Keçiboynuzundan Biyoetanol ve Fermantasyon Ürünleri
Keçiboynuzu meyvesinin etli kısmı kuru ağırlığının yaklaşık yarısına varan oranda şeker içerir. Bu yüksek ve kolay ekstrakte edilebilen şeker içeriği, keçiboynuzunu yalnızca gıda değil, endüstriyel fermantasyon için de ilgi çekici bir hammadde yapar. Son otuz yılda keçiboynuzundan biyoetanol başta olmak üzere sitrik asit, laktik asit ve mannitol gibi farklı fermantasyon ürünleri elde etmeye yönelik çok sayıda çalışma yapılmıştır.
Bu yazıda keçiboynuzunun şeker profilini, biyoetanol üretiminde kullanılan yöntemleri ve elde edilen sonuçları, keçiboynuzu atıklarının ikinci nesil biyoetanol için değerlendirilmesini, diğer fermantasyon ürünlerini ve bu alandaki ekonomik ve teknik sınırlılıkları ele alıyoruz.
Keçiboynuzunun Şeker Profili: Fermantasyonun Temeli
Fermantasyonla üretilen ürünlerin çoğu, mikroorganizmaların şekerleri dönüştürmesine dayanır. Bu nedenle bir hammaddenin fermantasyondaki değeri büyük ölçüde şeker içeriğine ve bu şekerlerin ne kadar kolay erişilebilir olduğuna bağlıdır.
Biner ve arkadaşlarının Türkiye'nin Akdeniz ve Ege havzasında yetişen keçiboynuzlarını inceleyen 2007 tarihli çalışmasında, çekirdeksiz baklalarda en bol bulunan şekerin sakaroz olduğu, glukoz ve fruktozun ise daha düşük miktarlarda bulunduğu bildirilmiştir. Kültür çeşitlerinde toplam şeker kuru ağırlıkta 531 ± 93 g/kg, yabani tiplerde 437 ± 77 g/kg olarak ölçülmüştür.
Endüstriyel yan ürünlerde de benzer bir tablo görülür. Lima-Costa ve arkadaşları, keçiboynuzu işleme sanayisinden çıkan küçük kırıkların yüzde 45–50 oranında çözünür şeker içerdiğini; Rodrigues ve arkadaşları ise keçiboynuzu atıklarının kuru ağırlığının yaklaşık yüzde 50'sinin sakaroz, glukoz ve fruktozdan oluştuğunu belirtmektedir.
Keçiboynuzunu birçok lignoselülozik hammaddeden ayıran önemli bir özellik, şekerlerinin büyük ölçüde serbest hâlde bulunmasıdır. Odun, saman gibi hammaddelerde şekerleri serbest bırakmak için ön işlem ve enzimatik hidroliz gerekirken, keçiboynuzunda şekerler suyla ekstrakte edilebilir.
Biyoetanol Üretiminin Temel Adımları
Keçiboynuzundan biyoetanol üretimi genel olarak şu adımlardan oluşur:
| Hazırlık | Keçiboynuzunun kırılması, çekirdeklerin ayrılması |
| Şeker ekstraksiyonu | Şekerlerin sıcak suyla sıvı faza alınması |
| Fermantasyon | Mayalar veya bakterilerle şekerin etanole dönüştürülmesi |
| Damıtma ve saflaştırma | Etanolün fermantasyon ortamından ayrılması |
Sánchez-Segado ve arkadaşlarının varsayımsal bir biyoetanol tesisi için yaptığı süreç tasarımı da bu mantığı izlemektedir: Baklalardan sulu şeker ekstraksiyonu, ardından fermantasyon ve damıtma.
Ekstraksiyon koşulları üzerine önemli çalışmalardan biri Turhan ve arkadaşlarına aittir. Araştırmacılar keçiboynuzu meyvesi için optimum ekstraksiyon koşullarını yanıt yüzeyi yöntemiyle belirlemiş; 80 °C sıcaklık, 2 saat süre ve 1:4 meyve:su oranında 115,3 g/L şeker içeren bir ekstrakt elde etmiştir.
