Παραγωγή οργανικών οξέων από κυτταρινούχο βιομάζα με τη χρήση κίσσηρης ως προωθητή
Authors: Δήμα Αγάπη 
Published: September 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ο στόχος ήταν η εύρεση των βέλτιστων συνθηκών για την παραγωγή πτητικών λιπαρών οξέων (ΟΑ) και αιθανόλης μέσω της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης, υπό παρουσία ενός προωθητή της βιοδιεργασίας όπως είναι η κίσσηρης. Αυτά τα οξέα θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή νέας γενιάς βιοκαυσίμου ή για άλλες εφαρμογές. Τα πειράματα για τη μελέτη της οξεογένεσης έγιναν αρχικά σε συνθετικό μέσο γλυκόζης. Μελετήθηκε η επίδραση της αρχική τιμής pH του υποστρώματος ζύμωσης (3, 4, 5, 6, 7, 8 και 9), η συγκέντρωση του σακχάρου (30, 50, και 70 g/L) και η θερμοκρασία της ζύμωσης (30, 37 και 52oC). Τα πειράματα αυτά έγιναν τόσο με τη χρήση ελεύθερων κυττάρων της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας UASB όσο και με τη χρήση ακινητοποιημένων κυττάρων σε κίσσηρη για να μελετηθεί η επίδραση του προωθητή. Η συνολική παραγωγή οξέων ήταν υψηλότερη στο αρχικό pH 9, θερμοκρασία 37oC ενώ η καλύτερη συγκέντρωση ήταν τα 30 g/L. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ξεκίνησε η μελέτη της οξεογένεσης του λιγνινοκυτταρινούχου αποβλήτου. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση της παρουσίας της κίσσηρης σε ζυμώσεις διαλείποντος έργου (batch) σε χημικώς απολιγνινοποιημένο άχυρο. Οι ζυμώσεις αυτές έγιναν στους 37 οC σε συγκέντρωση 30 g/L απολιγνινοποιημένου άχυρου και δοκιμάστηκαν οι αρχικές τιμές pH 7, 8, και 9 για λόγους σύγκρισης και διήρκησαν 48 h. Η παραγωγή αιθανόλης ήταν στα 0,2 mL/L ενώ από τα οξέα παράχθηκε κυρίως γαλακτικό (4,5–5,3 g/L), ηλεκτρικό και οξικό σε μικρότερες ποσότητες (1 και 1,5 g/L, αντίστοιχα). Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν επαναλαμβανόμενες ζυμώσεις διαλείποντος έργου σε αρχικές τιμές pH 7, 8, και 9 σε αρχική συγκέντρωση άχυρου 30 g/L σε θερμοκρασία 37oC παρουσία και απουσία κίσσηρης. Tα ζυμωμένα υγρά αναπληρωνόντουσαν κάθε 9 ώρες με θρεπτικό διάλυμα ίδιο με αυτό που χρησιμοποιήθηκε για τη ζύμωση αλλά χωρίς την προσθήκη άχυρου. Παρατηρήθηκε παραγωγή οξέων για 4 επαναλαμβανόμενα batch. Στη συνέχεια μελετήθηκε η συνεχής ζύμωση της γλυκόζης. Η συνεχής λειτουργία του αντιδραστήρα διήρκησε 97 μέρες και δοκιμάστηκαν 3 διαφορετικές συγκεντρώσεις γλυκόζης με αρχικό pH 9 και θερμοκρασία 37oC. Αρχικά στο σύστημα παροχετεύθηκε με θρεπτικό υγρό που περιείχε 70 g/L γλυκόζη του οποίου η συγκέντρωση σταδιακά μειώθηκε στα 30 g/L. Η συνεχής ζύμωση έδωσε συγκεντρώσεις οργανικών οξέων που έφτασαν μέχρι τα 15,2 g/L. Για τη συνεχή αναερόβια ζύμωση άχυρου παρουσία κίσσηρης χρησιμοποιήθηκε η ίδια πειραματική διάταξη, ο αντιδραστήρας ανοίχθηκε ώστε να πληρωθεί με διάλυμα άχυρου 30 g/L, ενώ έγινε τροφοδοσία με συνθετικό υγρό χωρίς άχυρο. Η ζύμωση αυτή έδωσε οξέα για 10 μέρες, κυρίως οξικό και βουτυρικό. Στη συνέχεια έγιναν πειράματα σε μεγάλη κλίμακα (scale-up) χρησιμοποιώντας βιοαντιδραστήρα όγκου 82 L με χρήση κίσσηρης ως προωθητή. Μελετήθηκαν 2 όγκοι 17 L και 40 L. Η παραγωγή οργανικών οξέων έφτασε τα 17,2 g/L και αποτελούνταν κυρίως από βουτυρικό και οξικό οξύ. Τέλος μελετήθηκε η ανάκτηση των οργανικών οξέων από τα υγρά ζύμωσης με τη χρήση οργανικών διαλυτών με τη μέθοδο της υγρής-υγρής εκχύλισης. Τα πειράματα έγιναν σε πρότυπα υδατικά διαλύματα αλλά και σε υγρά ζύμωσης απολιγνινοποιημένου άχυρου. Από τους διαλύτες που δοκιμάστηκαν η βουτανόλη-1 επιλέχθηκε ως ο καλύτερος διαλυτής για τη συγκεκριμένη εφαρμογή από άποψη απόδοσης εκχύλισης και κόστους. Όσον αφορά στην εκχύλιση των οξέων από τα υγρά της ζύμωσης τα αποτελέσματα ήταν ανάλογα με αυτά των πρότυπων διαλυμάτων. Πιο συγκεκριμένα τα καλύτερα αποτελέσματα ελήφθησαν για αρχικό pH 1 με διαλύτη τη βουτανόλη-1 (σχεδόν 80% συνολική παραλαβή).