Παραγωγή οργανικών οξέων από λιγνοκυτταρινούχα συστατικά με τη χρήση γ-αλούμινας ως προωθητή
Authors: Τσαφρακίδου Παναγιώτα 
Published: September 2021

Η παραγωγή αποβλήτων είναι ένα αναπόσπαστο κομμάτι της ανθρώπινης δραστηριότητας. Τα απόβλητα παράγονται από διάφορους τομείς συμπεριλαμβανομένων των βιομηχανιών, της δασοκομίας, της γεωργίας και των πόλεων. Η συσσώρευση αποβλήτων λόγω της απουσίας οικολογικής συνείδησης των περασμένων δεκαετιών δημιούργησε σοβαρά περιβαλλοντικά, και οικονομικά προβλήματα, προβλήματα υγείας, και εμπόδια προς την κατεύθυνση της αειφόρου ανάπτυξης, όσον αφορά την ανακύκλωση και διατήρηση πόρων.Ο συνδυασμός των προαναφερθέντων με την ολοένα αυξανόμενη ζήτηση σε καύσιμα σε παγκόσμια κλίμακα, αφού τα αποθέματα ορυκτών καυσίμων μειώνονται, και οι τιμές τους αυξάνονται (όπως και οι βίαιες συγκρούσεις για την εκμετάλλευση τους), οδήγησε στην ανάγκη εύρεσης νέων προοπτικών για την προώθηση βιώσιμης ανάπτυξης σε ένα πλαίσιο κυκλικής οικονομίας. Η ανάγκη αυτή έχει επηρεάσει τις πρακτικές διαχείρισης αποβλήτων και σταδιακά ικανοποιείται μέσα από κατευθυντήριες γραμμές τόσο σε εθνικό όσο και διεθνές επίπεδο. Η επιστημονική έρευνα και η τεχνολογική ανάπτυξη δεν θα μπορούσαν παρά να είναι αρωγοί σε μια τέτοια προσπάθεια.Η λιγνινοκυτταρινούχος βιομάζα αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος των αποβλήτων σε παγκόσμιο επίπεδο. Η πλούσια αυτή πηγή άνθρακα μπορεί να επεξεργαστεί με διάφορες μεθόδους, και η αναερόβια χώνευση φαίνεται να είναι μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση. Η αναερόβια χώνευση περιλαμβάνει μια σειρά από μεταβολικές δραστηριότητες όπως η υδρόλυση, η οξεογένεση και η μεθανογένεση. Υπό ελεγχόμενες συνθήκες η διεργασία έχει τη δυνατότητα να παρέχει χρήσιμα προϊόντα, όπως βιοκαύσιμα και εδαφοβελτιωτικά, χωρίς την απαίτηση παροχής οξυγόνου στο σύστημα. ΣΤΟΧΟΣ της παρούσας διατριβής ήταν η ενίσχυση του σταδίου της οξεογένεσης με τη χρήση γ-αλούμινας ως φορέα ακινητοποίησης της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας και η παραγωγή οργανικών οξέων κατά την αναερόβια επεξεργασία λιγνινοκυτταρινούχων υλικών. Στο ΠΡΩΤΟ ΜΕΡΟΣ της διατριβής γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση με έμφαση στην αναερόβια χώνευση. Γίνεται αναφορά στα κύρια βιοτεχνολογικά προϊόντα καθώς και στις τεχνολογίες αξιοποίησης των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων,κυρίως της βιομηχανίας τροφίμων. Επιπροσθέτως, αναλύονται τα κύρια βιοκαύσιμα, οι νέες τάσεις για την παραγωγή τους, καθώς και οι ανησυχίες που ανακύπτουν από την παραγωγή τους.Το ΔΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ περιλαμβάνει τον πειραματικό σχεδιασμό της διατριβής.