Maya ile Fermantasyon: Araştırma Bulguları
Keçiboynuzu ekstraktından etanol üretiminde en çok çalışılan mikroorganizma, ekmek ve bira mayası olarak da bilinen Saccharomyces cerevisiae'dir. Aşağıdaki tabloda farklı çalışmalarda bildirilen bazı sonuçlar özetlenmiştir:
| Çalışma | Yöntem | Bildirilen başlıca sonuç |
|---|---|---|
| Turhan ve ark. (2010) | Serbest S. cerevisiae, pH kontrollü (5,5) | 42,6 g/L etanol; 3,37 g/L/saat üretim hızı |
| Yatmaz, Turhan ve Karhan (2013) | Ca-aljinata immobilize S. cerevisiae, karıştırmalı tank biyoreaktör | 40,10 g/L etanol; 3,19 g/L/saat; şeker kullanımı %90,66; süre 24 saat |
| Roukas (1994) | İmmobilize S. cerevisiae, çalkalamalı kültür | En yüksek 65 g/L etanol; 0,44 g/g verim |
| Lima-Costa ve ark. (2012) | Yüksek şekerli ortam, kesikli ve beslemeli kesikli | Şekerin %90–95'i tüketildi; 0,47–0,50 g/g verim; 100–110 g/L etanol |
| Rodrigues ve ark. (2015) | Keçiboynuzu atıkları, farklı başlangıç şeker derişimleri | 250 g/L başlangıç şekerinde 0,42 g/g verim |
Tablodaki değerler farklı koşullarda, farklı ölçeklerde ve farklı ölçüm yöntemleriyle elde edildiği için birbirleriyle doğrudan karşılaştırılmamalıdır. Yine de genel tablo, keçiboynuzu şekerlerinin mayalar tarafından yüksek oranda tüketildiğini ve teorik verime yakın etanol dönüşümünün mümkün olduğunu göstermektedir.
Bu çalışmalardan çıkan bazı teknik dersler şunlardır:
| pH kontrolü | Turhan ve arkadaşları, pH'ın 5,5'te tutulmasıyla kontrolsüz pH'a göre daha yüksek etanol derişimi ve üretim hızı elde etmiştir. |
| Azot kaynağı | Aynı çalışmada ekonomik azot kaynakları araştırılmış; Raposo ve arkadaşları da keçiboynuzu atıklarından etanol üretiminde farklı organik ve inorganik azot kaynaklarını taramıştır. |
| İmmobilizasyon | Yatmaz ve arkadaşlarının çalışmasında immobilize hücrelerin beş döngü boyunca yeniden kullanılabildiği gösterilmiştir. |
| Şeker derişimi | Rodrigues ve arkadaşları, başlangıç şeker derişiminin maya metabolizmasını belirgin biçimde değiştirdiğini; yüksek derişimlerde şekerin neredeyse tamamen etanole yönlendirildiğini bildirmiştir. |
Bakteriyel Fermantasyon ve Katı Hal Yaklaşımları
Mayaların yanı sıra Zymomonas mobilis bakterisi de keçiboynuzundan etanol üretiminde denenmiştir. Vaheed ve arkadaşları keçiboynuzu ekstraktından Z. mobilis ile etanol üretimini istatistiksel deneysel tasarımla optimize etmiştir. Saharkhiz ve arkadaşları ise şeker ekstraksiyonunun maliyetli bir basamak olduğuna dikkat çekerek, ekstraksiyon gerektirmeyen "katı-batık" fermantasyonu incelemiş ve Z. mobilis ile 30 °C ve pH 5,3 koşullarında başlangıç şekerinin gramı başına 0,42 g etanol elde etmiştir.
Ekstraksiyon basamağını azaltma fikri, keçiboynuzu atıklarının değerlendirilmesinde de öne çıkmaktadır. Bahry ve arkadaşları, Lübnan gıda sanayisinde keçiboynuzu şurubu hazırlanmasından kalan katı atıklardan ikinci nesil etanol üretimi için bir süreç tanımlamış; batık fermantasyon ile katı hal fermantasyonunu karşılaştırmıştır. Çalışmada katı hal fermantasyonunun işletilmesinin daha basit ve maliyet açısından daha etkin olduğu, tüketilen şekerin gramı başına 0,458 g etanol verimi sağlandığı bildirilmiştir.
