Ανάπτυξη και σχεδιασμός καινοτόμου βιοδιυλιστηρίου που βασίζεται στην αξιοποίηση της οινολάσπης και της ακατέργαστης γλυκερόλης προς παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας και πολυ-3-υδροξυ-βουτυρικού εστέρα μέσω μικροβιακών ζυμώσεων
Authors: Δήμου Χαραλαμπία 
Published: September 2021

Η μετάβαση στην εποχή της βιο-οικονομίας και η αντικατάσταση των πετροχημικών διεργασιών για την παραγωγή χημικών ουσιών και πολυμερών απαιτούν την αξιοποίηση βιομηχανικών αποβλήτων και παρα-προϊόντων ως πρώτες ύλες για την ανάπτυξη καινοτόμων βιοδιυλιστηρίων. Το γεγονός ότι η συμβατική βιομηχανία ζυμώσεων χρησιμοποιεί εμπορικές πρώτες ύλες (π.χ. γλυκόζη, εκχύλισμα ζύμης) για την παραγωγή χημικών ουσιών και πολυμερών καθιστά τις διεργασίες αυτές μη αειφόρες. Η αειφόρος ανάπτυξη βιοδιυλιστηρίων θα πρέπει να συμπεριλάβει την συνδυασμένη παραγωγή ενέργειας, τροφίμων, ζωοτροφών, χημικών ουσιών, βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών και βιοϋλικών. Σε αυτά τα πλαίσια, η αξιοποίηση των παραπροϊόντων και των αποβλήτων της βιομηχανίας τροφίμων μέσω της δημιουργίας βιοδιυλιστηρίων θα βελτιώσει το περιβαλλοντικό αποτύπωμα και τα έσοδα των συμβατικών διεργασιών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός καινοτόμου βιοδιυλιστηρίου με στόχο την αξιοποίηση της οινολάσπης ως πρώτη ύλη για την παραγωγή αιθανόλης, τρυγικών αλάτων, ενός εκχυλίσματος πλούσιο σε φαινολικά συστατικά και ενός υδρολύματος πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά το οποίο είναι κατάλληλο ως θρεπτικό μέσο για μικροβιακές ζυμώσεις. Τα ισοζύγια μάζας κατά την βελτιστοποίηση της ανάπτυξης του βιοδιυλιστηρίου υπολογίστηκαν στην περίπτωση που χρησιμοποιήθηκαν οινολάσπες που προήλθαν από την ερυθρά οινοποίηση σταφυλιών της ποικιλίας Μερλότ. Κατά το πρώτο στάδιο της διεργασίας διαχωρίζονται τα στερεά από την υγρή φάση των οινολασπών μέσω φυγοκέντρησης. Ακολούθως, τα στερεά συστατικά χρησιμοποιούνται για τον διαχωρισμό ενός εκχυλίσματος πλούσιο σε φαινολικά συστατικά και τρυγικών αλάτων. Το στερεό υπόλειμμα είναι πλούσιο σε κύτταρα ζυμών, τα οποία παρήχθησαν κατά τη διάρκεια της οινοποίησης. Το στερεό αυτό κλάσμα χρησιμοποιήθηκε για την βελτιστοποίηση διεργασίας παραγωγής υδρολύματος πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά που δύναται να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για μικροβιακές ζυμώσεις. Η λύση των κυττάρων ζύμης πραγματοποιήθηκε με την χρήση ακατέργαστων ενζύμων που παρήχθησαν μέσω ζύμωσης στερεάς κατάστασης από το μύκητα Aspergillus oryzae. Η μέγιστη παραχθείσα συγκέντρωση αζώτου που περιέχεται στις ελεύθερες αμινομάδες αμινοξέων και πεπτιδίων ήταν 1400 mg/L, ενώ η μέγιστη παραχθείσα συγκέντρωση φωσφόρου ήταν 130 mg/L. Οι βέλτιστες συνθήκες υδρόλυσης ήταν pH 5,5, θερμοκρασία 40 ⁰C, 48 ώρες διάρκεια υδρόλυσης, 75 g/L αρχική συγκέντρωση του στερεού κλάσματος των οινολασπών, και 12 U/mL αρχική πρωτεολυτική ενεργότητα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε επίσης στην παραγωγή του βιοαποικοδομήσιμου πολυμερούς πολυ-3-υδροξυ-βουτυρικού εστέρα (ΠΥΒ) από διάφορα βιομηχανικά παραπροϊόντα και απόβλητα. Αξιολογήθηκε η χρηση υδρολυμάτων που παρήχθησαν μέσω υδρόλυσης αλευρούχων υπολλειμάτων της βιομηχανίας παραγωγής προϊόντων ζαχαροπλαστικής, η ακατέργαστη γλυκερόλη, υδρολύματα κραμβαλεύρων και υδρολύματα που παρήχθησαν από οινολάσπες προς την μικροβιακή παραγωγή ΠΥΒ. Πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση ζυμώσεων παραγωγής ΠΥΒ σε βιοαντιδραστήρα με χρήση του βακτηριακού στελέχους Cupriavidus necator DSZM 7237 που αναπτύχθηκε σε μείγμα ακατέργαστης γλυκερόλης και υδρολυμάτων πλούσιων σε θρεπτικά συστατικά που παρήχθησαν από οινολάσπες. Η μέγιστη συγκέντρωση ΠΥΒ που επιτεύχθηκε ήταν 36.9 g/L και η παραγωγικότητα ήταν 0.56 g/L/h. Επομένως, τα υδρολύματα που προκύπτουν από την διύλιση των οινολασπών δύνανται να χρησιμοποιηθούν για την μικροβιακή παραγωγή του ΠΥΒ. Το βιοδιυλιστήριο που αναπτύχθηκε με βάση την ολιστική αξιοποίηση των οινολασπών αξιολογήθηκε μέσω σχεδιασμού διεργασιών και εκπόνηση προκαταρκτικής τεχνο-οικονομικής μελέτης. Τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας της διεργασίας πραγματοποιήθηκαν μέσω της χρήσης του λογισμικού UniSim (Honeywell). Ακολούθως, αξιολογήθηκε η επίδραση της τιμής πώλησης των αντιοξειδωτικών συστατικών προκειμένου να αξιολογηθεί η βιωσιμότητα της διεργασίας στην περίπτωση που επεξεργάζονται διαφορετικές ποσότητες οινολασπών σε ετήσια βάση. Η ελάχιστη τιμή πώλησης του ρεύματος που είναι πλούσιο σε αντιοξειδωτικά συστατικά κυμαίνεται από 122 $/kg έως 11.06 $/kg όταν η ολική ποσότητα οινολασπών που επεξεργάζονται ετησίως κυμαίνεται από 500 kg/h έως 5000 kg/h.