilde arabinoz, glikoz, mannitol ve etanol kullanılmıştır. En etkili karbon kaynağının glikoz olarak belirlenmesinin ardından optimal konsantrasyonu bulunmuştur. Hücre konsantrasyonları spektrofotometrik, hücre sayımı ve hücre kuru ağırlığı ölçülerek hesaplanmıştır.Arkeal büyüme üzerine kükürt kaynaklarının etkisini belirlemek amacıyla çeşitli organik ve inorganik kükürt bileşikleri kullanılmış ve bunlara ait büyüme eğrileri elde edilmiştir. Organik kükürt olarak DBT, DBT-sülfon, 4,6-dimetildibenzotiyofen ve benzotiyofen (BT), inorganik kükürt kaynağı olarak elemental kükürt, sodyum sülfit, sodyum sülfat, potasyum persülfat ve potasyum disülfit 0,3 mM konsantrasyonda ve SFM besiyerinde kullanılmıştır. Kükürt kaynaklarının büyüme üzerine etkilerini karşılaştırmak için mikroorganizmalar aynı konsantrasyonda glikoz içeren SFM besiyerinde büyütülmüştür. DBT desülfürizasyon deneyleri için ayrıca DBT'nin farklı konsantrasyonları minimal besiyerine uygulanmıştır. Organik kükürt tüketim miktarları ve ürün oluşumları gaz kromatografi cihazı ile ölçülmüştür. Ayrıca DBT son ürünü olan HBP ölçümü gibbs reaksiyonu ile doğrulanmıştır.Deneysel sonuçlar doğrultursunda en etkili karbon kaynağı olarak glikoz elde edilmiş ve optimum konsantrasyonu 20 g.L-1 olarak belirlenmiştir. Öte yandan, ortamda arabinoz, mannitol ve etanol varlığı hücre büyümesi üzerine önemli ölçüde etki göstermemiştir. Organik kükürt kaynaklarının hücre büyümesi üzerine olumsuz etkileri olması nedeyile bütün kükürt kaynakları ortama belirli hücre konsantrasyonuna erişildikten sonra eklenmiştir. SFM besiyerine uygulanan kükürt kaynaklarından DBT-sülfon ve 4,6-DMDBT büyüme üzerine olumlu etki göstermiş; BT eklenmesi öncelikle hücre büyümesini durdurmuş sonrasında hücre ölümüne neden olmuştur. DBT ise eklendiği andan itibaren büyümeyi durdurucu etki göstermiştir. Kükürt içermeyen besiyeri ile karşılaştırıldığında 4,6-DMDBT ile 2.5 kat, DBT sülfon ile 1.4 kat fazla maksimum hücre yoğunluğu elde edilmiştir. İnorganik kükürt eklenmesi ile hücre büyümesi 4 kata kadar artış göstermiştir. Sodyum sülfit, sodyum sülfat, potasyum persülfat ve potasyum disülfit içeren ortamlarda maksimum hücre büyümesine ulaşıldıktan sonra durağan bir faz gözlenmemiş ve ani bir hücre ölümü gözlenmiştir. Elementel kükür içeren besiyerinde ise logaritmik fazdan sonra uzun bir durağan faza geçiş elde edilmiştir.SFM besiyerinden elde edilen sonuçlar doğrultusunda daha etkili bir desülfürizasyon ve büyüme ortamının belirlenmesi amacıyla besiyerinde bir takım değişiklikler yapılarak yeni bir minimal besiyeri elde edilmiştir. %0.15 oranında maya özütü eklenmesi ve mineral kaynaklarında yapılan değişiklik ile optimal koşul elde edildiklen sonra organik kükürt bileşiklerinin desülfürizasyon miktarları ölçülmüştür. Minimal besiyeri kullanılarak DBT'nin tüketildiği gözlenmiştir. 0.1 mM DBT kullanılarak elde edilen büyüme grafiğine göre maksimum hücre yoğunluğu DBT içermeyen besiyerine göre daha fazla olmuş ve artan DBT konsantrasyonları ile maksimum hücre konsantrasyonları ters orantı göstermiştir. Sonuçlar ayrıca DBT'nin %89'unun ilk 16.5 saatte kullanıldığı ve buna karşılık gelen desülfürizasyon aktivitesinin 1.23 µmol 2-HBP sa-1 g hücre kuru ağırlığı-1 olduğu bulunmuştur. DBT ile yapılan desülfürizasyon çalışmaları sonucu son ürün olarak 2-HBP çıkışı gözlenmiş ve S. solfataricus P2'nin 4S yolağını kullanarak DBT desülfürizasyonu yapabileceği sonucu düşünülmüştür. Bu nedenle DBT desülfürizasyonunda rol alan genlerin belirlenmesi yoluna gidilmiştir. 4S yolağında rol oynayan genler (dszA, dszB, dszC ve dszD genleri) biyoinformatik çalışmalarıyla Sulfolobus sulfataricus P2 genomunda aranmıştır. Elde edilen sonuçlara göre aday bir dszD geni belirlenerek (sso2055) bu genin karakterizasyonu yapılmıştır. Öncelikle ilgili 3 boyutlu yapı I-TASSER algoritması kullanılarak modellenmiştir. Elde edilen yapı dszD proteini ile yüksek benzerlik göstermişti. İlgili gen ekspresyon vektörüne aktarılarak Escherichia coli'de ifade edilmiş ve SSO2055 proteininin purifikasyonu yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre ilgili proteinin bir NADH-FMN oksidoreduktaz olduğu belirlenmiştir. 