Keçiboynuzu Atıkları ve İkinci Nesil Biyoetanol
"Birinci nesil" biyoetanol doğrudan gıda olarak da kullanılabilen şekerli veya nişastalı hammaddelerden üretilirken, "ikinci nesil" biyoetanol tarımsal ve endüstriyel atıklardan üretilir. Keçiboynuzu bu ayrımda ilginç bir konumdadır.
Keçiboynuzunun ana ekonomik değeri büyük ölçüde çekirdekten elde edilen gamdan gelir; pulp ise un, pekmez ve yem gibi ürünlere işlenir. İşleme sırasında ortaya çıkan küçük kırıklar ve pekmez ya da şurup üretiminden kalan posalar, hâlâ önemli miktarda şeker içerebilir. Lima-Costa ve arkadaşları keçiboynuzu işleme sanayisinin atık malzemelerini ikinci nesil biyoetanol için potansiyel bir kaynak olarak tanımlamaktadır.
Bu yaklaşım, keçiboynuzu sanayisinde döngüsel ekonomi açısından da anlamlıdır: Gıda ürünleri üretildikten sonra geriye kalan şekerli yan ürünlerin enerji veya kimyasal hammaddesine dönüştürülmesi, aynı hammaddeden daha fazla değer elde edilmesini sağlar.
Biyoetanol Dışındaki Fermantasyon Ürünleri
Keçiboynuzu şekerleri yalnızca etanol için değil, farklı biyoteknolojik ürünler için de besi ortamı olarak denenmiştir.
Sitrik asit: Roukas'ın 1998 tarihli çalışmasında Aspergillus niger küfüyle keçiboynuzu ekstraktından yüzey fermantasyonuyla sitrik asit üretimi incelenmiş; 200 g/L başlangıç şekeri, pH 6,5 ve 30 °C koşullarında 85,5 g/L'ye varan sitrik asit derişimi elde edilmiştir.
Laktik asit: Azaizeh ve arkadaşları keçiboynuzu, muz ve şeker kamışı biyokütlelerinden laktik asit üretimini incelemiş; keçiboynuzunda maya ekstraktı ilavesinin üretkenliği artırdığını bildirmiştir. Bahry ve arkadaşları da Lübnan gıda sanayisinin keçiboynuzu atıklarından, aljinat boncuklarına hapsedilmiş Lactobacillus rhamnosus ile laktik asit üretimini optimize etmiştir.
Mannitol: Carvalheiro ve arkadaşlarının çalışmasında, mannitol üreten sekiz laktik asit bakterisi takviye edilmiş keçiboynuzu şurubunda üretilmiş; tüm suşların fruktozun gramı başına 0,70 g'ın üzerinde verimle mannitol ürettiği bildirilmiştir.
| Ürün | Mikroorganizma (örnek) | Olası kullanım alanı |
|---|---|---|
| Etanol | Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis | Yakıt, çözücü, kimya sanayisi |
| Sitrik asit | Aspergillus niger | Gıda asitlendiricisi, ilaç ve temizlik ürünleri |
| Laktik asit | Bacillus coagulans, Lactobacillus rhamnosus | Gıda katkısı, biyoplastik (PLA) hammaddesi |
| Mannitol | Laktik asit bakterileri (Leuconostoc vb.) | Düşük kalorili tatlandırıcı, ilaç sanayisi |
Ekonomik ve Teknik Sınırlılıklar
Laboratuvar ve pilot ölçekte elde edilen umut verici sonuçlar, keçiboynuzunun endüstriyel ölçekte biyoetanol hammaddesi olarak kullanılabileceği anlamına gelmez. Bunun birkaç nedeni vardır:
| Hammadde maliyeti | Sánchez-Segado ve arkadaşlarının varsayımsal tesis için yaptığı ekonomik analiz, tesisin kârlılığının büyük ölçüde keçiboynuzu baklasının fiyatına bağlı olduğunu ve tesisin yalnızca belirli bir hammadde fiyatının altında kârlı olabildiğini göstermiştir. Kapasitenin artırılmasının da maliyetleri etkilediği bildirilmiştir. |
| Rekabet eden kullanımlar | Keçiboynuzu pulpu gıda (un, pekmez, şurup) ve yem sektörlerinde değerlendirilmektedir; bu kullanımlar genellikle enerji üretimine göre daha yüksek katma değer sunar. |
| Mevsimsellik ve arz | Keçiboynuzu yılda bir kez hasat edilir; sürekli çalışan bir tesis için hammaddenin depolanması gerekir. |
| Ekstraksiyon maliyeti | Saharkhiz ve arkadaşlarının da vurguladığı gibi şeker ekstraksiyonu maliyetli bir basamaktır; bu nedenle katı hal ve katı-batık fermantasyon gibi alternatifler araştırılmaktadır. |
Bu nedenlerle keçiboynuzundan biyoetanol üretimi, birincil ürün olarak değil, daha çok gıda işleme sonrası ortaya çıkan şekerli yan ürünlerin değerlendirildiği bir biyorafineri yaklaşımı içinde anlam kazanmaktadır.
