Oleajinöz Mikroorganizmaların Yenilenebilir Enerji Alanındaki Rolü – Alok Patel , Ulrika Rova , Paul Christakopoulos ve Leonidas Matsakas
Dünya, yakıt sektörü tarafından meydana getirilen büyük hacimli egzoz gazı salınımının ele alınması gereken bir sorun teşkil etmesi hasebiyle tüm üretim alanlarında biyolojik olarak parçalanabilir ve yenilenebilir ürünlere giderek daha fazla ihtiyaç duymaktadır. Biyodizel; bitki, hayvan veya mikrop biyokütlelerinden elde edilen lipitlerle üretilen sürdürülebilir bir enerji kaynağıdır. Biyodizel üretimi, en sürdürülebilir yöntemi belirlemek amacıyla gerçekleştirilen birçok geliştirme aşamasından, oluşumu ve kullanımı açısından başarıyla geçmiştir. En uygun kaynak ve usul arayışı teste tabi tutulmuştur ve çözüme yavaş ama istikrarlı bir şekilde yaklaşılmaktadır. İlk başta biyoyakıt üretimi için hammadde olarak palmiye ağaçları, şeker pancarı ve mısır gibi bitkilerin kullanılması amaçlanmıştır. Bu yöntem bitki yetiştirme, tarıma elverişli arazi ve bitkinin büyümesi için belirli bir süre gerektirir ki bu da g/L/gün cinsinden verimliliği düşürür. Dahası, küresel gıda kıtlığı sebebiyle bu yaklaşım, bitki büyümesi için büyük miktarda tatlı su gerektirdiğinden sürdürülebilir değildir. Lakin mikroorganizmalar çeşitli koşullarda lipit üretebilir ve bunu yapmak için tatlı suya ihtiyaç duymazlar [1].
Bunun keşfedilmesinin ardından, lipit kaynağı olarak oleajinöz mikroorganizmaların kullanımı popüler hale gelmiştir. Bu mikroorganizmalar, son yıllarda ilaç, nutrasötik, gıda ve kozmetik endüstrilerinde omega-3 yağ asitleri (DHA, EPA), pigmentler (astaksantin, lutein ve skualen), vitaminler ve proteinler gibi çeşitli diğer çok değerli bileşenler gibi yenilenebilir biyoenerji için de potansiyel bir hammadde olarak dünyanın dört bir yanındaki bilim insanlarının ilgisini çekmiştir. Mikroorganizmaların doğal lipit üreticileri oldukları bilinmektedir, bunlardan bazıları %20‘den fazla lipit biriktirir ve bu nedenle oleajinöz mikroorganizmalar olarak kabul edilir. Bu mikroplar kısa hidrokarbonlu zincirlerden (C6) uzun hidrokarbonlu zincirlere (C36) kadar; doymuş, tekli doymamış veya çoklu doymamış yağ asitlerinin büyük çoğunluğunu sentezleyebilir. Yağ asidi bileşimi, oleajinöz mikroorganizmalar tarafından üretilen lipitlerin biyodizel üretimi için hammadde olarak mı yoksa nutrasötik olarak mı kullanılacağını belirler. Mikroalgler, bakteriler ve mayalar çoğunlukla biyodizel için uygun lipitlerin üretiminde yer alırken, thraustochytridler, mantarlar ve bazı mikroalglerin çok uzun zincirli PUFA üretiminde yer almaları geniş ölçüde bilinir.
Lipit üretimi söz konusu olduğunda, oleajinöz mayalar ve mikroalgler, diğerlerine göre daha elverişli mikroorganizmalardır. Yarrowia, Candida, Rhodotorula, Rhodosporidium, Cryptococcus, Trichosporon ve Lipomyces cinsleri, kuru hücre ağırlıklarının %80’ine kadar lipit biriktirebilen bazı oleajinöz maya türlerini içerir. Buna ilaveten, bu yağlı mayaların lipit metabolizması iyi bilinmektedir. Mikrobiyal lipit üretiminin ekonomik olarak uygulanabilirliğini/verimliliğini artırmak amacıyla yapılan bir çalışmada, oleajinöz maya suşları(mikroorganizmaların genetik olarak özelleşmiş alt türleri), gıda kaynaklarıyla rekabet etmeden çeşitli atık malzemeler ve yenilebilir olmayan lignoselülozik biyokütleler üzerinde yetiştirilmiştir [2]. Mesela, Rhodosporidium toruloides-1588, biyodizel üretimi için hammadde olarak lipit üretimi amacıyla sert ve yumuşak ağaç talaşının detoksifiye olmamış hidrolizatı üzerinde yetiştirilmiştir [3]. Başka bir çalışmada, Candida tropicalis zeytin imalathanesinin atık suyunda yetiştirildiğinde lipit sentezlemiştir [1]. Bu oleajinöz maya sadece atık sudaki organik yük ve fenolleri azaltmakla kalmamış, lipaz (203 U.L-1) ve proteaz (1105 U.L-1) ile lipit de sentezlemiştir [1].
