Glukonik asit ve 5-hidroksimetil furfuralın eş zamanlı olarak üretilmesi

Glukonik asit (GA), glukozun oksidasyonu sonucu açığa çıkan, yaygın kullanımı nedeniyle ticari olarak en fazla üretilen üçüncü organik asittir. 5-Hidroksimetil furfural (HMF) ise gelecek vadeden biyoyakıtların yanı sıra faydalı kimyasallara dönüştürülebilen önemli bir biyo-tabanlı platform kimyasallarından biridir. Bu çalışmada, halihazırda farklı tesisler, mekanizmalar ve hammaddelerle üretilen bu değerli platform kimyasallarını tek bir proseste, aynı substrat kaynağından daha düşük maliyetlerle birlikte üretiminin sağlanması amaçlanmıştır. Çalışmada, ilk olarak glukoz ve fruktoz monomerlerinden oluşan sakkaroz, invertaz enzimi ile hidroliz edilmiştir. Sakkarozun hidroliziyle elde edilen hidrolizattaki glukozdan, E. coli W pqq+ rekombinant suşu kullanılarak erlenlerde iki aşamalı bir deneysel tasarımla GA üretilmiştir. İlk aşamada, Placket-Burman (PB) tarama deneyleri kullanılarak GA üretimi için önemli besiyeri bileşenleri, hidrolizat, kalsiyum karbonat (CaCO3), pepton ve amonyum fosfat olarak belirlenmiştir. İkinci aşamada, PB tarama deneyleri ile GA üretiminde önemli olan besiyeri bileşenlerinin ayrıntılı optimizasyonu, Merkezi Kompozit Dizayn (MKD) yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. MKD tasarımı sonucunda, maksimum GA (93,5 ± 2,95 g/L) üretiminde incelen bağımsız değişkenlerin optimum değerleri, hidrolizat 190 g/L, CaCO3 25 g/L, pepton 2 g/L ve amonyum fosfat 1,13 g/L olarak belirlenmiştir. Biyoreaktörde GA üretim durumunu incelemeden önce, erlenlerde fermantasyon ortam bileşenleri yanında ortam şartlarının belirlenmesi amacıyla MKD ile bir ortam optimizasyonu daha gerçekleştirilmiştir. Tasarım sonucunda, sıcaklık 36,3 oC, karıştırma hızı 250 rpm ve ekim konsantrasyonu %9 olarak belirlenmiştir. Erlen deneylerinde elde edilen sonuçlar kullanılarak biyoreaktörde GA üretimi için biyoreaktör işletme koşulları yine MKD ile araştırılmıştır. Biyoreaktörde maksimum GA verimliliği (3,20 g/L.saat), havalandırma hızının 10,82 L/dakika, karıştırma hızının 656,87 rpm ve CaCO3 konsantrasyonunun 16,90 g/L olduğu şartlarda elde edilmiştir. Erlen ve biyoreaktör deneylerinde, rekombinant suş substrat kaynağı olarak sadece glukozu kullandığından, fruktoz miktarı neredeyse hiç değişmeden fermantasyon ortamında kalmıştır. Son olarak, içeriğinde GA ve fruktozun bulunduğu biyoreaktör sıvısı ve 2-Metiltetrahidrofuran organik çözücüsünden oluşan bifazik sistemde, fruktozdan HMF üretimi ve verimi MKD kullanılarak, optimum noktada sırasıyla 0,052 g ve %54,30 olarak belirlenmiştir. Bifazik sistemin sıvı fazında bulunan GA miktarı %98,35 oranında korunmuştur. Bifazik sistemin farklı fazlarında üretilen GA ve HMF ayırma hunisi yardımıyla birbirinden ayrılmıştır. Daha sonra, vakumlu evaporatör yardımıyla HMF ve organik çözücü birbirinden ayrılarak organik çözücü yaklaşık %70 oranında geri kazanılmıştır.