Παραγωγή βιοαιθανόλης από διατροφικά απορρίμματα - Γιαννακοπούλου, Θεοδώρα (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών, 2015)
Τα διατροφικά απορρίμματα ανήκουν στην κατηγορία των βιοαποβλήτων, τα οποία αποτελούν ένα σημαντικό ποσοστό των αστικών στερεών αποβλήτων (ΑΣΑ). Λόγω της μεγάλης περιεκτικότητάς τους σε ζυμώσιμα σάκχαρα, αποτελούν κατάλληλη πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαιθανόλης, ενός εναλλακτικού ανανεώσιμου καυσίμου κίνησης. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη των παραμέτρων που επηρεάζουν την υδρόλυση και τη ζύμωσή τους προς παραγωγή βιοαιθανόλης. Τα διατροφικά απορρίμματα, τα οποία, μεταξύ άλλων, περιείχαν κυτταρίνη (18.30%, w/v), ημικυτταρίνη (7.55%, w/v) και υδατοδιαλυτά συστατικά (31.81%, w/v) χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή πειραμάτων υδρόλυσης και ζύμωσης. Αρχικά, εξετάστηκε η επίδραση του ενζυμικού φορτίου και της υδροθερμικής προκατεργασίας (απουσία και παρουσία θειικού οξέος) του υλικού στην ενζυμική υδρόλυση των διατροφικών απορριμμάτων. Δείγματα διατροφικών απορριμμάτων υπέστησαν ενζυμική υδρόλυση με χρήση μείγματος κυτταρινασών ολικής ενεργότητας 5, 10 και 20 FPU/g ξηρού υλικού. Αποδείχθηκε ότι η υδρόλυση ευνοείται από την αύξηση του ενζυμικού φορτίου και από την προκατεργασία του υλικού, ενώ η προσθήκη αραιού οξέος οδηγεί σε ακόμη καλύτερα αποτελέσματα. Η μέγιστη συγκέντρωση γλυκόζης (41.45 g/L) προέκυψε κατά την υδρόλυση προκατεργασμένων, παρουσία οξέος, διατροφικών απορριμμάτων με χρήση 20 FPU κυτταρινασών/g ξηρού υλικού, ενώ η αποικοδόμηση των ολικών πολυσακχαριτών κυμάνθηκε σε ποσοστά άνω του 60% σε όλες τις εξετασθείσες περιπτώσεις. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης υποστρώματος (30% και 50%, w/v) και της θερμοκρασίας προκατεργασίας (85, 100 και 120 οC) στην ενζυμική υδρόλυση των διατροφικών απορριμμάτων. Η αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος οδήγησε σε αύξηση της παραγόμενης γλυκόζης, ενώ τα πιο ικανοποιητικά αποτελέσματα, και για τις δύο εξετασθείσες συγκεντρώσεις, προέκυψαν από τα προκατεργασμένα, παρουσία μικρής ποσότητας θειικού οξέος (1g H2SO4/100 g ξηρού υλικού), δείγματα στους 100 οC για 60 λεπτά. Πραγματοποιήθηκαν, ακόμη, δοκιμές βιομετατροπής των διατροφικών απορριμμάτων, προκειμένου να ευρεθούν οι συνθήκες (ενζυμικό φορτίο, συγκέντρωση υποστρώματος, είδος διεργασίας) που μεγιστοποιούν την παραγωγή βιοαιθανόλης με εφαρμογή της διεργασίας ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης (SSF). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της διεργασίας SSF, o διπλασιασμός του ενζυμικού φορτίου από τα 5 στα 10 FPU/g ξηρού υλικού δεν επηρέασε σημαντικά την παραγωγή αιθανόλης, σε αντίθεση με το διπλασιασμό του από τα 10 στα 20 FPU/g ξηρού υλικού, που προκάλεσε αύξηση της συγκέντρωσης της παραγόμενης αιθανόλης κατά 14-16%. Η αύξηση της συγκέντρωσης υποστρώματος οδήγησε σε αύξηση της παραγόμενης αιθανόλης, μειώνοντας, όμως, την απόδοση της διεργασίας. Με την προσθήκη νέου υλικού στην ήδη υπάρχουσα καλλιέργεια, αυξήθηκε τόσο η παραγόμενη αιθανόλη όσο και η απόδοση, αλλά κατέστη δυσκολότερη η διαχείριση του υλικού, λόγω του πολύ μεγάλου ιξώδους του. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίστηκε στο επόμενο στάδιο επιτυχώς, με προϋδρόλυση του υλικού. Τα ποσοστά επί των θεωρητικών αποδόσεων, με βάση τα μη δομικά σάκχαρα και την κυτταρίνη, κυμάνθηκαν σε υψηλά επίπεδα (μεγαλύτερα του 60%), ενώ η παραγωγικότητα της διεργασίας κυμάνθηκε από 0.32 έως 1.26 g/(L∙h). Τέλος, εφαρμόστηκε διεργασία μη ισοθερμοκρασιακής ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης (NSSF) ημιδιαλείποντος έργου σε προϋδρολυμένα δείγματα τελικής συγκέντρωσης 40% (w/v), χρησιμοποιώντας ενζυμικό φορτίο ολικών κυτταρινασών 7 FPU/g ξηρού υλικού. Η μέγιστη συγκέντρωση παραγόμενης αιθανόλης ανήλθε στα 42.66 g/L (10.7 g/100g ξηρού υλικού) και η παραγωγικότητα στα 1.19 g/(L∙h).