Αειφορική παραγωγή βιοχημικών προϊόντων από την αξιοποίηση της βιομάζας του είδους Phalaris aquatica L.

Abstract

Global energy consumption foreseen to increase about 35% for the period 2010-2040, while for the same period the world's population will reach 9 billion people. Today increased energy demands are mainly covered by fossil fuels (non-renewable energy sources). As fossil fuel stocks decrease, the extraction costs increase and adverse environmental impacts due to increased CO2 emissions lead to other sources of energy such as renewable. Lignocellulosic biomass, consisting of three basic building blocks, cellulose, hemicelluloses and lignin, is a promising renewable source for the production of energy, biofuels and chemicals with high added value. One of the key processes for the utilization of lignocellulosic biomass is the biochemical pathway where, through the steps of biomass pretreatment, enzymatic hydrolysis of glucose-containing cellulose and alcoholic fermentation of the glucose produced, leads to the production of bioethanol.In this PhD thesis the biomass of the grass species Phalaris aquatica L. was used to evaluate it, as an energy crop in terms of its ability to adapt to areas with different climatic conditions, as well as bioenergy and high added value chemical compounds production. For this purpose, a new cultivation was installed, where biomass production and lignocellulosic content concentration at the maturity stage of the plant were evaluated. Then, economic and with small environmental impact biomass pretreatment methods were evaluated. These methods were hydrothermal, hydrothermal with catalyst acetic acid and biological pretreatment. The goal of pretreatment is to destroy the microfibril structure of biomass structural polysaccharides by hydrolyzing and solubilizing hemicelluloses while enzymatic hydrolysis followed in order to saccharate cellulose and lead to glucose production. The intensity of the experimental conditions (temperature and time) was expressed by the severity factor logR0. Finally, the heating value of the species was evaluated.Hydrothermal pretreatment resulted in selective removal of hemicelluloses recovered in the liquid products primarily as a mixture of soluble oligomers/monomers of xylose and arabinose, while providing greater accessibility and available cellulose surface for enzyme activity. The maximal removal of hemicelluloses from biomass occurred at moderate and high process conditions (logR0 > 4.12), with a rate of 90%. At high logR0 values almost complete removal of hemicelluloses is achieved, but most of the xylose and the remaining pentoses are converted into byproducts (furfural, HMF, etc.) via dehydration and oxidation reactions. At 190°C for 45 minutes (logR0 4.3), the highest glucose recovery was observed at a value of 5.237 mg/ml at 72 hours enzyme activity, as well as a very high conversion of cellulose to glucose (90%).In the study of hydrothermal pretreatment with acetic acid, hemicelluloses were also selectively removed, but this occurred under milder conditions (logR0 > 3.24). The use of acid favored the degradation of lignin as well as the breakdown of oligomers sugars into monomers. Concentrations of the by-products formed were higher than non-acidic pretreatment. Acid concentration as well as the level of enzymes did not appear to significantly affect glucose yields and cellulose conversion. The optimal combination of conditions for this method is 190°C for 15 minutes at 3% acid concentration. In biological pretreatment, the fungus Pleurotus ostreatus was used in substrate from Phalaris aquatica L., which selectively degraded the lignin and hemicelluloses fraction (about 50%), making it easier for the enzymes to access the cellulose. Higher degradation of the biomass structural components as well as the highest concentration of glucose during enzymatic hydrolysis was achieved at the end of the fungal cultivation (120 days). The maximum conversion of cellulose to glucose reached 88.1%. Finally, the calorific capacity of the species was evaluated. From our results it is clear that the maximum calorific value is achieved in a young phalaris crop due to its high lignocellulosic content, with values thatreached 19.62 MJ/kg of dry matter.