Sık Sorulan Sorular
Keçiboynuzu neden biyoetanol için uygun bir hammadde olarak görülüyor? Keçiboynuzu pulpu kuru ağırlığının yaklaşık yarısına varan oranda şeker içerir ve bu şekerler büyük ölçüde serbest hâlde bulunduğu için suyla kolayca ekstrakte edilebilir.
Keçiboynuzundan ticari ölçekte biyoetanol üretiliyor mu? Bu yazıda incelenen kaynaklar ağırlıklı olarak laboratuvar, pilot ölçekli ve varsayımsal tesis çalışmalarıdır. Ekonomik analizler, kârlılığın hammadde fiyatına güçlü biçimde bağlı olduğunu göstermektedir.
İkinci nesil biyoetanol ne demek? Doğrudan gıda olarak kullanılan hammaddeler yerine tarımsal ve endüstriyel atıklardan üretilen biyoetanoldür. Keçiboynuzu işleme atıkları ve şurup üretim posaları bu kapsamda değerlendirilmektedir.
Keçiboynuzundan etanol dışında neler üretilebilir? Araştırmalarda sitrik asit, laktik asit ve mannitol gibi ürünler keçiboynuzu şekerlerinden fermantasyonla elde edilmiştir.
Carob Türkiye ile Keçiboynuzu Hammaddesi
Fermantasyon tabanlı uygulamalarda da gıda uygulamalarında olduğu gibi hammaddenin temizliği, nemi ve şeker içeriğinin tutarlılığı sonucu doğrudan etkiler. Araştırma ve geliştirme projelerinde standart nitelikte hammadde kullanmak, sonuçların tekrarlanabilirliği açısından da önemlidir.
Carob Türkiye olarak keçiboynuzu meyvesi, kırığı, unu/tozu, çekirdeği ve ekstraktı tedarik ediyoruz. İlgili ürünler için Keçiboynuzu Kırığı (Granül) ve Keçiboynuzu Ekstraktı sayfalarımızı, tüm ürün yelpazemiz için Ürünlerimiz sayfamızı inceleyebilirsiniz. Toptan ve ihracat talepleriniz için iletişim sayfamızdan bize ulaşabilirsiniz.
Yabancı kaynaklar
Turhan, I., Bialka, K. L., Demirci, A., Karhan, M., "Ethanol production from carob extract by using Saccharomyces cerevisiae", Bioresource Technology, 2010, 101(14), 5290–5296. doi.
org/ 10. 1016/ j. biortech. 2010. 01. 146 Yatmaz, E., Turhan, I., Karhan, M., "Optimization of ethanol production from carob pod extract using immobilized Saccharomyces cerevisiae cells in a stirred tank bioreactor", Bioresource Technology, 2013, 135, 365–371. doi.
org/ 10. 1016/ j. biortech. 2012. 09. 006 Lima-Costa, M. E., Tavares, C., Raposo, S., Rodrigues, B., Peinado, J. M., "Kinetics of sugars consumption and ethanol inhibition in carob pulp fermentation by Saccharomyces cerevisiae in batch and fed-batch cultures", Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 2012, 39(5), 789–797. doi.