Περιγράφονται οι πρώτες ύλες (λιγνινοκυτταρινούχο υλικό, άχυρο), τα όργανα και ο εργαστηριακός εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε, οι μικροοργανισμοί που χρησιμοποιήθηκαν, και οι πειραματικές και αναλυτικές τεχνικές που υιοθετήθηκαν.Τα πειράματα για την μελέτη της οξεογένεσης λιγνινοκυταρινούχων υλικών έγιναν αρχικά σε συνθετικό μέσο κελλοβιόζης. Ο υδατάνθρακας αυτός επιλέχθηκε ως πηγή άνθρακα επειδή είναι ο βασικός δισακχαρίτης, με β(1-4) γλυκοζιτικό δεσμό, από τον οποίο αποτελείται το πολυμερές της κυτταρίνης.Στο συνθετικό μέσο κελλοβιόζης έγινε μελέτη της επίδρασης τριών παραμέτρων της ζύμωσης με σκοπό την βελτιστοποίηση των συνθηκών και τη μεγιστοποίηση των συγκεντρώσεων των οργανικών οξέων. Οι παράμετροι που μελετήθηκαν ήταν η αρχική τιμή pH του υποστρώματος ζύμωσης (3, 4,5, 6, 7, 8 και 9), η συγκέντρωση του σακχάρου (20, 30, 50, και 70 g/L) και η θερμοκρασία της ζύμωσης (27, 37 και 47 oC). Τα πειράματα έλαβαν χώρα τόσο με τη χρήση ελεύθερων κυττάρων της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας όσο και με την χρήση ακινητοποιημένων κυττάρων σε πελλέτες γ-αλούμινας για να διαπιστωθεί η προωθητική δράση του φορέα ακινητοποίησης.Στη συνέχεια έγινε προσπάθεια ανάπτυξης μαθηματικού μοντέλου για τιςζυμώσεις παρουσία του προωθητή, η οποία είχε ως στόχο τη βελτιστοποίηση των συνθηκών που θα χρησιμοποιούνταν στις ζυμώσεις του αποβλήτου (άχυρου). Η στατιστική ανάλυση του μοντέλου έδειξε ότι η τετραγωνική επίδραση της θερμοκρασίας ήταν ο σημαντικότερος παράγοντας και ακολουθούσε η τετραγωνική επίδραση της αρχικής τιμής pH και η γραμμική επίδραση της συγκέντρωσης της κελλοβιόζης. Μεταξύ των πιθανών συνδυασμών των τιμών των παραγόντων που μελετήθηκαν για τη μεγιστοποίηση της παραγωγής οργανικών οξέων, επιλέχθηκαν οι συνθήκες:37oC θερμοκρασία, pH 9,0 και 30 g/L συγκέντρωση σακχάρου.Οι ζυμώσεις στο επόμενο στάδιο έγιναν σε υπόστρωμα χημικώς απολιγνινοποιημένου άχυρου. Το άχυρο αντικατέστησε την κελλοβιόζη και χρησιμοποιήθηκε ως η μόνη πηγή άνθρακα. Οι ζυμώσεις έγιναν σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με ελεύθερα και ακινητοποιημένα κύτταρα.Η προωθητική δράση της γ-αλουμίνας επιβεβαιώθηκε και σε αυτές τις ζυμώσεις.Η μέγιστη συγκέντρωση των οξέων για τα ακινητοποιημένα κύτταρα έφτασε τα 7 g/L ενώ το προφίλ των οξέων που παρήχθησαν ήταν παρόμοιο με εκείνο των ζυμώσεων κελλοβιόζης με εξαίρεση την εμφάνιση ισοβουτυρικού οξέος στις ζυμώσεις χημικώς απολιγνινοποιημένου άχυρου παρουσία γ-αλουμίνας. Τα λιγνοκυτταρινούχα υποστρώματα, όπως το άχυρο, χρειάζονται προεπεξεργασία πριν τη ζύμωση τους για να διευκολυνθούν οι βιοχημικές διεργασίες που συμβαίνουν