Kahverengi algler ile yüksek verimli koordineli biyoyakıt üretimi

Yenilenebilir enerji temelinde fosil yakıt bağımlılığından kaynaklanan krizlere sürdürülebilir bir yaklaşım içeren çözümler ele alınmasıdır. Biyokütleden elde edilen biyoenerji ise bu yaklaşımın dallarından biridir. Biyoenerji sıvı biyoyakıtları (etanol, biyodizel) ve gaz halindeki biyoyakıtları (hidrojen, metan) kapsar. Etanolun benzinle uyumlu olmasından dolayı belli başlı ülkelerde yaygın olarak kullanılır. Hidrojen ise yüksek ısı değerleri ve sıfır karbon salınımıyla önemli bir alternatif biyoyakıtı temsil eder.¹

Geleneksel üretim aşamalarında biyoetanol ve biyohidrojen üretimi ayrı süreçler ve farklı mikroorganizmalar içermektedir. Son araştırmalar hammadde olarak kahverengi algleri (phaeophyceae) parçalamak üzere karanlık fermantasyon için mikrobiyal bir katalizör olan Ethanoligenens harbinense’yi kullanan dikkate değer bir hidrojen-etanol ortak üretim yaklaşımı gösterilmiştir. Bu entegre sistem, gaz fazında hidrojeni sıvı fazda etanol ile yüksek ürün seçiciliğine ulaşarak basit ürün geri kazanımını kolaylaştırır.²

Sistemde kullanılan kahverengi algler, kaynak kullanımları sırasında gıda mahsullerine rakip olmadıkları, hızlı büyüme oranları ve biyodönüşümü engelleyen en az lignin ve selülozik bileşenleri içermeleri sebebiyle ideal bir üçüncü nesil biyoyakıt hammaddesini olarak görülmektedir.¹ Fermentatif hidrojen ve etanol üretiminde Nikotinamid Adenin Dinükleotit (NAD) ve redüklenmiş yani elektrona sahip NAD (NADH) içerir. Burada NADH’ın baskın bir elektron taşıyıcısı olarak üretilir. Glikolizin devamı için NAD gereklidir ve NADH’ın son elektron alıcılarına (proton, asetaldehit) aktarılması gerekir. NADH/NAD oranı, karanlık fermantasyonda hidrojen ve etanol üretimindeki verimliliği direkt etkiler.²

Günümüz genetik mühendislik teknikleri ile bu verimliliği artırmak için çalışmalar yapmaktadırlar. Bunlardan en dikkat çekici olanı ise NADH tüketimini azaltmak için rekabetçi genlerin silinmesi ve bu çalışma ile %53,13 daha yüksek NADH/NAD oranına katkıda bulunması buna bağlı olarak da hidrojen üretimini 1,13’ten 1,43 mol/mol-glukoz oranına çıkarmasıdır. Bununla birlikte çevresel parametrelerin düzenlenmesi de NADH üretimini artırabilen bir diğer unsurdur. L-sistein, nano sıfır değerlikli demir (nZVI) veya elektrotlar gibi donörler yoluyla eksojen elektronların eklenmesi, NADH seviyelerini artırabilir. Ancak, bu çalışmalar genel olarak NAD havuzu kapasitesini artırmaktan ziyade mevcut havuz içerisindeki NADH/NAD oranını değiştirmeye odaklanır.³

Önemli bir husus, yüksek yoğunluklu fermantasyon sırasında karmaşık substratların (lignoselülozik biyokütle vb.) kullanılmasıdır. Bu tür hammadeler, yapısal olarak parçalanması zor bileşenler içerdiğinden mikrobiyal hidroliz süresini uzatır ve fermentatif mikroorganizmların metabolik yükünü artırır.³ Bu süreç neticesinde NAD/NADH dengesi bozulabilir, ana metabolik yoldaki enzim aktivitesi yavaşlayabilir ve hücreler enerji açığını kapatmak için alternatif metabolik yollara yönelerek yan ürün oluşumunu artırabilir. Bu durum biyoyakıt verimini sınırlayan temel problemlerden biridir. Gen nakavtları gibi genetik mutasyonlar veya sıcaklık gibi fiziksel değişkenlerin ciddi kontrolünü içeren çoğu durum hücreler üzerinde yüksek metabolik yükler getirir ve maliyetin sürdürülebilirliğinin korunmasını zorlaştırır.² Bu sebeple NAD havuzunu genişletmek, biyoyakıt üretim optimizasyonunda hâlen çözülmesi gereken kritik bir konudur.

Anaerobik bakterilerde NAD, başlıca iki yol üzerinden sentezlenir: de novo ve kurtarma yolu. De novo sentez triptofan veya aspartattan başlayarak kinolinik asit ve nikotinik asit mononükleotidine dönüşürken, kurtarma yolu dış kaynaklı nikotinik asit (NA) veya nikotinamidi yeniden kullanır.² NA takviyesi, ek enerji maliyeti oluşturmadan NAD havuzunu genişletebilir, doza bağlı olarak ayarlanabilir ve endüstriyel koşullara uyum sağlayabilir.¹

Optimize edilmiş koşullar altında, NA ve nZVI’nın birlikte kullanımı, hidrojen verimini %84,05 ve etanol verimini %81,98 artırarak toplam biyoenerji dönüşüm verimliliğini (BioECE) %84,65’lik bir iyileşme ile %33,57 seviyesine çıkardı. Kahverengi alglerden sürdürülebilir biyoyakıt üretiminin karşısındaki metabolik darboğazları çözmeye yönelik bu iki stratejinin birleştirilmesi önümüzdeki yıllarda bu soruna yenilikçi çözümlerin gelebileceğinin sinyallerini veriyor. NAD havuzunu genişleten NA takviyesi ve harici elektron kaynağı olarak nZVI, Li Weiming ve arkadaşlarının koordineli mühendislik yaklaşımı biyoyakıt verimini artırmıştır.¹ Bu çalışmalar da gösteriyor ki deniz tabanlı biyorafinerilerin sürdürülebilir başarısına yeni bir yol açıyor.

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2025-08-scientists-strategy-boost-biofuel-production.html
2. Li, W., Bian, M., Jin, C., Zeng, X., & Jia, Y. (2025). Unlocking synergistic hydrogen-ethanol co-production from brown algae through nicotinic acid-mediated NAD pool expansion. International Journal of Hydrogen Energy, 159, 150575.
3. Kamran, M., & Turzyński, M. (2024). Exploring hydrogen energy systems: A comprehensive review of technologies, applications, prevailing trends, and associated challenges. Journal of Energy Storage, 96, 112601.