Σχεδιασμός και βελτιστοποίηση της διαδικασίας εξαγωγής ζυμώσιμων σακχάρων από σακχαρούχο/αμυλούχο/λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα προς παρ...

Abstract

The sustainable production of biofuels has to be based on renewable resources, such as biomass (Chapter 1). In Chapter 2 the performance of sugar beet, corn and barley grains, and corn stalk and barley straw, in terms of sugar yield and fermentability to hydrogen production, was described. Βarley straw, sugar beet and corn grains were found to be technically attractive raw materials for hydrogen production in the biorefinery. The tool of the fermentability test is of major importance for the determination of the suitability of a raw material for hydrogen production. In Chapter 3 sugar beet was studied as potential substrate for fermentation in the EU. Considering the combination of dark fermentation and photofermentation in 2 stages, we estimated for the EU-27 an annual potential of 300 × 106 kg hydrogen. In Chapter 4 we investigated the fermentative production of hydrogen from sucrose of analytical grade and sugar beet extract, with the extreme thermophilic bacterium Caldicellulosiruptor saccharolyticus. Hydrogen yields of 2.9 and 3.0 mol/mol hexose were determined, respectively. Chapter 5 focused on the utilization of four agricultural residues, wheat straw, barley straw, corn stalk and corn cob, for the production of fermentable substrates, and compared them, in terms of sugar yield and release of inhibitory compounds. Chapter 6 evaluated the aforementioned raw materials as substrates for fermentative hydrogen production by C. saccharolyticus. The fermentability of the tested materials was ranked in the order: barley straw > wheat straw > corn stalk > corn cob. The focus of Chapter 7 was on barley straw and on the feasibility of (a) decreasing the thermal requirements of the pretreatment and (b) decreasing the enzyme requirements, while trying to maintain high sugar yields. Chapter 8 focused on the dilute-acid pretreatment of barley straw for fermentative hydrogen production. The beneficial effect of the dilute acids tested was ranked in the order: H2SO4 > H3PO4 > HNO3 > HCl. In Chapter 9, the effect of the severity of the pretreatment on the conversion of barley straw to fermentable sugars and the release of inhibitory compounds in the final hydrolysates, was investigated. The pretreatment conditions were expressed in a combined severity factor, CS, which ranged from –1.6 to 1.1. The optimal pretreatment CS was found to be –0.4, corresponding to pretreatment conditions of 170 °C, 0% sulfuric acid and 60 min. Under these conditions, 21.4 g glucose/L, 8.5 g xylose/L and 0.5 g arabinose/L were produced, while 0.1 g HMF/L, 0.4 g furfural/L, 0.0 g levulinic acid/L, 0.0 g formic acid/L and 2.1 g acetic acid/L were released. Sweet sorghum (Sorghum bicolor) has a great potential as an energy crop in Greece. Chapter 10 investigated the optimization of the alkaline pretreatment of sweet sorghum bagasse for the production of fermentable substrates and hydrogen. The alkaline pretreatment of sweet sorghum bagasse was optimized at 10% NaOH (w/w dry matter). Alkaline pretreatment with 10% NaOH resulted in 46% delignification, which improved significantly the efficiency of enzymatic hydrolysis.

