Valorization of olive mill effluent with oleaginous Yarrowia lipolytica
Zeytin karasuyunun Yarrowia lipolytica ile değerlendirilmesi
- Tez No: 705427
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 126
Özet
Dünya zeytinyağı üretiminin %90'dan fazlası Akdeniz ülkelerinde gerçekleşmektedir. Bu nedenle, zeytin ve zeytinyağı endüstrisi ekonomilerinde çok büyük bir role sahiptir. Zeytinyağı üretiminde tercih edilen ekstraksiyon yöntemine bağlı olarak yüksek miktarda su ihtiyacı bulunmaktadır. Üretimde kullanılan yüksek miktardaki su, proses sonunda yüksek organik ve fenolik kirlilik yüküne sahip atıksuya dönüşmektedir. Karasuyun, yüksek konsantrasyondaki kirletici içeriği nedeniyle çevresel bir problem olmasından dolayı uygun şekilde arıtılması gerekmektedir. Atıksuyun arıtımı, aynı zamanda atık suyun değerlendirilmesi yaklaşımıyla gerçekleştirilmelidir. Sürdürülebilir enerji kaynağı ihtiyacı, küresel enerji tüketimindeki çarpıcı artış nedeniyle acil bir gerekliktir. Yapılan tahminler, fosil yakıtların enerji rezervlerinin gelecekte artan enerji talebini karşılamak için yeterli olmadığını göstermektedir. Ayrıca fosil bazlı yakıt kullanımının artması nedeniyle küresel iklim değişikliği, ekolojik dengenin bozulması gibi çevre üzerindeki olumsuz etkileri de her geçen gün artmaktadır. Bu olumsuzluklar, bilimsel araştırmaların yönünü temiz ve sürdürülebilir enerji kaynakları arayışına çevirmiştir. Biyodizel; toksik olmayan, sürdürülebilir ve biyolojik olarak parçalanabilen bir karbon kaynağı olarak bilmektedir. Bu özellikler biyodizelin fosil yakıtlara alternatif bir enerji kaynağı olarak görülmesini sağlamaktadır. Biyoyakıt üretiminde ormancılık veya tarım gibi birçok farklı sektörde üretilen bitki veya hammaddelerin yanı sıra maya, alg vb. mikroorganizmalar gibi biyolojik maddeler de enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Biyoyakıt üretim maliyetinin büyük bir kısmı hammaddeden kaynaklanmaktadır. Hammadde maliyetini en aza indirgemek amacıyla çeşitli çalışmalar yürütülmektedir. Bazı maya türleri, karasuyun içerdiği organik maddeyi enzim ve organik asit gibi katma değerli ürünlere metabolize ederken bünyelerinde ekstra lipid depolarlar. Daha önceki çalışmalar, yağlı maya türü Yarrowia lipolytica'nın (Y. lipolytica) %70'e kadar lipid depolayabildiğini söylemektedir. Bu bakış açısıyla Y. lipolytica ile karasuda organik madde giderimi gerçekleştirilirken aynı zamanda Y. lipolytica'nın depolayacağı lipid, biyoyakıt üretimi için kaynak olarak değerlendirilebilir. Enerji verimi, ekonomik fizibilite ve sürdürülebilirlik açısından geleneksel enerji kaynakları ile rekabet edebilmek amacıyla Y. lipolytica ile karasudan lipid üretiminin optimize edilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, Y. lipolytica'nın karasuda maksimum büyüme ve maksimum lipid üretkenliğini sağlamak için optimum koşulların belirlenmesi amaçlanmıştır. Y lipolytica, büyüme için optimum koşulları ve ayrıca lipid üretkenliğini belirlemek amacıyla amonyak ve/veya maya ekstraktı ilaveli/ilavesiz, farklı konsantrasyonlarda karasu içeren farklı besi yerlerinde kültürlendi. Buna ek olarak kirletici giderim verimleri de değerlendirildi. Tüm denemelerde, şahit olarak Y lipolytica'nın YPD ortamında büyümesi izlendi. İnkübasyondan önce tüm ortamların pH değeri 5,8±0,1'e ayarlandı. İnkübasyon sırasında, Y. lipolytica'nın büyümesi, sürekli olarak OD600 ölçümü ile izlendi. İnkübasyon öncesi ve sonrasında konvansiyonel parametreler olan KOİ, TKN, NH3-N, TP, UAKM/AKM analizleri yürütüldü. Ayrıca protein, karbonhidrat, lipid ve YAME analizleri yapıldı. Maksimum KOİ giderim verimi %77±2 olarak amonyak ve maya özütü ilave edilen %40 oranında karasu içeren besi yerinde elde edilirken, bu oran YPD ortamında %64±4 olmuştur. Karasu besi yerlerinde ortalama TKN giderim verimi %51 olarak gerçekleşti. Buna karşılık YPD ortamında bu değer %25±4 idi. Maksimum TKN giderim verimi maya ekstraktı ilaveli %100 karasu besi yerinde %78±2 oranında elde edilmiştir. Ayrıca, tüm karasu besi yerlerinde elde edilen NH3-N giderim verimi ortalama %62 idi. NH3-N giderim verimi için maksimum ve minimum oranlar sırasıyla %79±6 ve %46±3.5 idi. YPD ortamında ortalama NH3-N giderim verimi %76±4 olmuştur. Orto-P giderim