Bioprocess development and design for the production of succinic acid via continuous fermentation of spent sulphite liquor
Authors: Λαδάκης Δημήτριος 
Published: November 2021

Στόχος της παρούσας διατριβής υπήρξε η αξιολόγηση του παράπλευρου ρεύματος που παράγεται από βιομηχανίες χαρτοπολτού (SSL), ως κύρια πρώτη ύλη για την παραγωγή ηλεκτρικού οξέος, μέσω μικροβιακών ζυμώσεων σε συνθήκες συνεχούς καλλιέργειας σε βιοαντιδραστήρα. Στα πλαίσια της επίτευξης οικονομικότερων διεργασιών, εκπονήθηκε τεχνοοικονομική ανάλυση των διεργασιών παραγωγής ηλεκτρικού οξέος, με χρήση του SSL ως πρώτη ύλη, σε συνεχείς και ημισυνεχείς ζυμώσεις. Απώτερος στόχος του εγχειρήματος αυτού ήταν η διερεύνηση της οικονομικής βιωσιμότητας της παραγωγής ηλεκτρικού οξέος αξιοποιώντας το SSL ως πρώτη ύλη, καθώς και η εύρεση στοιχείων που υποδεικνύουν τους οικονομικούς παράγοντες που σχετίζονται με την παραγωγή του προϊόντος. Το SSL αποτελεί το κύριο παράπλευρο ρεύμα που προκύπτει μετά την όξινη διαδικασία που πραγματοποιείται για την παραγωγή χαρτοπολτού κυρίως σε σκληρά ξύλα. Το υποπροϊόν αυτό περιέχει διαλύτη λιγνίνη υπό την μορφή λιγνοσουλφονικών αλάτων καθώς και σάκχαρα τα οποία προκύπτουν κατά την αποικοδόμηση της ημικυτταρίνης. Το είδος του χρησιμοποιούμενου ξύλου και οι συνθήκες επεξεργασίας αποτελούν τα δύο κύρια σημεία που καθορίζουν το είδος και την περιεκτικότητα των σακχάρων που περιέχονται στο SSL. Στη μελέτη αυτή, χρησιμοποιήθηκε το υποπροϊόν που προέκυψε από τη βιομηχανία επεξεργασίας του φυτού Eucalyptus globulus.Σαν πρώτο στάδιο της μελέτης, αξιολογήθηκε η ικανότητα χρήσης του SSL ως υπόστρωμα σε συνεχείς ζυμώσεις, χρησιμοποιώντας τα βακτηριακά στελέχη Actinobacillus succinogenes και Basfia succiniciproducens. Τα στελέχη αυτά θεωρούνται ως τα δύο πιο υποσχόμενα στελέχη για βιομηχανική εφαρμογή. Αρχικά, οι ζυμώσεις διεξήχθησαν με σταθερό ρυθμό αραίωσης ίσο με 0,04 h-1 και διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις εμπορικής ξυλόζης (23-55 g/L) ή σταθερή συγκέντρωση ξυλόζης (40 g/L) και διαφορετικές τιμές ρυθμών αραίωσης (0,02-0,25 h-1). Τα αποτελέσματα αυτών των συνθηκών έδειξαν ότι και τα δύο στελέχη παρείχαν ικανοποιητική παραγωγή ηλεκτρικού οξέος σε ένα εύρος ρυθμών αραίωσης μεταξύ 0,02-0,15 h-1. Στις συνεχείς καλλιέργειες με χρήση SSL το οποίο είχε προεπεξεργαστεί με νανοδιήθηση, επετεύχθησαν μέγιστες αποδόσεις ηλεκτρικού οξέος σε ρυθμό αραίωσης 0,02 h-1. Συγκεκριμένα το στέλεχος A. succinogenes είχε απόδοση 0,48 g/g και το στέλεχος B. Succiniciproducens 0,55 g/g. Ωστόσο, η μέγιστη παραγωγικότητα του A. Succinogenes (0,67 g/L/h) παρουσιάστηκε με ρυθμό αραίωσης 0,04 h-1 ενώ στην