Η βιώσιμη παραγωγή βιοκαυσίμων θα πρέπει να στηρίζεται σε ανανεώσιμους πόρους, όπως είναι η βιόμαζα (Κεφάλαιο 1). Ο σκοπός του Κεφαλαίου 2 ήταν να συγκρίνει την επίδοση ορισμένων ευρωπαϊκών κυρίως ειδών βιόμαζας, ως προς την απόδοση σακχάρων και τη ζυμωσιμότητα προς την παραγωγή υδρογόνου στο βιοδιυλιστήριο. Το άχυρο κριθαριού, το ζαχαρότευτλο και οι σπόροι καλαμποκιού ήταν οι τεχνικά πιο κατάλληλες πρώτες ύλες. Βρέθηκε ότι το «τεστ ζυμωσιμότητας» είναι ικανοποιητικώς ενδεικτικό της καταλληλότητας μιας πρώτης ύλης για την παραγωγή υδρογόνου. Στο Κεφάλαιο 3 μελετήθηκε η δυνατότητα χρήσης του ζαχαρότευτλου για τη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου στην ΕΕ-27. Θεωρώντας τη συνδυασμένη παραγωγή υδρογόνου από σκοτεινή ζύμωση και φωτοζύμωση, υπολογίσαμε για την ΕΕ-27 ετήσιο δυναμικό υδρογόνου 300 × 106 kg. Το Κεφάλαιο 4 διερεύνησε τη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου από σακχαρόζη υψηλής καθαρότητας και από χυμό ζαχαρότευτλου, με χρήση του αυστηρά αναερόβιου, υπερθερμόφιλου μικροοργανισμού Caldicellulosiruptor saccharolyticus• η απόδοση σε υδρογόνο βρέθηκε 2.9 και 3.0 mol/mol εξόζης αντίστοιχα. Οι αποδόσεις αυτές περιλαμβάνονται στις υψηλότερες των αποδόσεων υδρογόνου που έχουν καταγραφεί έως σήμερα στη βιβλιογραφία. Στόχος του Κεφαλαίου 5 ήταν η διερεύνηση της χρήσης των αγροτικών υπολειμμάτων, αχύρου σιταριού και κριθαριού, στελέχους καλαμποκιού και κοτσανιού καλαμποκιού για την παραγωγή ζυμώσιμων υποστρωμάτων στο βιοδιυλιστήριο. Το Κεφάλαιο 6 επικεντρώθηκε στην αξιολόγηση των παραπάνω τεσσάρων λιγνινοκυτταρινούχων πρώτων υλών ως υποστρωμάτων για τη ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου με χρήση του C. saccharolyticus. Η κατάταξη της ζυμωσιμότητας των πρώτων υλών ήταν: άχυρο κριθαριού > άχυρο σιταριού > στέλεχος καλαμποκιού > κοτσάνι καλαμποκιού. Το Κεφάλαιο 7 επικεντρώθηκε στο άχυρο κριθαριού και εξέτασε τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν χαμηλές θερμοκρασίες στο στάδιο της προκατεργασίας με αραιό οξύ και χαμηλά ενζυμικά φορτία στο στάδιο της ενζυμικής υδρόλυσης. Στο Κεφάλαιο 8 μελετήθηκε η ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου από προκατεργασμένο με αραιό οξύ άχυρο κριθαριού. Η αποτελεσματικότητα χρήσης των χρησιμοποιούμενων οξέων ήταν: H2SO4 > H3PO4 > HNO3 > HCl. Το Κεφάλαιο 9 διερεύνησε την επίδραση της έντασης της προκατεργασίας αχύρου κριθαριού στην παραγωγή ζυμώσιμων σακχάρων και στην απελευθέρωση παρεμποδιστικών ουσιών. Οι συνθήκες προκατεργασίας εκφράσθηκαν με το συνδυαστικό παράγοντα έντασης CS, που κυμάνθηκε από –1.6 έως 1.1. Η προκατεργασία βελτιστοποιήθηκε στον CS –0.4, που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 170 °C, φορτίο θειικού οξέος 0% (w/w ξηρής βιόμαζας) και χρόνο προκατεργασίας 60 min. Υπό αυτές τις συνθήκες, παρήχθησαν 21.4 g γλυκόζη/L, 8.5 g ξυλόζη/L και 0.5 g αραβινόζη/L και απελευθερώθηκαν 0.1 g HMF/L, 0.4 g φουρφουράλη/L, 0.0 g λεβουλινικό οξύ/L, 0.0 μυρμηκικό οξύ/L και 2.1 g οξικό οξύ/L. Το ενεργειακό φυτό Sorghum bicolor (γλυκό σόργο) παρουσιάζει σήμερα ιδιαίτερο ενδιαφέρον, κυρίως για χώρες της Νότιας Ευρώπης όπως η Ελλάδα. Στόχος του Κεφαλαίου 10 ήταν να βελτιστοποιήσει την αλκαλική προκατεργασία του sweeet sorghum bagasse (SSB) προς την παραγωγή ζυμώσιμων σακχάρων και υδρογόνου. Η αλκαλική προκατεργασία του SSB βελτιστοποιήθηκε στο φορτίο NaOH 10% (w/w ξηρής βιόμαζας), που οδήγησε σε 46% απολιγνίνωση του υλικού.