verimi incelendiğinde, karasu besi yerlerinde ortalama giderim veriminin %65 olduğu söylenebilir. Bu değer YPD ortamında %87±5 idi. %70-100 karasu içeren amonyak ilaveli besi yerlerinde, farklı KOİ/N oranlarında %100 karasu içeren besi yerlerinde ve farklı konsantrasyonlarda maya özütü ilave edilen %100 karasu içeren besi yerlerinde orto-P giderme performansı diğer tüm reaktörlerin ortalamasından daha yüksek olurken, maksimum orto -P giderim verimi bahsedilen bu setlerde %87±5 olarak gözlenmiştir. KOİ/N:75 ortamı ile %100 karasu içeren besi yerinde maksimum net UAKM değeri 7,2±0,5 g/L olarak gözlendi. Benzer şekilde YPD ortamlarında ortalama net UAKM değeri 7.5±0.5 g/L olarak gerçekleşti. Karasu besi yerlerinde elde edilen biyokütlenin ortalama lipid değeri %32,9±1,6 iken bu değer minimum ve maksimum olarak sırasıyla %17,2±3,6 – %59,7±1,3 arasında değişmektedir. Bununla birlikte YPD besi yerinde büyütülen biyokütlenin ortalama lipid değeri %25,9±0,5 olarak gerçekleşti. En iyi lipid miktarı, herhangi bir ilave olmaksızın %100 ham karasu besi yerinde elde edildi. Böylelikle Y. lipolytica'nın lipid birikimi için %100 karasu besi yerinin uygun olduğu gözlendi. Daha sonra en yüksek lipid oranı farklı KOİ/N oranlarına sahip azot sınırlı besi yerlerinde görülmüştür. Ham %100 karasuyun, KOİ/N oranı 118'dir. Ham karasu, azot sınırlı bir ortam olduğundan sonuçlar birbirini destekler niteliktedir. Azot eksikliği mikrobiyal büyüme üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olmasına rağmen, lipid depolama kapasitesini tetikler. Deneysel sonuçlar bu bilgiyi desteklemektedir. Amonyak ile zenginleştirilmiş denemelerde Y. lipolytica'nın büyümesi amonyak eksikliği olan besi yerlerine kıyasla artış göstermiştir. Ancak, azot açısından stres koşulları altında kültür ortamında maksimum lipid birikimi elde edilmiştir. Tüm karasu besi yerlerinde uçucu askıda katı madde konsantrasyonunda üretilen net biyokütle ve yetiştirilen kültürün lipid depolama oranı incelenmiştir. Buna göre hem üretilen biyokütle hem de lipid depolama açısından, KOİ/N oranı 75 olan besi yeri oldukça tatmin ediciydi. Yeterli biyokütle ve lipid birikimi açısından maksimum lipid verimi, 7,2±0,5 g UAKM/L biyokütle ve %49,7±1,7 lipid içeriği ile KOİ/N ortamlarında elde edilmiştir. Bu sonuçlar, Y. lipolytica'nın karasu üzerinde büyüme ve karasuyu metabolize ederken yeterli miktarda lipid depolama yeteneğine sahip olduğunu göstermiştir. Biyokütlenin lipid bileşimini belirlemek üzere asit kataliz transesterifikasyon yöntemiyle GC analizi yapıldı. Farklı karasu ortamlarında büyüyen biyokütlenin YAME bileşiminin incelenmesi bu analiz ile gerçekleştirildi. Baskın YAME türleri C18:1 ve C16:1 olarak gözlemlendi. Buna ek olarak düşük oranlarda C18:0, C16:0, C14:0, C15:1, C17:0, C17:1, C18:2, C18:3, C20:0, C20:1, C21:0' da rastlanmıştır. Karasu besi yerlerinde gerçekleştirilen tüm denemelerde doymuş yağ asidi (SFA) kompozisyonunun doymamış tekli ve çoklu yağ asitlerinden (MUFA ve PUFA) daha düşük olduğu söylenebilir. Karasu besi yerlerinde elde edilen maksimum SFA %35±1,5 idi. Ayrıca, karasu besi yerlerinde üretilen toplam doymamış yağ asitleri %65 ile %96 arasında değişmekte olup ortalama değer %86'dır. Benzer şekilde YPD ortamında üretilen doymamış yağ asidi ortalama olarak %96 idi. İstenen kalitede biyodizel üretimi için doymuş yağ asitleri oranın doymamış yağ asitlerine nazaran daha yüksek olması gerekmektedir. Bununla birlikte, elde edilen sonuçlar istenen biyodizel kalitesinden uzak olsa da bu sonuçlar literatürde Y. lipolytica ve/veya karasu ile yapılan önceki çalışmalarla paralellik göstermiştir. Genel olarak tüm değerlendirmelerden sonra, karasuyun Y. lipolytica'nın yeterli seviyede büyümesi için uygunluğu kanıtlansa dahi, çalışılan karasu besi yerlerinden elde edilen yağ asidinin biyodizel kullanımı açısından tatmin edici bir kaliteye sahip olmadığı söylenebilir. Bu nedenle, biyodizel kalitesini artırmak için farklı stres koşulları oluşturarak daha farklı çalışmalar yürütülebilir.
Özet (Çeviri)
