Ανάπτυξη ολοκληρωμένης διεργασίας παραγωγής βιοαιθανόλης από υδροθερμικά προκατεργασμένη λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα. - Πάσχος, Θωμάς (Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2016)
Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης διεργασίας για την παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε ως πρώτη ύλη ήταν το υδροθερμικά κατεργασμένο άχυρο σίτου. Το άχυρο σίτου μετά από υδροθερμική κατεργασία δίνει ένα πλούσιο σε κυτταρίνη στερεό κλάσμα (50%) το οποίο είναι ιδανικό για χρήση σε διεργασίες ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης. Για την βιομετατροπή του κατεργασμένου αχύρου σε αιθανόλη χρησιμοποιήθηκαν: εμπορικά ενζυμικά σκευάσματα (Celluclast 1,5L – Novozyme 188) και το ενζυμικό σύστημα του μύκητα Fusarium oxysporum F3 για την υδρόλυση των πολυμερών σε μεταβολίσιμα σάκχαρα, η ζύμη Saccharomyces cerevisiae και ο μύκητας F. oxysporum για την μετατροπή των σακχάρων σε αιθανόλη. H ζύμη S. cerevisiae είναι ένας διαδεδομένος μικροοργανισμός για τον οποίο έχει διεξαχθεί σημαντικός αριθμός μελετών. Σε αντίθεση η ανθεκτικότητα του μύκητα F. oxysporum στις αντιξοότητες της διεργασίας παραγωγής βιοαιθανόλης δεν έχει μελετηθεί επαρκώς. Έτσι κρίθηκε σκόπιμο να μελετηθεί αρχικά το ενζυμικό και το μεταβολικό σύστημα του μύκητα ως προς την αντοχή και ανθεκτικότητά τους α) στις παρεμποδιστικές ενώσεις που σχηματίζονται κατά την υδροθερμική κατεργασία και β) στο κύριο προϊόν της ζύμωσης, την αιθανόλη. Επίδραση των παρεμποδιστών εμφανίστηκε κατά την αερόβια ανάπτυξη του μύκητα τόσο στην τελική απόδοση σε βιομάζα όσο και στο ρυθμό ανάπτυξης του μύκητα. Επίσης, στις περισσότερες περιπτώσεις παρατηρήθηκε αύξηση της λανθάνουσας φάσης ανάπτυξης. Η ικανότητα του μύκητα να μεταβολίζει τα σάκχαρα σε αιθανόλη επηρεάζεται σημαντικότερα από τα καρβοξυλικά οξέα. Αντίθετα, [ii] το ενζυμικό σύστημα του μύκητα επηρεάζεται λιγότερο από τις παρεμποδιστικές ενώσεις. Η μελέτη της επίδρασης της αιθανόλης στην ανάπτυξη και την ικανότητα του μύκητα να μεταβολίζει τα σάκχαρα σε αιθανόλη έγινε με αρχικές συγκεντρώσεις αιθανόλης μεταξύ 0% και 6% β/ο. Από τα πειραματικά δεδομένα εξάγεται το συμπέρασμα ότι η αιθανόλη παρεμποδίζει την ανάπτυξη του μύκητα F. οxysporum σε αερόβιες συνθήκες. Η παρουσία αιθανόλης στο μέσο καλλιέργειας φαίνεται να έχει σημαντική αρνητική επίδραση και στο ρυθμό ανάπτυξης. Η παρουσία 4% (β/ο) αιθανόλης στο μέσο ανάπτυξης αναστέλλει το ποσοστό παραγωγής βιομάζας σε βαθμό μεγαλύτερο του 70%. Επίσης, η παρεμπόδιση που προκαλεί η αιθανόλη στη μεταβολική δράση του μύκητα σε αναερόβιες συνθήκες είναι ακόμα πιο έντονη. Για υπόστρωμα γλυκόζη συγκέντρωσης 2% β/ο, και αρχική συγκέντρωση αιθανόλης 4% β/ο προκύπτει μείωση της καθαρής παραγωγής αιθανόλης κατά 84%. ενώ για μεγαλύτερες αρχικές συγκεντρώσεις αιθανόλης, ο αναερόβιος μεταβολισμός των κυττάρων του μύκητα πρακτικά σταματά. Τέλος, δείχτηκε