Production of high added value products from sweet sorghum using high efficiency bioprocesses

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η αξιολόγηση της δυνατότητας χρησιμοποίησης του γλυκού σόργου ως πρώτη ύλη για την παραγωγή διαφόρων μορφών βιοκαυσίμων. Αρχικώς αξιολογήθηκε η δυνατότητα παραγωγής βιοαιθανόλης με την χρήση δύο διαφορετικών στρατηγικών (είτε την χρήση όλων των στελεχών του σόργου είτε με την χρήση μόνο του λιγνινοκυτταρινούχου κλάσματος, την βαγάσση). Σε μια προσπάθεια να βελτιωθεί η ενζυμική υδρόλυση της βαγάσσης, μελετήθηκε και βελτιστοποιήθηκε η εφαρμογή υδροθερμική προκατεργασίας με την χρήση μικρομυμάτων. Κάτω απο τις βέλτιστες συνθήκες προκατεργασίας, παρατηρήθηκε υψηλή συγκέντρωση κυτταρίνης (66.84% w/w) καθώς και υψηλή υδρόλυση της κυτταρίνης, η οποία ανήλθε σε 30.42% μετά από 8 ώρες υδρολύσεως. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων παραγωγής αιθανόλης, παρατηρήθηκε οτι υδρόλυση 12 ωρών ήταν αρκετή για την αποτελεσματική υδρόλυση της κυτταρίνης, η οποία ανήλθε σε 59.8%. Η συγκέντρωση της αιθανόλης στην ακόλουθη ζύμωση ανήλθε σε 41.4g/L με την παραγωγικότητα να φτάνει σε 1.88g/L·h. Η προσθήκη επιπλέον φρέσκων ενζύμων κατά την έναρξη της ζύμωσης είχε θετική επίδραση στην παραγόμενη αιθανόλη. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων όπου χρησιμοποιήθηκαν τα στελέχη του σόργου σε συνθήκες υψηλής συγκέντρωσης στερεών, βρέθηκε οτι η ενσωμάτωση ενός ξεχωριστού σταδίου ενζυμικής υδρόλησης πριν την ζύμωση είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της παραγωγής αιθανόλης καθώς και της παραγωγικότητας. Προκειμένου να βελτιωθεί το στάδιο της υδρολύσεως, μελετήθηκε η συνδυασμένη επίδραση του χρόνου υδρόλυσης και του ενζυμικού φορτίου στην παραγωγικότητα της αιθανόλης. Κάτω από τις βέλτιστες συνθήκες που βρέθηκαν (ενζυμικό φορτίο ίσο με 8.32 FPU/g και χρονική διάρκεια 8.6 ωρών), η παραγωγή αιθανόλης έφτασε τα 62.53 g/L με την παραγωγικότητα να είναι 2.98 g/L·h. Τέλος, κατά την διάρκεια της μελέτης της επίδρασης της αρχικής συγκέντρωσης στερεών, βρέθηκε ότι συγκέντρωση στερεών ίση με 35% w/w οδήγησε στην υψηλή παραγωγή αιθανόλης, στην μέγιστη παραγωγικότητα καθώς και σε έναν από τους υψηλότερους συντελεστές απόδοσης, σε σύγκριση με τις άλλες συγκεντρώσεις που μελετήθηκαν. Λαμβάνοντας υπόψην τα αποτελέσματα σχετικά με την παραγωγή αιθανόλης, καταλήξαμε οτι η χρήση των στελεχών του γλυκού σόργου είναι πιο αποτελεσματική, καθώς λιγότερα στάδια είναι απαραίτητα και η συγκέντρωση της παραγώμενης αιθανόλης ήταν υψηλότερη σε σχέση με την χρήση της βαγάσσης. Για αυτόν τον λόγο αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί η ίδια διεργασία κατά την διάρκεια των πειραμάτων μελέτης παραγωγής μικροβιακών λιπιδίων τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή βιοντίζελ. Τρείς ελαιογόνες ζύμες μελετήθηκαν για αυτόν τον σκοπό, πιο συγκεκριμένα οι ζύμες L. starkeyi CBS 1807, T. fermentans CBS 439.83 και R. toruloides CCT 0783. Αρχικώς εξετάστηκε η δυνατότητα των στελεχών του σόργου να υποστηρίξουν την ανάπτυξη των διαφόρων ζυμών παρέχοντας τόσο τον άνθρακα όσο και το απαραίτητο άζωτο. Αυτό πραγματοποιήθηκε μελετώντας την επίδραση που είχε η προσθήκη εξωτερικής πηγής αζώτου στο μέσον της καλλιέργειας. Παρατηρήθηκε ότι η προσθήκη του εξωγενούς αζώτου είχε αρνητική επίδραση και στις τρείς ζύμες, μειώνοντας την παραγωγή μικροβιακού λίπους. Η ικανότητα των στελεχών του σόργου να προσφέρουν τόσο τον απαραίτητο άνθρακα όσο και το απαραίτητο άζωτο είναι πολύ σημαντική για την μείωση του κόστους παραγωγής, καθώς η προσθήκη αζώτου θεωρείται ότι αυξάνει το συνολικό κόστος. Επιπλέον, η ύπαρξη ενός σταδίου ενζυμικής σακχαροποίηση πριν το στάδιο παραγωγής λίπους είχε θετική επίδραση στο παραγώμενο λίπος, ανεξαρτήτως της χρησιμοποιηθέντας ζύμης και της συγκέντρωσης στερεών. Η υψηλότερη συγκέντρωση λίπους παρατηρήθηκε όταν καλλιεργήθηκε η ζύμη R. toruloides σε υπόστρωμα που προέκυψε από συγκέντρωση στερεών ίση με 20% w/w, έχοντας αφαιρέσει τα στερεά, και ανήλθε σε 13.77 g/L. Στο τελικό στάδιο αυτής της μελέτης, έγινε πρόβλεψη των ιδιοτήτων του βιοντίζελ το οποίο θα προέκυπτε αν χρησιμοποιούνταν τα λίπη που προέυψαν απο τις τρείς ζύμες που μελετήθηκαν. Βρέθηκε ότι και οι τρεις παράγουν λιπίδια που θα έδιναν καλές ιδιότητες στο παραχθέν βιοντίζελ. Στο τελικό στάδιο της παρούσας μελέτης, εξετάστηκε η δυνατότητα χρήσης των στελεχών του σόργου για την παραγωγή βιομεθανίου μέσω αναερόβιας χώνευσης. Αρχικώς, μελετήθηκε η επίδραση δύο διαφορετικών κατεργασιών πριν την αναερόβια χώνευση στην απόδοση σε μεθάνιο. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκαν μια ήπια θερμική κατεργασία και μια ενζυμική. Η θερμική κατεργασία βρέθηκε ότι είχε αρνητική επίδραση στην απόδοση σε μεθάνιο. Από την άλλη μεριά, η ενζυμική κατεργασία όταν εφαρμόστηκε σε ένα στάδιο με την αναερόβια χώνευση (προσομοιάζοντας την διεργασία SSF) βελτίωσε την απόδοση σε μεθάνιο από 238mL CH4/g VS σε 274mL CH4/g VS. Σε ένα τελικό στάδιο, εξετάστηκε η συνδυαστική δράση του ενζυμικού φορτίου και του λόγου I/S και βρέθηκε ότι η υψηλότερη απόδοση σε μεθάνιο επιτεύχθηκε για ενζυμικό φορτίο ίσο με 13FPU/g και λόγο I/S ίσο με 0.7 και ανήλθε σε 284.37mL CH4/g VS.