Mikroalg yetiştirme, bitki yetiştirmenin aksine fermentörlerde veya biyoreaktörlerde kolayca ölçeklendirilebilir. Mikroalgler büyümek için ototrofik, heterotrofik, miksotrofik ve fotoheterotrofik şeklinde tasnif edilebilecek çeşitli beslenme yollarını benimseyebilir. Ototrofik yetiştiricilikte mikroalgler biyokütle ve değerli metabolitleri sentezlemek için inorganik karbon kaynağına ve fotosentezden elde edilen enerjiye bağlıdır, miksotrofik durumda ise inorganik karbon kaynağı organik karbonlarla değiştirilir. Bazı mikroalgler inorganik karbon kaynağı ve ışık kullanmak yerine, karanlık koşullarda organik karbon kaynağı kullanarak heterotrofik koşullar altında büyüyebilir. Chlorella cinsinin çeşitli türleri, endüstrilerden elde edilen atık kaynaklarda veya yenilebilir olmayan lignoselülozik biyokütlede kolaylıkla yetiştirilebilir. Ototrofik yetiştiricilikte, mikroalgler güneş enerjisinin %9-10’unu teorik olarak yaklaşık 77 g/m2/gün verimle biyokütleye dönüştürebilir, ki bu 280 ton/h/yıl’a tekabül eder, ancak büyük ölçekli açık veya kapalı alan yetiştiriciliğinde bu miktar biraz daha düşük olabilir. Fotobiyoreaktörlerde, aktif ışınların her bir hücreye erişememesi sebebiyle gerçek verimin daha düşük olduğu görülmektedir. Tüm hücrelere aynı güçte ulaşan ve maksimum miktarda ışık enerjisini biyokütleye dönüştüren bir ışık enerjisi için biyoreaktördeki kültürün uygun şekilde çalkalanması ve karıştırılması gerekir. Bu nedenle, bir fotobiyoreaktörün tasarımı mühimdir: ışık yoğunluğu, sıcaklık, gaz karışımları vb. taleplerine göre farklı mikroalg türleri arasında değişiklik gösterebilir. Büyük ölçekli yetiştirme açık bir yosun havuzunda gerçekleştirilebilir, ancak bu sistem kirlenmeden(kontaminasyon) oldukça etkilenir [4]. Bu sorunu aşmak için, büyük ölçekli yetiştirme kapalı tüp şeklindeki fotobiyoreaktörlere kaymıştır [5]. Bu tür biyoreaktörler çoğunlukla kültürün belirli bir hızda dolaştırıldığı şeffaf cam veya plastikten oluşur. Tüplü sistemler, yatay tüplerin tek düzlemi ve dikey olarak istiflenmiş yatay tüplerin birkaç düzlemi(çit benzeri sistemler) dâhil olmak üzere çeşitli yapılar halinde olabilir. Açık yosun havuzu öncelikle daha sonra biyoyakıt olarak işlenen mikroalg biyokütlelerin üretimi için kullanılır, ancak bu biyokütle gıda için kullanılamaz; oysaki tüplü biyoreaktörler her iki amaç için de kullanılabilir. Su arıtma ve biyokütle üretiminin ortak faydası nedeniyle, hayati besin maddeleri içeren atık suyun ticari bir yetiştirme ortamı ile değiştirilmesi daha yaygın hale gelmektedir. Örneğin, Porphyridium cruentum, ince filtrelelenmiş domuz atık suyunda, onu iyileştirmek ve aynı zamanda biyodizel üretimi için uygun yağ asidi profiline sahip lipitler üretmek amacıyla, yetiştirilmiştir [6].
Okyanus yetiştirme sistemleri, daha düşük yetiştirme ve bakım maliyeti sağlayan kültürün okyanus dalgaları tarafından karıştırılabilmesi, çözünebilir besin maddelerinin kullanılması, alanın geniş olması gibi yararları sayesinde son zamanlarda ticari ölçekli mikroalg üretimi ile ilgiyi üzerine çekmeye başladı.
