Şeker pancarı ve yan ürünlerinden biyoyakıt (etanol) üretimi ve biyoetanolün endüstriyel kullanımının değerlendirilmesi

Year 2020, Volume: 2 Issue: 2, 16 - 24, 11.09.2020

Zeynep Güneş Hatice Ebrar Kırtıl , Yasemin Şefika Küçükata , Biset Toprak

Abstract

Dünyada kullanılan enerjinin %80’inden fazlası kömür, doğal gaz ve petrol gibi fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Günümüzde artan enerji ihtiyacına bağlı olarak artan fosil yakıt kullanımı sera gazı emisyonu, asit yağmurları gibi olumsuz çevresel etkilere ve iklim değişikliklerine neden olmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan biyokütlenin çeşitli termokimyasal prosesler sonucunda elde edilen biyoyakıtlar, fosil yakıtlara alternatif olarak kabul edilmektedir. Biyoyakıt üretiminin fosil yakıtlara göre daha pahalı olması nedeniyle günümüzde uygun maliyetli teknolojilerin geliştirilmesi büyük önem arz etmektedir. Önemli biyoyakıtlardan biri olan biyoetanol şeker, nişasta ve selüloz içeren biyokütlenin fermente edilmesiyle elde edilir. Biyoetanol yüksek oktan sayısına sahip olup mısır, patates, şeker kamışı, şeker pancarından fermantasyon (mayalanma) yoluyla üretilmektedir. Mısır, kolza tohumu vb. alternatifleri göz önünde bulundurulduğunda şeker pancarının (Beta vulgaris var. saccharifera) biyoyakıt için en verimli hammadde olması ile birlikte daha ekonomik olduğu bildirilmektedir. Ayrıca şeker pancarı, tahıl ve diğer selülozik bitkilere kıyasla direkt olarak fermente edilebilme avantajına da sahiptir. Şeker pancarı posası (SPP), şeker pancarından sükrozun ekstrakte edilmesiyle geriye kalan bitkisel materyaldir. Melas ise şekerin daha fazla ekstrakte edilemediği şeker pancarı şurubudur. SPP’nin ve melasın biyoetanol elde edilmesinde kullanımı çevresel atığın değerlendirilmesi açısından önemlidir. SPP ve melasın karıştırmalı biyoreaktör tanklarında Saccharomyces cerevisiae ve çeşitli mikroorganizmalar ile fermantasyonu sonucunda etanol elde edilir. Gerçekleşen fermentasyon sonrasında oluşan etanolü saflaştırmak ve konsantrasyonunu artırmak için distilasyon ve susuzlaştırma işlemi uygulanmaktadır. Saflaştırma işlemiyle CO2, yan ürünler ve daha sonra çeşitli amaçlarla kullanılmak üzere biyoetanol elde edilmektedir. Bu derleme çalışmasında şeker pancarı ve SPP’den biyoyakıt olarak birçok avantajı bulunan biyoetanol üretim prosesi, fermentasyon işlemi ve endüstrideki önemi konularına değinilmiştir.

