Ανάπτυξη ολοκληρωμένης διεργασίας παραγωγής βιοαιθανόλης από υδροθερμικά προκατεργασμένη λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα

Abstract

The aim of the present study was to develop a consolidated bioprocess for ethanol production from lignocellulosic biomass. Pretreated wheat straw was used a carbon source. For the bioconversion of the straw to ethanol commercial enzymes, the cell mass and the enzymes secreted by the fungus Fusarium oxysporum F3 and the yeast Saccharomyces cerevisiae were used. At first, the tolerance of the fungus towards the inhibitory compounds formed during the hydrothermal treatment of the straw and towards the main product of the fermentation, the ethanol, was tested. It was shown that the inhibitory compounds tested affect the growth rate and the biomass production of the fungus when added in the culture medium, in high concentrations. Moreover, these compounds affect the ability of the fungus to ferment sugars to ethanol when added in the fermentation broth. When all the compounds tested were added in the fermentation broth simultaneously they resulted in 50% reduction of the ethanol production. As far as the ethanol is concerned, it was proven that it affects the growth rate and the cell mass production when added in the culture medium. Its inhibition is greater in the fermenting ability of the fungus. It was also proven that when the ethanol is removed from the broth the fungus regains its metabolic activity.Based on the above, the potential of the liquid fraction of the straw pretreatment for its exploitation was tested. It was proven that this material is highly toxic for the fungus and it’s not possible to be exploited. For the conversion of the hydrothermally treated wheat straw to ethanol it is important to reduce its viscosity prior to the fermentation. This was achieved by the manufacture of a free fall mixing enzymatic reactor. The liquefied material resulted from this reactor was used in the fermentations. It was shown that the addition of the enzymes F. oxysporum is necessary during the fermentation. Moreover, the combined addition of F. oxysporum enzymes and cell mass, in the co-fermentations resulted in 62 g L-1 ethanol production. To make the addition of F. oxysporum enzymes and cell mass feasible, a consolidated bioprocess were designed were F. oxysporum solid culture were added in the fermentation along with S. cerevisiae, this resulted in 58 g L-1 ethanol production. Finally, based on the above mentioned results, it has been attempted to exploit a rich in hemicellulose pretreated wheat straw, and to use a pilot thermoenzyme mixture. Nevertheless, an efficient ethanol yield was not achieved.

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. Η βιομετατροπή του κατεργασμένου αχύρου σε αιθανόλη γίνεται με τη χρήση εμπορικών ενζυμικών σκευασμάτων, το μύκητα Fusarium oxysporum F3 και τη ζύμη Saccharomyces cerevisiae. Αρχικά κρίθηκε σκόπιμο να μελετηθεί 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. Η ικανότητα του μύκητα να μεταβολίζει τα σάκχαρα σε αιθανόλη επηρεάζεται σημαντικότερα από τα καρβοξυλικά οξέα. Επιπλέον, οι παρεμποδιστικές ενώσεις εμφανίζουν συνεργιστική δράση στην παρεμπόδιση του μύκητα στην παραγωγή αιθανόλης. Η μελέτη της επίδρασης της αιθανόλης στην ανάπτυξη και την ικανότητα του μύκητα να μεταβολίζει τα σάκχαρα σε αιθανόλη έγινε με αρχικές συγκεντρώσεις αιθανόλης έως και 6% β/ο. Από τα πειραματικά δεδομένα εξάγεται το συμπέρασμα ότι η αιθανόλη παρεμποδίζει τον ρυθμό ανάπτυξης και την παραγωγή βιομάζας σε αερόβιες συνθήκες. Εντονότερη παρεμπόδιση προκαλεί η αιθανόλη στη μεταβολική δράση του μύκητα σε αναερόβιες συνθήκες. 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 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. Για την ικανοποιητική βιομετατροπή του υδροθερμικά κατεργασμένου αχύρου σε αιθανόλη είναι απαραίτητη η μείωση του ιξώδους του υλικού πριν τη ζύμωση. Αυτό επετεύχθη με την κατασκευή ενός ειδικού ενζυμικού αντιδραστήρα ρευστοποίησης. Το ρευστοποιημένο υλικό χρησιμοποιήθηκε ως πρώτη ύλη σε πειράματα ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης.Δείχτηκε ότι η προσθήκη των ενζύμων του F. oxysporum κατά την ζύμωση βοηθά σημαντικά στην απόδοση της διεργασίας. Επίσης, με την ταυτόχρονη προσθήκη ενζύμων και κυτταρικής μάζας του μύκητα, επετεύχθη τελική συγκέντρωση αιθανόλης 62 g L-1. 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 και ξηρής ζύμης αρτοποιίας. Σε αυτή την περίπτωση η μέγιστη παραγωγή αιθανόλης ήταν 58 g L-1. Τέλος, με βάση όλα τα ανωτέρω αποτελέσματα μελετήθηκε ένα πλούσιο σε ημικυτταρίνη προκατεργασμένο άχυρο σίτου στο οποίο δεν έγινε 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.