κατά στο στάδιο της οξεογένεσης. Συνεπώς, μετά τη χημική απολιγνινοποίηση με διάλυμα NaOH, ακολούθησε η μελέτη της βιολογικής υδρόλυσης της κυτταρίνης με τη βοήθεια του μύκητα Trichodermaviride. Μετά την προεπεξεργασία του άχυρου με NaOH για την απομάκρυνση της λιγνίνης και την υδρόλυση από τον μύκητα, χρησιμοποιήθηκε το υδρόλυμα και το υπόλειμμα του απολιγνινοποιημένου υδρολυμένου άχυρου ως υπόστρωμα ζύμωσης. Η μικροβιακή υδρόλυση του άχυρου οδήγησε σε ελαφρώς αυξημένες αποδόσεις στην τελική συγκέντρωση των οξέων που ήταν 10% και 5,5% για τις ζυμώσεις των ελεύθερων κυττάρων και των ακινητοποιημένων σε γ-αλουμίνα,αντίστοιχα.Για την μείωση των χρησιμοποιούμενων χημικών και του κόστους που απαιτούνοι θερμικές διεργασίες, μελετήθηκε στη συνέχεια η μικροβιακή απολιγνινοποίηση του άχυρου με τη βοήθεια του μύκητα λευκής σήψηςPhanerochaete chrysosporium. Το απολιγνινοποιημένο άχυρο που προέκυψε,συγκρίθηκε με το χημικώς απολιγνινοποιημένο τόσο σε μορφολογικά χαρακτηριστικά, στη σύσταση του όσο και στην τελική απόδοση σε οργανικά οξέα μετά την οξεογένεση. Η επίδραση της υγρασίας του άχυρου φάνηκε να παίζει σημαντικό ρόλο ως προς το τελικό ποσοστό απολιγνινοποίησης. Τα επίπεδα απολιγνινοποίησης στο μέγιστο ποσοστό υγρασίας (85%) άχυρου κυμάνθηκαν στο 30,25% ενώ η χημική απολιγνινοποίηση δίνει ποσοστά που ξεπερνούν το 60%. Εντούτοις, το τελικό αποτέλεσμα της ζύμωσης δεν φαίνεται να διαφέρει σημαντικά καθώς τα ολικά οξέα σε ζυμώσεις διαλείποντος έργου για το χημικώς απολιγνινοποιημένο άχυρο φτάνουν τα 9,6 g/L για τα ακινητοποιημένα κύτταρα και τα 5,1 g/L για τα ελεύθερα κύτταρα, ενώ οι αντίστοιχες ποσότητες για τη ζύμωση του βιολογικώς απολιγνινοποιημένου άχυρου με ποσοστό υγρασίας 85% ήταν 7,45 g/L και 3,96 g/L.Εκτός από την επίδραση των παραπάνω παραγόντων σε ζυμώσεις διαλείποντος έργου, μελετήθηκε και η επίδραση της συνεχούς ζύμωσης στην τελική συγκέντρωση οργανικών οξέων. Το συνεχές σύστημα λειτούργησε παρουσία γ-αλουμίνας για 200 ημέρες στους 37oC. Αρχικά έγινε τροφοδοσία για την προσαρμογή του συστήματος με υπόστρωμα ζύμωσης κελλοβιόζης 50 g/L, στη συνέχεια η συγκέντρωση μειώθηκε στα 30 g/L και ακολούθησε η τροφοδοσία με εναιώρημα απολιγνινοποιημένου άχυρου (30 g/L). Το μέγιστο της παραγωγής οργανικών οξέων (50%) παρατηρήθηκε την 75η μέρα λειτουργίας σε υπόστρωμα κελλοβιόζης. Το προφίλ των παραγόμενων οργανικών οξέων ήταν διαφορετικό μεταξύ των δύο υποστρωμάτων ζύμωσης. Αρχικά επικράτησε το ηλεκτρικό και το γαλακτικό οξύ ενώ στη συνέχεια το βουτυρικό οξύ αποτέλεσε το 83% περίπου του συνόλου των οξέων.