More than 90% of world olive oil production takes place in Mediterranean countries. Therefore, the olive mill industry has an enormous role in their economy. However, due to the high amount of water requirement of olive oil production which depends on the preferred oil extraction method, a huge amount of wastewater origins from the olive mill industry which has adverse effects on land, aquatic, and air due to its high polluting structure in terms of organic and phenolic contents. For this reason, olive mil effluent (OME) must be treated in an appropriate way not only due to its flow rate but also since it contains a high concentration of pollutants. Treatment of wastewater should be carried out with the approach of valorization of wastewater during treatment. The sustainable energy requirement is an urgent need due to the dramatic increase in global energy consumption. The predictions indicate that the energy reserves of fossil fuels are not sufficient to meet the increasing future energy demand. What is more, due to the increment of fossil-based fuel, its adverse effects on the environment such as global climate change, deterioration of the ecological balance increase day by day. These negativities have turned the direction of scientific research to the search for clean and sustainable energy sources. Biodiesel is known as a non-toxic, sustainable, and biodegradable carbon source. These specialties provide biodiesel to be an alternative energy source to fossil fuels. Biofuels are produced from biological materials like not only plants or raw materials produced in many different sectors such as forestry or agriculture as a resource, but also some microorganisms such as yeast, algae, etc. Some yeast species have the ability to grow on OME and store extra lipid in their body while metabolizing the organic matter of OME to value-added products such as enzymes and organic acids. The previous studies say that the oleaginous yeast species Yarrowia lipolytica (Y. lipolytica) is capable of lipid accumulation up to 70%. Therefore, OME can be valorized by Y. lipolytica in this view while eliminating its pollution load. Besides, to compete with the conventional energy source in terms of energy yield, economic feasibility, and sustainability, lipid production from OME by using Y. lipolytica needs to be optimized. In this study, optimization of the satisfactory conditions for Y lipolytica to ensure maximum growth and lipid productivity on OME was aimed. Y. lipolytica was cultured in different mediums that contain OME in different concentrations, with/without ammonium and/or yeast extract addition to determine the optimum conditions for growth, and also lipid productivity. In addition to this, pollutant removal efficiencies were evaluated. In all trials, the YPD medium was also used for cultivation as a witness. The pH value of all the mediums was adjusted to 5.8±0.1 before cultivation. During cultivation, the growth of Y. lipolytica was monitored by OD600 measurement continuously. Before cultivation and after cultivation, conventional parameters COD, TKN, NH3-N, TP, VSS were measured. Furthermore, protein, carbohydrate, lipid composition, and FAME composition determinations were conducted. The maximum COD removal efficiency was achieved in the mediums containing 40% OME with ammonium or yeast extract addition with a 77±2% ratio while this ratio was 64±4% in the YPD medium. The average TKN removal efficiency was 51% in the OME mediums. On the contrary, this value was 25±4% in the YPD medium. The maximum TKN removal efficiency was achieved in the 100% OME mediums with yeast extract addition reactors as 78±2% ratio. What is more, the NH3-N removal efficiency of all media was 62% on average. While maximum and minimum ratios were 79±6% and 46±3.5% respectively. The average NH3-N removal ratio was 76±4% in the YPD medium. When ortho-p removal performance was examined, it can be said that the average removal efficiency was 65% in the OME mediums. This value was 87±5% in the YPD medium. The ortho-P removal performance of the 70%-100%+N, 100% OME in different COD/N ratios, and 100% OME with different yeast extract addition batches was higher than the average of all the other reactors while the maximum ortho-P removal efficiency was observed in this mentioned sets as 87±5%. The maximum net VSS value was observed as 7.2±0.5 g/L in 100 % OME with COD/N:75 medium. While average net VSS values were 