Ksilozun elde edilme yöntemleri

Lignoselülozik kaynaklardan ksiloz üretimi için farklı yöntemler mevcuttur. Bunlar arasında en yaygın kullanılan yöntem seyreltik asit hidrolizasyonudur; ancak yöntemin spesifik olmaması, hidrolizasyon sonucu ek işlemler gerektirmesi ve korozif kimyasallare ihtiyaç duymasından dolayı enzimatik olarak ksiloz üretimide son yıllarda araştırılmaktadır.

19 Asit Hidrolizi

Ksiloz üretiminde ekonomik olması, kolay olması, hızlı ve etkili bir yöntem olmasından dolayı lignoselülozik materyallerin seyreltik asit hidrolizi yaygın olarak kullanılmaktadır. Asit hidrolizi konsantre asit/düşük sıcaklık ya da seyreltik asit/yüksek sıcaklık şeklinde kullanılan bir yöntemdir (Saha., 2003; Girio ve ark., 2010). Asit hidrolizinde yaygın olarak kullanılan asitler HCl, H2SO4 ve TFA gibi mineral asitleridir. Bu asitler arasında yaygın olarak kullanılan H2SO4’dür; çünkü hidrolizasyonun sonunda nötralizasyon sonucunda ürünlerin kolay uzaklaştırılmasından dolayı tercih edilmektedir (Girio ve ark., 2010).

Seyreltik asitle lignoselülozik materyallerin hidrolizasyonu yüksek sıcaklık (160 ºC’den büyük) /düşük konsantrasyon (%5-10,w/w) düşük sıcaklık (160 ºC’den küçük)/ yüksek konsantrasyon (%10-40,w/w) olmak üzere iki şekilde yapılabilir. Yüksek sıcaklıkta seyreltik asit uygulamaları genellikle hemiselülozun amorf ve dallanmış yapısından dolayı kolaylıkla ksiloz, arabinoz gibi suda çözünebilir şekerleri hidroliz eder iken; selüloz ve lignin aynı koşullarda hidrolize olmaz ve katı kısımda çoğunluğu lignin olacak şekilde selüloz ve lignin kalır. Düşük sıcaklıkta konsantre asit uygulamasında hem hemiselüloz hem de selüloz hidroliz edilebilir. Bu nedenle ksiloz üretiminde yüksek sıcaklıkta seyreltik asit uygulaması kullanılmaktadır (Saha., 2003; Girio ve ark., 2010).

Asit hidrolizasyon işlemi, lignoselülozik materyallerin asit hidrolizi sırasında bünyesinde bulunan polisakkaritlerin yapısındaki diğer şekerlerinde hidrolize olmasına neden olması, asitin korozif etkisi, hidrolizasyon sonucu istenmeyen atıkların ve nötralizasyon ürünlerininin oluşumuna neden olması gibi bazı dezavantajlara sahiptir (Saha., 2003; Bostancı., 2009; Girio ve ark., 2010). Ayrıca seçici bir yöntem olmadığından, elde edilen hidrolizatta, ksilozun yanında lignoselülozik biyokütlenin yapısında doğal olarak bulunan diğer şekerler (glukoz veya arabinoz gibi) ortaya çıkmaktadır. Özellikle ortamda glukozun fazla miktarda bulunması, ksilozun mikrobiyal fermantasyonunda rol oynayan bazı mayaları olumsuz etkilemektedir (Parajó ve ark., 1998). Lignoselülozik materyallerin hidrolizasyonu esnasında; ksiloz parçalanma ürünü olarak açığa çıkan furfural, heksoz parçalanma ürünü olan 5-hidroksi metil furfural ve bunun bozunma ürünü olan levülinik asit ve formik asitin de mayalar üzerine toksik

20

etkisi bulunmaktadır. Ligninin parçalanması ile oluşan fenolik bileşiklerin ve hemiselülozun yapısından kaynaklanan ve hidrolizasyon esnasında açığa çıkan asetik asitin de, fermantasyon mayaları üzerine olumsuz etkisi bulunur. Fenolik bileşenler hem hücre büyümesini hemde şeker kullanımını düşürür. Asetik asit de, ortam pH’sını düşürerek, fermantasyon mikroorganizmaları üzerine olumsuz etki yaratmasının yanı sıra formik asit ve levulinik asit gibi asitlerle beraber toksik etki yaratır (Parajo ve ark., 1998; Arslan, 2007). Şekil 2.5’de lignoselülozik maddenin asit hidrolizinde oluşan bileşenler gösterilmiştir (Arslan, 2007). Yukarda belirtlilen nedenlerden dolayı ksiloz üretimi için daha seçici üretim yöntemleri her zaman araştırılmaktadır.

Şekil 2.5. Lignoselülozik materyallerden asit hidrolizi ile oluşan bileşenler (Arslan, 2007).

Literatürde; Sun ve ark., (2002) ile Akpınar ve ark., (2011a) pamuk sapından 140°C’de %6’lık H2SO4 konsantrasyonunda 15 dakika hidrolizinden, Akpınar ve ark.