περίπτωση του B. succiniciproducens η μέγιστη παραγωγικότητα ίση με 1,6 g/L/h επιτεύχθηκε σε ρυθμό αραίωσης 0,1 h-1. Κατά την πραγματοποίηση των ζυμώσεων και στα δύο στελέχη, παρατηρήθηκε η δημιουργία φυσικής ακινητοποίησης του μικροοργανισμού στα μέρη του βιοαντιδραστήρα. Εξαιτίας αυτού, η συγκέντρωση της βιομάζας καθίστανται αδύνατο να μετρηθεί επομένως οι συγκεντρώσεις της βιομάζας σε διαφορετικούς ρυθμούς αραίωσης και για τα δύο στελέχη προσδιορίστηκε με χρήση ανάλυσης μεταβολικής ροής. Για την τεχνοοικονομική ανάλυση του ηλεκτρικού οξέος, ο σχεδιασμός όλης της διεργασίας βασίστηκε στα πειραματικά αποτελέσματα ενώ τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας πραγματοποιήθηκαν λύνοντας εξισώσεις που διέπουν οι νόμοι της θερμοδυναμικής και επαληθεύτηκαν μέσω του λογισμικού UniSim. Οι ζυμώσεις για την παραγωγή του ηλεκτρικού οξέος στα αποτελέσματα των οποίων βασίστηκαν οι υπολογισμοί, διενεργήθηκαν με τον μικροοργανισμό Basfia succiniciproducens. Ο πειραματικός σχεδιασμός για την παραλαβή του προϊόντος βασίστηκε στη διαδικασία της απευθείας κρυστάλλωσης του ηλεκτρικού οξέος όπου χρησιμοποιήθηκαν ρητίνες ιοντοανταλλαγής ως μέσω για την μετατροπή των οργανικών αλάτων σε οργανικά οξέα. Οι κρύσταλλοι ηλεκτρικού οξέος που προκύπτουν μέσω αυτής της διαδικασίας έχουν καθαρότητα ίση με 99% ενώ η ανάκτηση του προϊόντος τέθηκε ως 97%. Ο μεγάλος συντελεστής ανάκτησης του προϊόντος οφείλεται στην περαιτέρω επεξεργασία των παράπλευρων ρευμάτων που προκύπτουν από την συνολική διεργασία διαχωρισμού. Κατά την τεχνοοικονομική ανάλυση έγινε προσομοίωση της παραγωγής ηλεκτρικού οξέος για συνεχείς και ημισυνεχείς ζυμώσεις σε τρεις διαφορετικές δυναμικότητες παραγωγής (5, 30 και 100 kt) ηλεκτρικού οξέος ανά έτος. Σκοπός της μελέτης ήταν να αξιολογήσει την οικονομική βιωσιμότητα της βιοχημικής παραγωγής ηλεκτρικού οξέος με χρήση SSL ως πηγής άνθρακα. Από την μελέτη προέκυψε ως ελάχιστη τιμή πώλησης (MSP) ηλεκτρικού οξέος τα 2,70 $/kg στις συνεχείς ζυμώσεις και 3,06 $/kg στις ημισυνεχείς με τη χρήση εμπορικών πηγών αζώτου. Περεταίρω μελέτη για την μείωση των ελάχιστων τιμών πώλησης έδειξε ότι η χρήση πηγών αζώτου προερχόμενων από υδρολύματα θα μείωνε το κόστος πώλησης στα 2,16 $/kg και 2,76 $/kg, στις συνεχείς και ημισυνεχείς ζυμώσεις αντίστοιχα. Τα στάδια της ζύμωσης καθώς και η εξάτμιση αποδείχθηκαν σημαντικοί οικονομικοί παράγοντες όσον αφορά το λειτουργικό κόστος και το κόστος του κεφαλαίου. Επομένως, η βελτιστοποίηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του βιοαντιδραστήρα καθώς και εναλλακτικές πιο οικονομικά προσιτές τεχνικές εξάτμισης, θα πρέπει να εξεταστούν σε μελλοντική έρευνα.