Παραγωγή βιοαιθανόλης από προκατεργασμένα με έκρηξη ατμού στελέχη αραβοσίτου και βελτίωση της διεργασίας με τη χρήση καινοτόμων βιοκαταλυτών - Ζαχαροπούλου, Μαρία (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας, 2016)
Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στην παραγωγή βιοαιθανόλης από στέλεχος αραβοσίτου (corn stover) και στη βελτίωση των επιμέρους σταδίων της διεργασίας. Στο πρώτο μέρος της εργασίας μελετήθηκε η παραγωγή βιοαιθανόλης από στέλεχος αραβοσίτου με διαφορετικές προκατεργασίες και σε συνθήκες υψηλής συγκέντρωσης στερεών (high gravity). Εκπονήθηκαν πειράματα με τρία υλικά τα οποία είχαν προκατεργαστεί με τη μέθοδο έκρηξης ατμού- steam explosion (Δείγματα Α-Γ) και ένα υλικό που είχε προκατεργαστεί με τη μέθοδο organosolv (Δείγμα Δ). Τα δείγματα που είχαν υποστεί έκρηξη ατμού διέφεραν στις συνθήκες της προκατεργασίας και ειδικότερα στη συγκέντρωση προστιθέμενου H2SO4 (Δείγμα Α: 0% H2SO4, Δείγμα Β: 0.2% H2SO4, Δείγμα Γ: 1.0% H2SO4). Στόχος των πειραμάτων ήταν αφενός η επιλογή της βέλτιστης εκ των συνθηκών κατά την έκρηξη ατμού (Δείγματα Α-Γ) και, αφετέρου, η σύγκριση της αποτελεσματικότητας των δύο μεθόδων προκατεργασίας (Δείγματα Α-Γ και Δ). Ο κύριος άξονας της εργασίας περιλαμβάνει ανάλυση σύστασης, ανάλυση κρυσταλλικότητας, δοκιμαστική ενζυμική υδρόλυση σε μικρή κλίμακα και ζύμωση σε μικρή κλίμακα, ώστε να διαπιστωθούν οι βέλτιστες συνθήκες κάθε σταδίου της διεργασίας, αλλά και να επιλεγούν τα υλικά με την καλύτερη συμπεριφορά. Στη συνέχεια, για τα δείγματα που επιλέχθηκαν από τις σειρές πειραμάτων ακολούθησε υδρόλυση και ζύμωση σε υψηλές συγκεντρώσεις στερεών (high gravity), με στόχο την επίτευξη υψηλής συγκέντρωσης αιθανόλης στο μίγμα της ζύμωσης. Αρχικά, η ανάλυση σύστασης των υλικών (πρωτόκολλο NREL) υπέδειξε απομάκρυνση λιγνίνης στο Δείγμα Δ και απομάκρυνση ημικυτταρίνης στα δείγματα που κατεργάστηκαν με έκρηξη ατμού, με τη μεγαλύτερη απομάκρυνση να παρουσιάζεται στο Δείγμα Γ λόγω της υψηλής συγκέντρωσης προστιθέμενου οξέος. Παράλληλα, παρατηρήθηκε υποβάθμιση στο Δείγμα Γ πιθανότατα λόγω υδρόλυσης της κυτταρίνης κατά την προκατεργασία. Η ανάλυση κρυσταλλικότητας των υλικών πραγματοποιήθηκε με περίθλαση ακτίνων X και υπέδειξε αύξηση κρυσταλλικότητας των προκατεργασμένων υλικών σε σχέση με την πρώτη ύλη (CrIπρώτης ύλης= 55.5, CrIΑ= 59.8, CrIΒ= 57.7, CrIΓ= 64.8, CrIΔ= 62.1), με τη μεγαλύτερη αύξηση να εμφανίζεται στα υλικά από όπου απομακρύνθηκε μεγαλύτερο ποσοστό ημικυτταρίνης ή/και λιγνίνης. Ακολούθησε ενζυμική υδρόλυση μικρής κλίμακας σε συμβατικό σύστημα ανάδευσης (κωνικές φιάλες) με χαμηλή συγκέντρωση στερεών (10% w/v), όπου ελέγχθηκε η επίδραση της διαφορετικής συγκέντρωσης ενζύμου στην υδρόλυση της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου (enzyme loading) για όλα τα υλικά. Παρατηρήθηκε υψηλότερη απελευθέρωση γλυκόζης στα Δείγματα Β και Δ, με τις μέγιστες συγκεντρώσεις γλυκόζης στο πέρας της υδρόλυσης (72h) να διαμορφώνονται ως εξής: Α (49.1 ± 0.99 g/L), Β (53.2 ± 1.23 g/L), Γ (41.7 ± 0.62 g/L), Δ (59.4 ± 0.45 g/L). Οι μέγιστες αποδόσεις υδρόλυσης βάσει της θεωρητικής απελευθερούμενης ποσότητας γλυκόζης κυμαίνονταν στο διάστημα 74%90%, μέσα στα πλαίσια των τιμών που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Επιλέχθηκε, τέλος,