Mikroalg yetiştiriciliği büyütülebilmesine rağmen, fotobiyoreaktörün tasarımı, aksenik kültürlerin bakımı ve fotobiyoreaktörlerde kullanılan şeffaf malzemenin maliyeti ile ilişkili, uygulamayı aksatan bazı kusurları haizdir. Mikroalglerin heterotrofik yetiştiriciliği, 100 g/L kuru biyokütleye kadar ulaşan biyokütle verimi ile ototrofik yetiştiricilikten elde edilenlerden daha yüksek verim ve üretkenlikle sonuçlanır. Heterotrofik kültürler, büyümek için özel bir biyoreaktör türü gerektirmez ve büyümek için ototrofik yetiştiriciliğe göre 12 kat daha az alana ihtiyaç duyar ve kolayca 100.000 L’ye kadar büyütülebilir. Tabii ki, heterotrofik kültürlerin de karanlıkta büyüyebilen mikroalg türlerinin mevcudiyeti, organik karbon kaynaklarının maliyeti, kirlilik(kontaminasyon) ve ışıkla indüklenen metabolitlerin oluşturulamaması gibi kusurları vardır.
Mikroalg için farklı beslenme yollarıyla ilişkili avantaj ve dezavantajlara rağmen, bazı ürünlerin yalnızca belirli bir beslenme yolu ile yüksek miktarlarda elde edilebildiği çok ürünlü biyorafineriye geçirilebilirler. Örneğin, protein, karbonhidrat ve karotenoidler genellikle ototrofik beslenme sırasında yüksek miktarlarda sentezlenirken, lipitler genellikle heterotrofik beslenme ile sentezlenir. Yenilenebilir ve biyolojik olarak parçalanabilir bir alternatif teşkil etmesi sebebiyle geleneksel mineral yağ bazlı yağlayıcıların yerine geçen biyolojik yağlayıcıların üretim mikrobiyal lipidler için bir başka sürdürülebilir uygulamadır[7].
Çevirmen: Melih Demiralay
Kaynak: Patel, Alok, Ulrika Rova, Paul Christakopoulos, and Leonidas Matsakas. 2022. “Role of Oleaginous Microorganisms in the Field of Renewable Energy” Energies 15, no. 16: 5984. https://doi.org/10.3390/en15165984
Referanslar:
1. Dias, B.; Lopes, M.; Ramõa, R.; Pereira, A.S.; Belo, I. Candida tropicalis as a promising oleaginous yeast for olive mill waste water bioconversion. Energies 2021, 14, 640.
2. Li, Q.; Kamal, R.; Wang, Q.; Yu, X.; Zhao, Z.K. Lipid production from amino acid wastes by the oleaginous yeast rhodosporidium toruloides. Energies 2020, 13, 1576.
3. Saini, R.; Hegde, K.; Osorio-Gonzalez, C.S.; Brar, S.K.; Vezina, P. Evaluating the potential of rhodosporidium toruloides-1588 for high lipid production using undetoxified wood hydrolysate as a carbon source. Energies 2020, 13, 5960.
4. Boopathy, A.B.; Jayakumar, T.; Chinnasamy, S.; Rajaram, M.G.; Mohan, N.; Nagaraj, S.; Rengasamy, R.; Manubolu, M.; Sheu, J.R.; Chang, C.C. Biomass and Lipid Production Potential of an Indian Marine Algal Isolate Tetraselmis striata BBRR1. Energies 2020, 13, 341.
5. Guerra, I.; Pereira, H.; Costa, M.; Silva, J.T.; Santos, T.; Varela, J.; Mateus, M.; Silva, J. Operation regimes: A comparison based on nannochloropsis oceanica biomass and lipid productivity. Energies 2021, 14, 1542.
6. Erol, H.B.U.; Menegazzo, M.L.; Sandefur, H.; Gottberg, E.; Vaden, J.; Asgharpour, M.; Hestekin, C.N.; Hestekin, J.A. Porphyridium cruentum grown in ultra-filtered swine wastewater and its effects on microalgae growth productivity and fatty acid composition. Energies 2020, 13, 3194.
7. Patel, A.; Mu, L.; Shi, Y.; Rova, U.; Christakopoulos, P.; Matsakas, L. Single-cell oils from oleaginous microorganisms as green bio-lubricants: Studies on their tribological performance. Energies 2021, 14, 6685.