2-HBP veriminin arttırılması amacıyla sso2055 geni maltoz promotoru içeren bir vektöre aktarıldı. Bu şekilde S. solfataricus'a aktarılan vektör vasıtasıyla olası dszD üretimi arttırlarak 2-HBP üretiminin arttırılması amaçlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Sulfur oxides emission upon fossil fuels combustion have been considered as a major cause of environmental pollution and acid rain. The conventional hydrodesulfurization (HDS) carried out with chemical catalysis at extremely high temperature (290-450oC) and pressure (1-20 mPa) is the current method for sulfur removal in fossil fuels, but it is not effective to remove heterocyclic organosulfur compounds such as dibenzothiophene (DBT) and substituted DBTs from the fuels. To overcome this problem biological desulfurization (BDS) has been proposed as an attractive alternative or complementary method regarding such heterocyclic organosulfur compounds for its low cost, mild reaction conditions and greater reaction specificity.The organism used in this study for BDS experiments is Sulfolobus solfataricus P2. The ability of the hyperthermophilic archaeon, Sulfolobus solfataricus P2, to grow on organic and inorganic sulfur sources such as dibenzothiophene (DBT), DBT-sulfone, BT, 4,6-dimethyldibenzothiophene, sodium sulfite, potassium disulfite, sodium sulfate, potassium persulfate and elemental sulfur were investigated. A sulfur free mineral medium has been employed and supplemented with different sources of carbon; glucose, arabinose, mannitol and ethanol, as well as different glucose concentrations (2, 5, 10, 15 and 20 g.L-1), to investigate the optimal sulfur free condition for the growth. Specific growth rate was increased and the length of the lag phase was markedly shortened when 20 g.L-1 glucose was employed as a sole source of carbon. Results showed that inorganic sulfur sources display a growth curve pattern significantly different from the curves obtained with organic sulfur sources. S. solfataricus P2 has an ability to utilize DBT and its derivatives, but it lacks BT utilization. When, biodesulfurization of 0.1 mM DBT was investigated in a minimal medium at 78oC, it was found that 88.5% of DBT was consumed by the microorganism and maximum desulfurization rate was obtained as 1.23 µmol 2-HBP h-1 g DCW-1 growing cells within 16.5 h. Isolation and characterization of a flavin reductase homolog gene from S. solfataricus enabled us to further study its contribution to biodesulfurization using recombinant technologies.Therefore, S. solfataricus P2 offers beneficial properties than other desulfurizing mesophilic and/or moderate thermophilic bacteria in the biodesulfurization process of fossil fuels due to its capacity to effectively utilize DBT and its derivatives at hyperthermophilic conditions by the cleavage of carbon-sulfur bond, without lowering the calorific value of fossil fuels.
Benzer Tezler
- Farklı organik kükürtlü bileşiklerin mikrobiyal desülfürizasyonunun arttırılması
Increasing microbial desulfurization of different organic sulfur compounds
MURAT ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
MikrobiyolojiGebze Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELTEM YEŞİLÇİMEN AKBAŞ
DR. TANER ŞAR
- Asidofil mikrobiyal çeşitliliğin belirlenmesi ve biyomadencilik uygulamalarında kullanılabilirlikleri
Determination of acidophilic microbial diversity and usability at biomining applications
YAĞMUR TOPTAŞ
Doktora
Türkçe
2016
BiyolojiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ÇABUK
- Saccharomyces cerevisisae ile pirit külünün Biyodesülfürizasyon sürecinin modellenmesi
Modeling the Biodesulfurization process of pyrite ash with Saccharomyces cerevisisae
YAKUP ERMURAT
Doktora
Türkçe
2013
Kimya MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TURAN ÇALBAN
- Rhodocococcus rhodochrous ile Mengen linyitinden mikrobiyolojik yolla kükürt giderilmesinin bir karıştırmalı ve havalandırmalı fermentörde incelenmesi
Başlık çevirisi yok
ZAFER BAYRAM
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TÜLAY DURUSOY
- Rhodococcus rhodochrous ile Mengen linyitinden mikrobiyolojik yolla kükürt giderilmesi
Başlık çevirisi yok
EVRİM ERİNCİN