Keywords

biyoyakıt, etanol, fermentasyon, melas, posa

References

• Akbas, M. Y., & Stark, B. C. (2016). Recent trends in bioethanol production from food processing byproducts. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 43(11), 1593–1609. https://doi.org/10.1007/s10295-016-1821-z
• Altunbay, Ş.G., Kangal, A., Gürel, S., (2016). Şeker Pancarından Biyoetanol Üretimi. Tarla Bitkileri Merkez Araştırma Enstitüsü Dergisi, 25: 334-339.
• Anonim, (2019a). Türkiye Şeker Fabrikaları A.Ş. Sektör Raporu 2018, Mayıs-2019. https://www.turkseker.gov.tr/data/dokumanlar/2018_Sektor_Raporu.pdf Son Erişim Tarihi: 29.05.2020
• Anonim, (2019b). https://www.nordzucker.com/en/business/bioethanol/wide-range-of-applications.html Son Erişim Tarihi: 29.05.2020
• Anonim, (2020a). Konya Şeker Biyoetanol Üretim Tesisi Bilgileri http://konyaseker.com.tr/tr/icerik/detay/2085/biyoetanol-uretim-tesisi, Son Erişim Tarihi: 29.05.2020
• Anonim (2020b). When will fossil fuels run out? https://www.WIricity.co.uk/ Son Erişim Tarihi: 29.05.2020
• Araújo, W. A. (2016). Ethanol Industry: Surpassing Uncertainties and Looking Forward. Sergio L. M. S., Luís A. B. C., José M. F. J., Sergio C. T., & Maria da Graça D. F (Eds.), Global Bioethanol: içinde (pp. 1-33). Academic Press.
• Balat, M. & Balat, M. (2009). Political, economic and environmental impacts of biomass-based hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 34:3589-3603. doi:10.1016/j.ijhydene.2009.02.067.
• Balat, M. & Balat, H. (2009a). Recent trends in global production and utilization of bio-ethanol fuel. Applied Energy, 86, 2273–2282. doi:10.1016/j.apenergy.2009.03.015
• Barta, K. (2018). Bio-enriching gasoline. Nature Energy, 3(11), 917-918. doi:10.1038/s41560-018-0264-3
• Bowen, E., Kennedy, S. C., & Miranda, K. (2010). Ethanol from Sugar Beets. Retrieved May 29, 2020, from https://web.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project 042810165653/unrestricted/Ethanol_from_Sugar_Beets__A_Process_and_Economic_Analysis.pdf
• Branco, R.H.R., Serafim, L.S. & Xavier, A.M.R.B. (2019). Second Generation Bioethanol Production: On the Use of Pulp and Paper Industry Wastes as Feedstock. Fermentation, 5 (1), 4, https://doi.org/10.3390/fermentation5010004
• Bukvić, Ž., Kralik, D., Milaković, Z., Bogut, I., Miloš, S., (2008). Cereal Research Communications , Vol. 36, Supplement: Proceedings of the VII. Alps-Adria Scientific Workshop, Stara Lesna, Slovakia, 575-578.
• Bušić, A., Marđetko, N., Kundas, S., Morzak, G., Belskaya, H., Šantek, M. I., Šantek, B. (2018). Bioethanol Production from Renewable Raw Materials and its Separation and Purification: A Review. Food Technology and Biotechnology, 56(3). doi:10.17113/ftb.56.03.18.5546
• Canan, S. & Ceyhan, V., Ağırnaslıgil, T. (2016). Türkiye’de Biyokütle Fiyatındaki Değişimin Biyoetanol Maliyeti Üzerine Etkileri. XII Ulusal Tarım Ekonomisi Kongresinde sunulan bildiri, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta. http://www.tarimarsiv.com/wp-content/uploads/2017/03/63-1.pdf
• Cárdenas-Fernández, M., Bawn, M., Hamley-Bennett, C., Bharat, P. K. V., Subrizi, F., Suhaili, N., Lye, G. J. (2017). An integrated biorefinery concept for conversion of sugar beet pulp into value-added chemicals and pharmaceutical intermediates. Faraday Discussions, 202, 415–431. doi: 10.1039/c7fd00094d
• Conde-Mejía, C., Jiménez-Gutiérrez, A., & Gómez-Castro, F. I. (2016). Purification of Bioethanol from a Fermentation Process: Alternatives for Dehydration. Computer Aided Chemical Engineering 26th European Symposium on Computer Aided Process Engineering, 373-378. doi:10.1016/b978-0-444-63428-3.50067-9
• Demirbaş, A. (2008). Biofuels sources, biofuel policy, biofuel economy and global biofuel projections. Energy Conversion and Management, 49:2106–2116. doi:10.1016/j.enconman.2008.02.020.
• Duraisam, R., Salelgn, K., Berekete, A.K. (2017). Production of beet sugar and bio-ethanol from sugar beet and it bagasse: A review. International Journal of Engineering Trends and Technology, 43(4): 222-233. Doi: 10.14445/22315381/IJETT-V43P237
• ETKB, (2020). Dünya Enerji Görünümü. Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı, Enerji işleri müdürlüğü. https://www.enerji.gov.tr/tr-TR/Anasayfa Son Erişim Tarihi: 29.05.2020
