Βιοαποικοδόμηση χλωριωμένων αλκοολών - Κόντη, Αικατερίνη (Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2016)
Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μίας φιλικής προς το περιβάλλον διεργασίας για την αποτελεσματική αποικοδόμηση των αλοϋδρινών, 1,3-διχλωρο-2-προπανόλης (1,3-DCP) και 3-χλώρο-1,2-προπανεδιόλης (3-CPD). Οι συγκεκριμένες ενώσεις επιλέχθηκαν λόγω αφενός της επικινδυνότητας τους και αφετέρου λόγω της ευρείας παρουσίας τους σε βιομηχανικά απόβλητα. Μελετήθηκε η ικανότητα 75 βακτηριακών στελεχών να αποικοδομούν τις 1,3-DCP και 3-CPD. Από τα στελέχη αυτά επιλέχθηκε ως πιο αποτελεσματικό το βακτήριο Pseudomonas putida DSM 437. Ελέγχθηκε η ικανότητα καλλιεργειών του συγκεκριμένου μικροοργανισμού να αποικοδομούν διαφορετικές συγκεντρώσεις 1,3-DCP ή 3-CPD. Τα ποσοστά αποικοδόμησης για την 3-CPD ήταν χαμηλά (31,61% για αρχική συγκέντρωση 500 mg.L-1) ενώ για την 1,3-DCP δεν παρατηρήθηκε αποικοδόμηση σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των 100 mg.L-1. Προσαρμοσμένα σε χλωροπροπανόλες κύτταρα συλλέχθηκαν στην ύστερη εκθετική φάση, επαναδιαλύθηκαν σε μικρότερο όγκο ρυθμιστικού διαλύματος (σε σχέση με την αρχική καλλιέργεια) και χρησιμοποιήθηκαν για την μελέτη των κινητικών παραμέτρων της αποικοδόμησης της 1,3-DCP, της 3-CPD και μίγματος αυτών. Στην περίπτωση αυτή, παρατηρήθηκε αποικοδόμηση της 1,3-DCP σε όλο το εύρος των συγκεντρώσεων που χρησιμοποιήθηκαν (50-500 mg.L-1) ενώ αυξήθηκαν τα ποσοστά αποικοδόμησης και για την 3-CPD. Ο μέγιστος ρυθμός αποικοδόμησης της 1,3-DCP υπολογίστηκε σε 2,78.10-6 mmoles.mg DCW-1 .h-1 ενώ ο αντίστοιχος για την 3-CPD ήταν 1,28.10-5 mmoles.mg DCW-1 .h-1. Στην περίπτωση του μίγματος παρατηρήθηκε μείωση του ρυθμού αποικοδόμησης της κάθε ένωσης χωριστά χωρίς να καταστεί δυνατή η εξαγωγή ενός κινητικού μοντέλου. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε εσωκυτταρικό διάλυμα κυττάρων P. putida DSM 437 προσαρμοσμένων σε χλωροπροπανόλες για τον προσδιορισμό του μεταβολικού μονοπατιού που ακολουθεί η αποικοδόμηση καθώς και των κινητικών παραμέτρων. Σε δείγματα που προστέθηκε 1,3-DCP, μετά από 24h επώασης, ανιχνεύθηκαν 3-CPD και γλυκερόλη επιβεβαιώνοντας το προτεινόμενο από τη βιβλιογραφία μεταβολικό μονοπάτι. Η αποικοδόμηση της 3-CPD αποδείχτηκε ταχύτερη από αυτήν της 1,3-DCP με τις μέγιστες ταχύτητες να είναι 2,42.10-5 και 9,61.10-6 mmoles.mg πρωτεΐνης-1 .h-1, αντίστοιχα. Ο ρυθμός αποικοδόμησης της 1,3-DCP μειώθηκε παρουσία επιχλωρυδρίνης (του προϊόντος της αποχλωρίωσης της 1,3-DCP). Αντίστοιχα, παρατηρήθηκε μείωση του ρυθμού αποικοδόμησης της 3-CPD όταν προστέθηκαν επιχλωρυδρίνη ή γλυσιδόλη (ο προηγούμενος και ο επόμενος μεταβολίτης του μονοπατιού) στο διάλυμα της αντίδρασης. Μείωση του ρυθμού αποικοδόμησης της 3-CPD παρατηρήθηκε και όταν προστέθηκε 1,3-DCP στο μίγμα της αντίδρασης υποδηλώνοντας ενδεχομένως ανταγωνισμό των δύο υποστρώματα για το ίδιο ένζυμο. Τέλος, μελετήθηκε η αποικοδόμηση της 3-CPD από ακινητοποιημένα σε αλγινικό ασβέστιο κύτταρα P. putida DSM 437. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές διεργασίες: σύστημα διαλείποντος έργου με σφαιρίδια σε κωνικές φιάλες, συνεχής βιοαντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης (CSTR) και βιοαντιδραστήρας σταθερής κλίνης (PBR). Το σύστημα διαλείποντος έργου παρουσίασε υψηλότερους ρυθμούς αποικοδόμησης από τα δύο συνεχή συστήματα. Στα συστήματα αυτά, παρατηρήθηκε ίδια αποικοδόμηση 3-CPD σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης (συγκέντρωση 3-CPD στην είσοδο 200 mg.L-1). Οι περιορισμοί λόγω της εξωτερικής μεταφοράς μάζας ήταν αμελητέοι σε όλα τα συστήματα που εξετάστηκαν (Ω<<1 και Bi>1). Αντίθετα, η ενδοσωματιδιακή διάχυση είχε σημαντική επίδραση σε όλα τα συστήματα. Το μέτρο του Thiele κυμάνθηκε από 2,5 έως 11 στο σύστημα διαλείποντος έργου ανάλογα με το κυτταρικό φορτίο που χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία των σφαιριδίων. Συγκρίνοντας τα συστήματα στο ίδιο κυτταρικό φορτίο, ο PBR επηρεάζεται λιγότερο από τους περιορισμούς στην εσωτερική διάχυση σε σύγκριση με τον CSTR και το σύστημα διαλείποντος έργου παρουσιάζοντας τον υψηλότερο συνολικό παράγοντα αποτελεσματικότητας.