org/ 10. 1007/ s10295- 011- 1079- 4 Rodrigues, B., Peinado, J. M., Raposo, S., Constantino, A., Quintas, C., Lima-Costa, M. E., "Kinetic and Energetic Parameters of Carob Wastes Fermentation by Saccharomyces cerevisiae: Crabtree Effect, Ethanol Toxicity, and Invertase Repression", Journal of Microbiology and Biotechnology, 2015, 25(6), 837–844. doi.
org/ 10. 4014/ jmb. 1408. 08015 Roukas, T., "Kinetics of ethanol production from carob pods extract by immobilized Saccharomyces cerevisiae cells", Applied Biochemistry and Biotechnology, 1994, 44(1), 49–64. doi.
org/ 10. 1007/ BF02921851 Bahry, H., Pons, A., Abdallah, R., Pierre, G., Delattre, C., Fayad, N., Taha, S., Vial, C., "Valorization of carob waste: Definition of a second-generation bioethanol production process", Bioresource Technology, 2017, 235, 25–34. doi.
org/ 10. 1016/ j. biortech. 2017. 03. 056 Sánchez-Segado, S., Lozano, L. J., de los Ríos, A. P., Hernández-Fernández, F. J., Godínez, C., Juan, D., "Process design and economic analysis of a hypothetical bioethanol production plant using carob pod as feedstock", Bioresource Technology, 2012, 104, 324–328. doi.
org/ 10. 1016/ j. biortech. 2011. 10. 046 Saharkhiz, S., Mazaheri, D., Shojaosadati, S. A., "Evaluation of bioethanol production from carob pods by Zymomonas mobilis and Saccharomyces cerevisiae in solid submerged fermentation", Preparative Biochemistry & Biotechnology, 2013, 43(5), 415–430. doi.
org/ 10. 1080/ 10826068. 2012. 741642 Vaheed, H., Shojaosadati, S. A., Galip, H., "Evaluation and optimization of ethanol production from carob pod extract by Zymomonas mobilis using response surface methodology", Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 2011, 38(1), 101–111. doi.
org/ 10. 1007/ s10295- 010- 0835- 1 Raposo, S., Constantino, A., Rodrigues, F., Rodrigues, B., Lima-Costa, M. E., "Nitrogen Sources Screening for Ethanol Production Using Carob Industrial Wastes", Applied Biochemistry and Biotechnology, 2017, 181(2), 827–843. doi.
org/ 10. 1007/ s12010- 016- 2252- z Roukas, T., "Carob pod: a new substrate for citric acid production by Aspergillus niger", Applied Biochemistry and Biotechnology, 1998, 74(1), 43–53. doi.
org/ 10. 1007/ BF02786885 Azaizeh, H., Abu Tayeh, H. N., Schneider, R., Klongklaew, A., Venus, J., "Production of Lactic Acid from Carob, Banana and Sugarcane Lignocellulose Biomass", Molecules, 2020, 25(13), 2956. doi.
org/ 10. 3390/ molecules25132956 Bahry, H., Abdalla, R., Pons, A., Taha, S., Vial, C., "Optimization of lactic acid production using immobilized Lactobacillus rhamnosus and carob pod waste from the Lebanese food industry", Journal of Biotechnology, 2019, 306, 81–88. doi.
org/ 10. 1016/ j. jbiotec. 2019. 09. 017 Carvalheiro, F., Moniz, P., Duarte, L. C., Esteves, M. P., Gírio, F. M., "Mannitol production by lactic acid bacteria grown in supplemented carob syrup", Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 2011, 38(1), 221–227. doi.
org/ 10. 1007/ s10295- 010- 0823- 5 Biner, B., Gubbuk, H., Karhan, M., Aksu, M., Pekmezci, M., "Sugar profiles of the pods of cultivated and wild types of carob bean (Ceratonia siliqua L.) in Turkey", Food Chemistry, 2007, 100(4), 1453–1455. doi.
Bilimsel Kaynaklarorg/ 10. 1016/ j. foodchem. 2005. 11. 037