• Gao, Y., Skutsch, M., Masera, O., Pacheco, P. (2011). Report part title: General characteristics and use of biofuels. Report title: A global analysis of deforestation due to biofuel development. Bogor, Indonesia: CIFOR.
• Gumienna, M., Szambelan, K., Jeleń, H., Czarnecki, Z. (2014). Evaluation of ethanol fermentation parameters for bioethanol production from sugar beet pulp and juice. Journal of the Institute of Brewling, 120: 543–549. doi: 10.1002/jib.181.
• Haankuku, C., Epplin, F. M., & Kakani, V. G. (2015). Industrial sugar beets to biofuel: Field to fuel production system and cost estimates. Biomass and Bioenergy, 80, 267-277. doi:10.1016/j.biombioe.2015.05.027
• Hinková, A., Bubník, Z. (2001). Sugar beet as a raw material for bioethanol production. Czech J. Food Sci., 19: 224-234.
• Içöz, E., Tuğrul, K. M., Saral, A., & Içöz, E. (2009). Research on ethanol production and use from sugar beet in Turkey. Biomass and Bioenergy, 33(1), 1–7. doi: 10.1016/j.biombioe.2008.05.005
• Karp, A., Richter, G. M. (2011). Meeting the challenge of food and energy security. Journal of Experimental Botany, 62(10), 3263-3271. doi:10.1093/jxb/err099
• Khan, I., Akhtar, M. W. (2011). Bioenergy Production From Plant Biomass: Bioethanol From Concept To Reality. Nature Precedings. doi:10.1038/npre.2011.6286.1
• Lee, S. Y., Kim, H. U., Chae, T. U., Cho, J. S., Kim, J. W., Shin, J. H., Jang, Y. (2019). Author Correction: A comprehensive metabolic map for production of bio-based chemicals. Nature Catalysis, 2(10), 942-944. doi:10.1038/s41929-019-0358-8
• Lopes, M.C., Paulillo, S. C. L., Godoy, A., Cherubin, R. A., Lorenzi, M. S., Giometti, F. H. C. ... Amorim, H. V. (2016). Ethanol production in Brazil: a bridge between science and industry. Brazilian Journal of Microbiology, 166: 1-13. doi: 10.1016/j.bjm.2016.10.003
• Maryana, R., Wahono, S. K., Handoko, L. T., & Siregar, M. R. (2009). Production and Purification of Bioethanol from Molasses and Cassava. AIP Conference Proceedings. doi:10.1063/1.3243248
• Mendoza-Pedroza, J.J., Segovia-Hernandez, J. G. (2018). Alternative Schemes for the Purification of Bioethanol: A Comparative Study. Recent Advances in Petrochemical Science, 4(2). doi:10.19080/rapsci.2018.04.555631
• Moraes, B. S., Triolo, J. M., Lecona, V. P., Zaiat, M., & Sommer, S. G. (2015). Biogas production within the bioethanol production chain: Use of co-substrates for anaerobic digestion of sugar beet vinasse. Bioresource Technology, 190, 227–234. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.04.089
• Moustafa, K. (2017). A clean environmental week: Let the nature breathe. Science of the Total Environment, 598, 639–646. http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.04.068
• Nicodème, T., Berchem, T., Jacquet, N., Richel, A. (2018). Thermochemical conversion of sugar industry by-products to biofuels. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 88: 151. doi: 10.1016/j.rser.2018.02.037.
• NNFCC, (2019). An Assessment of the Opportunities for Re-establishing Sugar Beet Production and Processing in Scotland, Prepared for Scottish Enterprise, Heslington, York, https://www.nnfcc.co.uk/files/mydocs/Scottish%20Enterprise%20Sugar%20Beet%20Report_FINAL.pdf Son Erişim Tarihi: 29.05.2020
• NPG (Nature Publishing Group), (2006). Bioethanol needs biotech now. Nature Biotechnology, 24 (7).
• Onuki, M.,S., Koziel, J.A., Leeuwen, J., Jenks, W.S., Grewell, D., Cai, L., (2008). Ethanol production, purification, and analysis techniques: a review. Agricultural and biosystems engineering conference proceedings and presentations. Iowa State University, USA. https://lib.dr.iastate.edu/abe_eng_conf/68/
• Panella, L. (2010). Sugar Beet as an Energy Crop. Sugar Tech, 12(3–4), 288–293. https://doi.org/10.1007/s12355-010-0041-5
• Pavlevčić, M., Vrana, I., Vibovec, K., Šantek, M.I., Horvat, P., Šantek, B., (2010). Ethanol production from different intermediates of sugar beet processing. Food Technol. Biotechnol. 48(3): 362–367. ISSN 1330-9862.
• Popov, S., Ranković, J., Dodić, J., Dodić, S., & Jokić, A. (2010). Bioethanol production from raw juice as intermediate of sugar beet processing: A response surface methodology approach. Food Technology and Biotechnology, 48(3), 376–383.