Η παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας προβλέπεται να αυξηθεί περίπου 35% για την περίοδο 2010-2040 ενώ για την ίδια περίοδο ο παγκόσμιος πληθυσμός θα φτάσει τα 9 δις ανθρώπους. Σήμερα οι αυξημένες ενεργειακές ανάγκες συνεχίζουν να καλύπτονται κυρίως από τα ορυκτά καύσιμα (μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας). Η μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων, το αυξημένο κόστος εξόρυξής τους καθώς και οι δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον εξαιτίας των αυξημένων εκπομπών CO2, οδηγούν στην ανεύρεση άλλων πηγών ενέργειας όπως είναι οι ανανεώσιμες. Η λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα, η οποία αποτελείται από τρία βασικά δομικά συστατικά, την κυτταρίνη, τις ημικυτταρίνες και τη λιγνίνη, αποτελεί μια υποσχόμενη ανανεώσιμη πηγή για την παραγωγή ενέργειας, βιοκαυσίμων και χημικών ενώσεων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Μια από τις βασικές διεργασίες για την αξιοποίηση της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας είναι η βιοχημική οδός, όπου μέσω των σταδίων της προεπεξεργασίας της βιομάζας, της ενζυμικής υδρόλυσης της κυτταρίνης που περιέχει προς γλυκόζη και της αλκοολικής ζύμωσης της παραγόμενης γλυκόζης, οδηγεί στην παραγωγή βιοαιθανόλης.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκε η βιομάζα του αγρωστώδες είδους Phalaris aquatica L. προκειμένου να αξιολογηθεί ως ενεργειακή καλλιέργεια ως προς την ικανότητα προσαρμογής του σε περιοχές με διαφορετικές κλιματικές συνθήκες και την παραγωγή βιοενέργειας αλλά και χημικών ενώσεων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Για το σκοπό αυτό εγκαταστάθηκε μια νέα καλλιέργεια φαλαρίδας, όπου αξιολογήθηκε η παραγωγή υπέργειας βιομάζας και η συγκέντρωση του λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου στο στάδιο της ωριμότητας του φυτού. Έπειτα αξιολογήθηκαν μέθοδοι προεπεξεργασίας της βιομάζας οι οποίες είναι οικονομικές και έχουν μικρό περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Οι μέθοδοι αυτοί είναι η υδροθερμική, η υδροθερμική με καταλύτη οξικό οξύ και η βιολογική. Ο στόχος της προεπεξεργασίας είναι η καταστροφή της δομής των μικροϊνιδίων των δομικών πολυσακχαριτών της βιομάζας με την υδρόλυση και διαλυτοποίηση των ημικυτταρινών, ενώ η ενζυμική υδρόλυση που ακολουθεί σακχαροποιεί την κυτταρίνη και οδηγεί στην παραγωγή γλυκόζης. Η ένταση των πειραματικών συνθηκών (θερμοκρασίας και χρόνου) εκφράστηκε με τον συντελεστή δριμύτητας logR0. Τέλος αξιολογήθηκε η θερμογόνος ικανότητα του φυτού.Η υδροθερμική προεπεξεργασία είχε ως βασικό αποτέλεσμα την εκλεκτική απομάκρυνση των ημικυτταρινών, οι οποίες ανακτήθηκαν στα υγρά προϊόντα κυρίως ως μίγμα διαλυτών ολιγομερών/μονομερών ξυλόζης και αραβινόζης προσφέροντας παράλληλα μεγαλύτερη προσβασιμότητα και διαθέσιμη επιφάνεια κυτταρίνης για τη δράση των ενζύμων. Η μέγιστη απομάκρυνση των ημικυτταρινών από τη βιομάζα συνέβη σε μέτριες και υψηλές συνθήκες διεργασίας (logR0 > 4,12), με ποσοστό της τάξης του 90%. Στις υψηλές τιμές logR0 επιτεύχθηκε η πλήρης σχεδόν απομάκρυνση των ημικυτταρινών, όμως το μεγαλύτερο ποσοστό της παραγόμενης ξυλόζης και των υπολοίπων πεντοζών μετατράπηκε σε παραπροϊόντα (φουρφουράλη, HMF, κτλ.) μέσω αντιδράσεων αφυδάτωσης και οξείδωσης. Στις συνθήκες 190οC, 45min (logR0 4,3) παρατηρήθηκε η υψηλότερη τιμή ανάκτησης γλυκόζης με τιμή που έφτασε στα 5,237 mg/ml στις 72 ώρες δράσης των ενζύμων, καθώς και πολύ ψηλή μετατρεψιμότητα της κυτταρίνης σε γλυκόζη (90%). Στην υδροθερμική επεξεργασία με καταλύτη οξικό οξύ οι ημικυτταρίνες ήταν και εδώ το κλάσμα που απομακρύνθηκε εκλεκτικά, αλλά αυτό συνέβη σε ηπιότερες συνθήκες (logR0 > 3,24). Η χρήση του οξέως ευνόησε την αποδιάταξη της λιγνίνης καθώς και τη διάσπαση των ολιγομερών σακχάρων σε μονομερή. Οι συγκεντρώσεις των παραπροϊόντων που σχηματίστηκαν ήταν σε υψηλότερα επίπεδα σε σχέση με τη μη χρήση οξέως. Η συγκέντρωση του οξέως καθώς και το επίπεδο των ενζύμων φάνηκε να μην επηρεάζουν σημαντικά τις αποδόσεις σε γλυκόζη και τη μετατροπή της κυτταρίνης. Ως βέλτιστος συνδυασμός συνθηκών σ’ αυτή τη μέθοδο προτείνεται ο 190οC, 15min με 3% συγκέντρωση οξέος. Στη βιολογική μέθοδο προεπεξεργασίας χρησιμοποιήθηκε ο μύκητας Pleurotus ostreatus σε υπόστρωμα φαλαρίδας, ο οποίος αποδόμησε επιλεκτικά το κλάσμα της λιγνίνης καθώς και τις ημικυτταρίνες (περίπου 50%), κάνοντας ευκολότερη την πρόσβαση των ενζύμων στην κυτταρίνη. Η μεγαλύτερη αποδόμηση των δομικών συστατικών της βιομάζας καθώς και η μεγαλύτερη συγκέντρωση γλυκόζης κατά την ενζυμική υδρόλυση επιτεύχθηκε στο τέλος της καλλιεργητικής περιόδου του μύκητα (120 μέρες). Η μέγιστη μετατρεψιμότητα της κυτταρίνης σε γλυκόζη έφτασε το 88,1%. Τέλος αξιολογήθηκε η θερμογόνος ικανότητα του είδους. Από τα αποτελέσματά μας γίνεται φανερό πως η μέγιστη θερμογόνος δύναμη επιτυγχάνεται σε καλλιέργεια μικρής ηλικίας, λόγω του υψηλού λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου, με τιμές που φτάνει τα 19,62 ΜJ/kg ξηρής ουσίας.