21

(2011b) ayçiçeği ve tütün saplarından sırasıyla 120°C’de 30 dk %4 H2SO4 ve133°C’de 27 dk %4,9 H2SO4 ile ksiloz üretmişlerdir. Tellez- Luis ve ark. (2002) 122 ºC’de 3 farklı H2SO4 konsantrasyonunda (%2, 4, 6) sorghum sapından, Rafiqual ve Mimi Sakinah (2012b) meranti ağacı talaşının 125°C’de, 60 dk, %4 H2SO4 ile hidrolizinden 17,9 g/l ksiloz, Canettieri ve ark.(2007) okaliptus ağacından, 157°C’de 20 dk %0,65 H2SO4 ile hidrolizinden 1,65 g/l glukoz, 13,65 g/l ksiloz, 1,55 g/l arabinoz, 3,10 g/l asetik asit elde edilmiştir.

Enzimatik Hidroliz

Ksilan, asitle hidroliz edildiği gibi, enzimle de hidroliz edilebilir. Ksilanın enzimatik hidrolizi diğer yöntemlerle karşılaştırıldığı zaman daha spesifiktir. Hidrolizasyon daha ılımlı koşullarda gerçekleşir. Enzimatik hidrolizde, korozif kimyasallara ihtiyaç duyulmaması, asit hidrolizi gibi işlem sonunda nötralizasyon gerektirmemesi, zararlı yan ürünler ya da atıkların da oluşmamasından dolayı enzimatik hidroliz, asit hidrolizine tercih edilmektedir. Enzimatik hidrolizde enerji ihtiyacı düşüktür (Bostancı, 2009; Otieno ve Ahring, 2012).

Lignoselülozik biyokütlede ksilan genellikle ksilan-lignin kompleksi şeklinde bulunduğundan hidrolizasyona karşı dirençlidir; bu nedenle ilk önce ksilanın lignoselülozik biyokütleden izole edilmesi ve bunu takiben ksilanın enzimatik hidrolizinin gerçekleştirilmesi geekmektedir (Vazquez ve ark., 2000; Moure ve ark., 2006; Erdoğan ve Akpınar, 2008). Lignoselülozik materyallerden ksilanın izolasyonunda, NaOH, KOH, Ca(OH)2, NH3 ve H2O2 ya da bu bileşiklerin karışımından oluşan alkaliler kullanılabilir (Pellerin ve ark., 1991; Zilliox ve Debeire, 1998; Sun ve ark., 2002; Yoon ve ark., 2006). Ksilan polimerlerin pH stabilitesinden dolayı, lignoselülozik materyallerden ksilanın alkali ile izolasyonu sıkça tercih edilen bir yöntemdir (Vazquez ve ark., 2000); ancak bu işlem nötralizasyon işlemi gerektirmekte ve bu şekilde maliyetleri daha artırmakta, hem de çevre açısından alkali kirliliğine yol açmaktadır (Günay, 2010).

Ksilan izolasyonunda kullanılan bir diğer yöntem de otohidrolizdir. Otohidroliz yönteminde biyokütlenin yüksek sıcaklıklarda (130ºC–230ºC) su eşliğinde muamelesi, suyu oto iyonize ederek ksilanın parçalanmasına ve ksilanın deasetilasyonuna (asetik

22

asit üretimi ile ortamdaki hidronyum iyonunun artmasına) neden olur (Vegas ve ark., 2006). Otohidroliz yöntemi ile ksilan hidrolizinde geniş polimerizasyon derecesi aralığında ksilan ve ksilan parçalanma ürünleri (ksilooligosakkaritler) oluşur. İşlem sonunda elde edilen ürünlerin 1/4 kadarı molekül ağırlığı çok küçük moleküller (monosakkarit), geri kalan kısmı ise büyük polimerizasyon dereceli oligomerlerdir (Günay, 2010). Üretilen ksilan parçalanma ürünlerinin polimerizasyon dereceleri oldukça büyük olduğundan (polimerizasyon derecesi>10); ksilanın yüksek sıcaklıklarda suyla özütlenmesi veya buharla özütlenmesi ya da otohidroliz yöntemi olarak da bilinir (Garrote ve ark., 2002; Moure ve ark., 2006). Yapılan çalışmalarda bu yöntemle, lignoselülozik materyallerdeki hemiselülozun %55-85 düzeyinde çözünür hale getirildiği, selüloz ve lignini önemli ölçüde etkilemediği görülmüştür (Garrotte ve ark., 2002; Girio ve ark., 2010). Otohidroliz işlemi sonunda; düşük düzeyde fermantasyon inhibitörü içeren hemiselüloz hidrolizatı ile selüloz ve lignince zengin katı kısım elde edilir (Girio ve ark., 2010) ve oluşan hemiselüloz hidrolizatı da ksilanazlar için uygun bir substrat olarak hizmet edebilir.