• Raharja, R., Murdiyatmo, U., Sutrisno, A., & Wardani, A.K. (2019). Bioethanol production from sugarcane molasses by instant dry yeast. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 230, 012076. https://doi.org/10.1088/1755-1315/230/1/012076
• Rass-Hansen, J., Falsig, H., Jørgensen B., & Christensen C. H. (2007). Bioethanol: fuel or feedstock?. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 82, 329–333. https://doi.org/10.1002/jctb.1665
• Razmovski, R., & Vučurović, V. (2012b). Bioethanol production from sugar beet molasses and thick juice using Saccharomyces cerevisiae immobilized on maize stem ground tissue. Fuel, 92(1), 1–8. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.07.046
• Rodríguez, L. A., Toro, M. E., Vazquez, F., Correa-Daneri, M. L., Gouiric, S. C., & Vallejo, M. D. (2010). Bioethanol production from grape and sugar beet pomaces by solid-state fermentation. International Journal of Hydrogen Energy, 35(11), 5914–5917. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.12.112
• SBG, (2020). Şeker Pancarı Tarım Üretim Raporu, Tarım Ürünleri Piyasaları-Şeker Pancarı, Ocak,2020.https://arastirma.tarimorman.gov.tr/tepge/Belgeler/PDF%20Tar%C4%B1m%20%C3%9Cr%C3%BCnleri%20Piyasalar%C4%B1/2020Ocak%20Tar%C4%B1m%20%C3%9Cr%C3%BCnleri%20Raporu/%C5%9Eeker%20Pancar%C4%B1%20Tar%C4%B1m%20%C3%9Cr%C3%BCnleri%20Piyasa%20Raporu%202020%20ocak.pdf Son Erişim Tarihi: 29.05.2020
• Schwaiger, H., Pena, N., Mayer, A., & Bird, D. (2011). Technologies to produce liquid biofuels for transportation: An overview (pp. 16-17, Rep.). Center for International Forestry Research. www.jstor.org/stable/resrep02307.8
• Singh, D. P., & Dwevedi A. (2019). Production of clean energy by green ways. A. Dwevedi (Ed.), Solutions to Environmental Problems Involving Nanotechnology and Enzyme Technology içinde (pp. 49-90). Academic Press.
• Šantek, B., Gwehenberger, G., Šantek, M. I., Narodoslawsky, M., & Horvat, P. (2010). Evaluation of energy demand and the sustainability of different bioethanol production processes from sugar beet. Resources, Conservation and Recycling, 54(11), 872–877. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2010.01.006
• USDA, (2019). EU-28 Biofuels Annual 2019, Global Agricultural Information Network, https://apps.fas.usda.gov/newgainapi/api/report/downloadreportbyfilename?filename=Biofuels%20Annual_The%20Hague_EU-28_7-15-2019.pdf
• Vohra, M., Manwar, J. Manmode, R. Padgilwar, S. & Patil, S. (2014). Bioethanol production: Feedstock and current technologies. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2, 573–584. http://dx.doi.org/10.1016/j.jece.2013.10.013
• Vučurović, V. M., & Razmovski, R. N. (2012a). Sugar beet pulp as support for Saccharomyces cerivisiae immobilization in bioethanol production. Industrial Crops and Products, 39(1), 128–134. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2012.02.002
• Wang, M., Han, J. Dunn, J. B., Cai H., & Elgowainy, A. (2012). Well-to-wheels energy use and greenhouse gas emissions of ethanol from corn, sugarcane and cellulosic biomass for US use. Environmental Research Letters, 7: 1-13. doi:10.1088/1748-9326/7/4/045905
• WBGU (German Advisory Council on Global Change) (2008). Future bioenergy and sustainable land use. Earthcsan, London.
• World Bioenergy Association. (2019). GLOBAL BIOENERGY STATISTICS 2019. Retrieved May 29, 2020, from https://worldbioenergy.org/uploads/191129%20WBA%20GBS%202019_HQ.pdf
• Yaramış, V., Çaynak, S., Şimşek, F., İlter, B., İzgi, M., Bayraktarkatal, B., Gülmez, A., Sağlam, A. (2014). Dünya Enerji Görünümü. Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı, Enerji işleri genel müdürlüğü. 22-29 Eylül 2014.
• Zabed, H., Faruq, G., Sahu, J. N., Azirun, M. S., Hashim, R., & Nasrulhaq Boyce, A. (2014). Bioethanol production from fermentable sugar juice. The Scientific World Journal. https://doi.org/10.1155/2014/957102
• Zabochnicka-Świątek, M. & Sławik L. (2010). Bioethanol-Production and Utilization. Archivum Combustionis, 30(3), 237-246. Zhou, G., Zhang, G., & Qi, D. (2011). A New Method of Producing Bio-Energy by Using Sugar-Beets. Energy Procedia, 12, 873-877. doi:10.1016/j.egypro.2011.10.115