7.5±0.5 g/L in YPD mediums. The average lipid value of the biomass obtained from OME mediums was 32.9%±1.6 while this value varied between 17.2%±3.6 – 59.7 %±1.3 as a minimum and maximum values respectively. The average lipid value of the biomass cultured in the YPD medium was 25.9±0.5%. The best lipid content was obtained in 100% OME mediums with no addition. It was observed that 100% OME medium without any dilution is appropriate for lipid accumulation of Y. lipolytica. Then it was followed by nitrogen-limited media with different COD/N ratios. Since the original 100% medium was nitrogen-limited with COD/N = 118 ratio, the results were mutually supportive. Although nitrogen deficiency has a negative effect on microbial growth, it triggers lipid storage capacity. The experimental results support this information. Growth of the Y. lipolytica was increased in the trials enriched with ammonium. On the contrary, the maximum lipid accumulation was achieved in the cultured from under the stress condition medium in terms of nitrogen. The produced net biomass in volatile suspended solid concentration, and lipid storage ratio of the bio culture grown on all the OME mediums were examined. In this view, both produced biomass, and lipid storage was quite satisfactory in the COD/N:75 mediums. The maximum lipid yield in terms of sufficient biomass and lipid accumulation was achieved in the COD/N mediums with 7.2±0.5 g VSS/L biomass and 49.7±1.7% lipid content. These results showed that Y. lipolytica has the ability to grow on the OME and store a sufficient amount of lipid while metabolizing the OME. FAME compositions were examined. The dominant FAME species were C18:1 and C16:1. Addition to this, C18:0, C16:0, C14:0, C15:1, C17:0, C17:1, C18:2, C18:3, C20:0, C20:1, C21:0 was also observed in a small portion. It can be said that for all trials of OME mediums, the composition of saturated fatty acid (SFA) is lower than the unsaturated fatty acids (MUFA + PUFA). The maximum SFA obtained from OME mediums was 35±1.5%. Furthermore, the total ratio of MUFA and PUFA produced in the OME mediums varied between 65% to 96% with an average value of 86%. Unsaturated fatty acid produced in YPD medium was averagely 96% which are not efficacious results. However, even the results were unqualified regarding the desired biodiesel quality, these results were in the same way as the previous studies conducted with Y. lipolytica and/or OMEs in the literature. Overall, after all the evaluations, it can be inferred that even though the suitability of OME for growth of Y. lipolytica in a sufficient way was proved, the obtained fatty acid from the studied OME mediums has not satisfactory quality in terms of the biodiesel usage. To improve biodiesel quality, further studies may be conducted.
Benzer Tezler
- Zeytin (Olea europaea L.) beta-glukozidaz geninin pichia pastoris'te hücre dışı ifadesi
Extracellular expression of Olive (Olea europaea) beta-glucosidase gene in pichia pastoris
SERPİL DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
BiyoteknolojiYıldız Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ŞENAY VURAL KORKUT
- Development of active packaging materials from olive mill solid waste
Pirinadan aktif paketleme materyallerinin geliştirilmesi
KAMİL URGUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Gıda MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİLEK SİVRİ ÖZAY
PROF. DR. BORA MAVİŞ
- Yapı kimyasalları üretimine yönelik biyolojik tabanlı katkı malzemelerinin hazırlanması ve uygulamaları
Preparations and applications of bio – based additives for building chemicals production
FULYA MEMİOĞLU
- Zeytinyağı işletme atığının biyoproseslerde hammadde olarak değerlendirilmesi
Valorisation of olive mill waste in bioprocesses as a feedstock
İDİL GÜLTEPE
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
BiyomühendislikEge ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT ELİBOL
- Synthesis of natural adsorbents from lignocellulosic biomass for the recovery of boron from water resources
Su kaynaklarından bor giderimi için lignoselülozik atıklardan doğal adsorbanların sentezlenmesi
BEKİR FIRAT ALTINBAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ASLI YÜKSEL ÖZŞEN