Υδροθερμική προκατεργασία και ενζυμική υδρόλυση λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας
Authors: Νίτσος Χρήστος 
Published: August 2021

Η λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα, που περιλαμβάνει κάθε είδους αγροτικά και δασικά υπολείμματα και παραπροϊόντα, αποτελεί μια υποσχόμενη ανανεώσιμη πηγή για την παραγωγή ενέργειας, βιοκαυσίμων και χημικών ενώσεων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκαν ως λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα ξύλο οξυάς και πεύκου και κλαδέματα λεύκας και αμπελιού. Η λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα υποβλήθηκε σε υδροθερμική προκατεργασία, για την υδρόλυση της ημικυτταρίνης, και σε ενζυμική υδρόλυση για την σακχαροποίηση της κυτταρίνης. Επιπλέον μελετήθηκε η επίδραση ήπιων διεργασιών, όπως η εκχύλιση της λιγνίνης με οργανικούς διαλύτες και η εφαρμογή άλεσης ταυτόχρονα με την ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης. Η υδροθερμική προκατεργασία είχε ως αποτέλεσμα την εκλεκτική απομάκρυνση της ημικυτταρίνης μέσω όξινης υδρόλυσης με καταλύτη τις οξικές ομάδες που εμπεριέχονται στην ημικυτταρίνη. Η ημικυτταρίνη ανακτάται στα υγρά προϊόντα της υδροθερμικής προκατεργασίας ως μίγμα ολιγομερών/μονομερών ξυλόζης, ενώ ο λόγος της συγκέντρωσης τους καθορίζεται από την ένταση των πειραματικών συνθηκών εκφραζόμενη με τον συντελεστή δριμύτητας logRo. Η μέγιστη ανάκτηση ημικυτταρίνης κυμαίνεται στο 60% και για τα τέσσερα είδη βιομάζας και επιτυγχάνεται σε τιμές logRo 3,8-4,14, με απομάκρυνση της ημικυτταρίνης από τη βιομάζα 70-80%. Σε υψηλότερες τιμές logRo 4,7 επιτυγχάνεται σχεδόν πλήρης απομάκρυνση της ημικυτταρίνης απο τη βιομάζα αλλά το μεγαλύτερο ποσοστό της παραγόμενης ξυλόζης και των υπολοίπων πεντοζών μετατρέπεται σε προϊόντα αποικοδόμησης (φουρφουράλη, φορμικό οξύ και φουροϊκό οξύ). Επιπλέον, παράγονται και μικρές ποσότητες γλυκόζης μέσω περιορισμένης υδρόλυσης της κυτταρίνης ή λόγω των διαλυτών εκχυλίσιμων συστατικών της βιομάζας αμπελιού, λεύκας και πεύκου, και προϊόντα αποικοδόμησης της γλυκόζης, όπως 5-υδροξυμεθυλοφουρφουράλη (HMF), φορμικό οξύ και λεβουλινικό οξύ. Η λιγνίνη υφίσταται μερική διαλυτοποίηση, αναδιάταξη και επανασυμπύκνωση στην επιφάνεια των σωματιδίων της βιομάζας ενώ η δομική κυτταρίνη υφίσταται πολύ μικρές μεταβολές. Η υδροθερμική προκατεργασία οδηγεί σε αύξηση της ειδικής επιφάνειας και του όγκου πόρων των σωματιδίων. Για τη βιομάζα από ξύλο οξυάς, λεύκας, και αμπελιού, η υδροθερμική προκατεργασία επέτρεψε την σχετικά υψηλή ενζυμική σακχαροποίηση της κυτταρίνης σε ποσοστό 67%, 50% και 75% αντίστοιχα, ενώ αντίθετα μικρή ήταν η μετατροπή στην περίπτωση του πεύκου με 19% σακχαροποίηση. Η απομάκρυνση της επιφανειακής λιγνίνης με τη χρήση οργανικών διαλυτών αιθανόλη και ακετόνη βελτίωσε την απόδοση της ενζυμικής μετατροπής κυρίως για την οξυά και τη λεύκα. H εκχύλιση της λιγνίνης από βιομάζα οξυάς με οξικό οξύ επέτρεψε την πλήρη απολιγνινοποίηση της βιομάζας και την σχεδόν πλήρη ενζυμική σακχαροποίηση. Ο συνδυασμός της ενζυμικής υδρόλυσης με άλεση επέτρεψε την βελτίωση της σακχαροποίησης για όλες τις βιομάζες, φτάνοντας και πάλι την πλήρη σακχαροποίηση για την οξυά, στο 95% για το αμπέλι, στο 67% για τη λεύκα και στο 58% για το πεύκο. Επίσης, η συνδυασμένη ενζυμική υδρόλυση με άλεση οδήγησε σε ορισμένες περιπτώσεις στην μείωση της ποσότητας του προστιθέμενου ενζύμου χωρίς σημαντική μεταβολή στην μετατροπή της κυτταρίνης σε γλυκόζη. Τέλος τα υδροθερμικά προκατεργασμένα και απολιγνινοποιημένα δείγματα βιομάζας χρησιμοποιήθηκαν ως χαμηλού κόστους υποστρώματα για την παραγωγή κυτταρινασών από τον μύκητα T. reesei, επιτυγχάνοντας μεγαλύτερες ενεργότητες σε σχέση με την αρχική βιομάζα, ενώ η βιομάζα οξυάς που υπέστη υδροθερμική προκατεργασία και απολιγνινοποίηση με οξικό οξύ, οδήγησε σε παραγωγικότητα κυτταρινασών παρόμοια με αυτή της καθαρής εμπορικής κυτταρίνης.