Μετά την μελέτη της επίδρασης όλων των παραγόντων που αφορούν την οξεογένεση, έγιναν πειράματα ανάκτησης των οργανικών οξέων με χρήση οργανικών διαλυτών. Αρχικά, τα πειράματα εκχύλισης έγιναν σε υδατικάδιαλύματα πρότυπων οργανικών οξέων με χρήση των διαλυτών: οξικός αιθυλεστέρας, τολουόλιο, χλωροφόρμιο, διαιθυλαιθέρας και 2-πεντανόλη. Τα οργανικά οξέα που εκχυλίστηκαν ήταν το οξικό, το ηλεκτρικό, το γαλακτικό, το προπιονικό, το βουτυρικό και το ισοβουτυρικό οξύ. Μελετήθηκε η επίδραση του διαλύτη και η επίδραση της αναλογίας υδατικού διαλύματος/διαλύτη. Η 2-πεντανόλη έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα από όλους τους διαλύτες που χρησιμοποιήθηκαν. Φαίνεται να εκχυλίζονται όλα τα οξέα σε όλες τις αναλογίες γι’ αυτό το λόγο επιλέχθηκε να μελετηθεί η εκχυλιστική της ικανότητα σε υγρό ζύμωσης.Το υγρό της ζύμωσης απολιγνινοποιημένου άχυρου εκχυλίστηκε με 2-πεντανόλη, με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα πειράματα που προηγήθηκαν στα υδατικά διαλύματα και μελετήθηκε επίσης η επίδραση του φιλτραρίσματος του υγρού ζύμωσης, η μείωση του pH αλλά και η αναλογία υγρού ζύμωσης/2-πεντανόλης. Η αναλογία 1/1 φάνηκε να δίνει καλά αποτελέσματα για όλα τα οξέα, καθώς η περαιτέρω αύξηση της αναλογίας σε 2-πεντανόλη δεν έδειξε να βελτιώνει σημαντικά την εκχύλιση. Τα ποσοστά εκχύλισης αυξήθηκαν στο φιλτραρισμένο υγρό για όλα τα οξέα. Τέλος, η μείωση της τιμής του pH του υγρού ζύμωσης από 5,5 σε 2,5 αύξησε σημαντικά την εκχύλιση των οργανικών οξέων ενώ περαιτέρω μείωση του pH δεν φαίνεται να έχει θετική επίδραση στην εκχύλιση των οξέων με εξαίρεση το γαλακτικό οξύ. Τέλος, παρατίθενται τα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ της διδακτορικής διατριβής. Η χρήσητης γ-αλουμίνας ως προωθητή, βελτίωσε σε όλες τις περιπτώσεις την απόδοση σε οργανικά οξέα. Οι παράγοντες που μελετήθηκαν όσον αφορά την μεγιστοποίηση του αποτελέσματος της οξεογένεσης (αρχική τιμή pH,συγκέντρωση σακχάρου, θερμοκρασία) έδωσαν ικανοποιητικά αποτελέσματα στην προσπάθεια μοντελοποίησης της διεργασίας. Η βιολογική απολιγνινοποίηση του λιγνινοκυτταρινούχου υλικού ήταν επιτυχής, δίνοντας μια εναλλακτική και πολλά υποσχόμενη διέξοδο στην προεπεξεργασία των υλικών αυτών για την μετέπειτα αξιοποίηση τους μέσω οξεογένεσης. Η συμβατική εκχύλιση των παραγόμενων οξέων με οργανικούς διαλύτες έδωσε πολύ καλά αποτελέσματα. Μεταξύ των διαλυτών επιλέχθηκε και ξεχώρισε η χρήση της 2-πεντανόλης, ως αλκοόλη που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί,εκτός από εκχυλιστικό μέσο, και ως αντιδρών στην μετέπειτα εστεροποίηση των οργανικών οξέων για την παραγωγή εστέρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βιοκαύσιμα παρόμοια του βιοντίζελ, αλλά χωρίς ανταγωνισμό με την παραγωγή τροφίμων όπως το βιοντίζελ πρώτης γενιάς.