Αξιοποίηση στελεχών αραβοσίτου για την παραγωγή βιοαιθανόλης και βιοενεργών ουσιών - Δέδες, Γρηγόριος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV), 2017)
Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της παραγωγής βιοαιθανόλης από προκατεργασμένα με υγρή οξείδωση στελέχη αραβόσιτου, καθώς και της δράσης μιας ξυλανάσης της οικογένειας GH11, για την παραγωγή ξυλοολιγοσακχαριτών. Αρχικά, στο πρώτο μέρος μελετήθηκε η παραγωγή βιοαιθανόλης από στελέχη αραβόσιτου, τα οποία υπέστησαν προκατεργασία υγρής οξείδωσης με τη χρήση μείγματος ακετόνης/νερού. Σε αυτό το πλαίσιο πραγματοποιήθηκαν πειράματα ανάλυσης σύστασης της βιομάζας και πειράματα υδρόλυσης και ζύμωσης με σκοπό την παραγωγή αιθανόλης και τη βελτιστοποίηση των επιμέρους σταδίων. Τα πειράματα ανάλυσης σύστασης έδειξαν απομάκρυνση μεγάλου μέρους της λιγνίνης και της ημικυτταρίνης και μικρού μέρους της κυτταρίνης, ενώ η τελική περιεκτικότητα της προκατεργασμένης βιομάζας σε κυτταρίνη, ημικυτταρίνη και λιγνίνη βρέθηκε ίση με 79,8%, 9,7% και 7,7% αντίστοιχα. Ακολούθησαν σειρές πειραμάτων ενζυμικής υδρόλυσης της βιομάζας σε μικρή κλίμακα. Η πρώτη σειρά πειραμάτων περιλάμβανε υδρόλυση σε διαφορετικές συγκεντρώσεις ενζύμου (mg/g ξηρής βιομάζας) για συγκεκριμένη συγκέντρωση στερεών (10% w/w), ενώ η δεύτερη σειρά πειραμάτων περιλάμβανε υδρόλυση σε διαφορετικές συγκεντρώσεις στερεών (% w/w) για συγκεκριμένη συγκέντρωση ενζύμου (9 mg ενζύμου/g ξ. β.). Και οι δυο σειρές πειραμάτων πραγματοποιήθηκαν σε κωνικές φιάλες στις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και pH. Η πρώτη σειρά πειραμάτων πραγματοποιήθηκε σε συγκεντρώσεις ενζύμου από 3 έως 18 mg ενζύμου/g ξηρής βιομάζας και η μέγιστη συγκέντρωση γλυκόζης που παρατηρήθηκε ήταν 88,1 g/L για συγκέντρωση ενζύμου 18 mg/g ξ. β.. Βάσει των αποδόσεων επιλέχθηκε η συγκέντρωση των 9 mg ενζύμου/g ξ. β. ως η καταλληλότερη για τη διεξαγωγή της υδρόλυσης. Η δεύτερη σειρά πειραμάτων πραγματοποιήθηκε για συγκεντρώσεις στερεών από 8% έως 16% w/w και η μέγιστη συγκέντρωση γλυκόζης που παρατηρήθηκε ήταν 118,5 g/L για συγκέντρωση στερεών 16% w/w, με τις αποδόσεις των υδρολύσεων να κυμαίνονται στο διάστημα 70-86%. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ζύμωσης για την παραγωγή αιθανόλης σε μικρή κλίμακα. Σε πρώτο στάδιο πραγματοποιήθηκαν δύο ζυμώσεις σε σύστημα διαλείποντος έργου έπειτα από ένα στάδιο προϋδρόλυσης διάρκειας 12 h. Η πρώτη ζύμωση εκτελέστηκε σε συγκεντρώσεις στερεών 10% έως 14% για 120 h, ενώ η δεύτερη ζύμωση σε συγκεντρώσεις στερεών 16% έως 20% για 24 h. Σε δεύτερο στάδιο πραγματοποιήθηκε ζύμωση σε σύστημα ημιδιαλείποντος έργου σε συγκεντρώσεις στερεών από 16% έως 20% w/w, όπου στο στάδιο της προϋδρόλυσης πραγματοποιήθηκε η τροφοδοσία της βιομάζας ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Για τις ζυμώσεις σε σύστημα διαλείποντος έργου η μέγιστη συγκέντρωση αιθανόλης για την πρώτη ζύμωση βρέθηκε ίση με 39,7 g/L και η μέγιστη απόδοση αιθανόλης ίση με 63,2% για το δείγμα συγκέντρωσης στερεών 14% w/w, ενώ για τη δεύτερη ζύμωση η μέγιστη συγκέντρωση αιθανόλης βρέθηκε ίση με 38,8 g/L για συγκέντρωση στερεών 20% με μέγιστη απόδοση αιθανόλης ίση με 36,6%. Για τη ζύμωση σε σύστημα ημιδιαλείποντος έργου η μέγιστη συγκέντρωση αιθανόλης βρέθηκε ίση με 57,1 g/L και η μέγιστη απόδοση αιθανόλης ίση με 71,7% για το δείγμα συγκέντρωσης στερεών 20% w/w. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε παραγωγή μιας ξυλανάσης της οικογένειας 11 των γλυκοζιδικών υδρολασών από το μύκητα Fusarium oxysporum με σκοπό να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ξυλοολιγοσακχαριτών από προκατεργασμένη βιομάζα. Η παραγωγή του ενζύμου πραγματοποιήθηκε μέσω ετερόλογης έκφρασης στη μεθυλότροφη ζύμη Pichia pastoris και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για την υδρόλυση της εναπομείνουσας ημικυτταρίνης των προκατεργασμένων στελεχών αραβοσίτου. Το στερεό κλάσμα της αντίδρασης οδηγήθηκε για περαιτέρω υδρόλυση με χρήση κυτταρινολυτικού σκευάσματος σε αρχικές συγκεντρώσεις στερεών 10% και 16% και μετά το τέλος της διεργασίας οι συγκεντρώσεις γλυκόζης υπολογίστηκαν σε 73,2 g/L και 83,6 g/L αντίστοιχα. Τέλος, το υγρό κλάσμα της αντίδρασης οδηγήθηκε σε σύστημα χρωματογραφίας εναλλαγής ανιόντων, όπου και επαληθεύτηκε ποιοτικά η ύπαρξη ξυλοολιγοσακχαριτών ως προϊόντα της αντίδρασης της βιομάζας με την ξυλανάση.