ότι εάν η αιθανόλη αφαιρεθεί από σύστημα, ο F. oxysporum ανακτά τη μεταβολική του ενεργότητα. Εν συνεχεία, μελετήθηκε η δυνατότητα να αξιοποιηθεί το πλούσιο σε ημικυτταρίνη Υγρό Κλάσμα (ΥΚ) της προκατεργασίας. Από τα αποτελέσματα φάνηκε ότι το ΥΚ είναι έντονα τοξικό για το μύκητα και δεν είναι αποδοτική η παραγωγή αιθανόλης με τη χρήση του ως πηγή άνθρακα. Επιπλέον, η παραγωγή αιθανόλης ήταν χαμηλή και οικονομικά ασύμφορη ακόμα και όταν πραγματοποιήθηκε μερική αποτοξικοποίηση του. Για την ικανοποιητική βιομετατροπή της πρώτης ύλης σε αιθανόλη επιχειρήθηκε η εισαγωγή ενός σταδίου μείωσης του ιξώδους με σκοπό τη ρευστοποίηση του υλικού πριν τη ζύμωση. Το στάδιο αυτό επετεύχθη με την κατασκευή ενός ειδικού ενζυμικού αντιδραστήρα ρευστοποίησης με τον [iii] οποίο επιτυγχάνεται σημαντική μείωση στο ιξώδες του μίγματος και απελευθέρωση σακχάρων, με τη χρήση του εμπορικού ενζυμικού συστήματος Celluclast 1,5L – Novozyme 188 . Μετά τη ρευστοποίηση του υλικού, έγινε μελέτη της δυνατότητας του ενζυμικού και μικροβιακού συστήματος του μύκητα F. oxysporum να συνδράμει στην ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση του ρευστοποιημένου υλικού. Δείχτηκε ότι η προσθήκη των ενζύμων του F. oxysporum κατά την ζύμωση βοηθά σημαντικά στην απόδοση της διεργασίας. Επίσης, με την ταυτόχρονη προσθήκη ενζύμων (6 FPU g-1 ΞΜ) και κυτταρικής μάζας του μύκητα (70 mg κυττάρων g-1 ΞΜ), επετεύχθη τελική συγκέντρωση αιθανόλης 62 g/L, διπλάσια από την καλλιέργεια με πλήρη απουσία ενζύμων ή κυττάρων του μύκητα. Έτσι για να γίνει δυνατή η αξιοποίηση της ενζυμικής και μεταβολικής δράσης του F. oxysporum, σχεδιάστηκε μία ενοποιημένη διεργασία για την ταυτόχρονη εισαγωγή στη ζύμωση καλλιέργειας του μύκητα (περιέχει ενζυμικές ενεργότητες και κυτταρική βιομάζα) και ξηρής ζύμης αρτοποιίας. Με αυτή την διαδικασία δεν γίνεται ξεχωριστή παραγωγή ενζύμων και κυτταρικής μάζας, αλλά προστίθενται στη ζύμωση μέσω μιας στερεής καλλιέργειας του μύκητα Σε αυτή την περίπτωση η μέγιστη παραγωγή αιθανόλης ήταν 58 g/L, αυξάνοντας την απόδοση σε αιθανόλη κατά 19% σε σχέση με την απουσία του συστήματος του μύκητα. Το αποτέλεσμα αυτό είναι αντίστοιχο του προηγούμενου, καταφέρνοντας όμως την απαλοιφή από τη διεργασία των ξεχωριστών σταδίων παραγωγής ενζύμων και βιομάζας. Η ενοποιημένη διεργασία που προτείνεται στην παρούσα διατριβή, αυξάνει σημαντικά την απόδοση σε αιθανόλη μειώνοντας ταυτόχρονα το γενικό κόστος της διεργασίας. Τέλος, με βάση όλα τα ανωτέρω αποτελέσματα μελετήθηκε ένα πλούσιο σε ημικυτταρίνη προκατεργασμένο άχυρο σίτου στο οποίο δεν έγινε [iv] διαχωρισμός της υγρής και της στερεής φάσης της προκατεργασίας., καθώς και η χρήση ενός πιλοτικού μίγματος θερμοενζύμων. Με αυτό το υλικό η μέγιστη παραγωγή αιθανόλης περιορίστηκε στα 35 g L-1. Κάτι που οδηγεί στο συμπέρασμα ότι είναι απαραίτητος το διαχωρισμός του υγρό και του στερεού κλάσματος σε μια διεργασία υδροθερμικής προκατεργασίας.