Παραγωγή οργανικών οξέων από τυρόγαλο παρουσία κίσσηρης και γ-αλουμίνας ως προωθητές
Authors: Μπούρα Κωνσταντίνα 
Published: September 2021

Στις μέρες μας παρατηρείται έντονο ενδιαφέρον για τη διαχείριση και την αξιοποίηση των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων πριν την απόρριψη τους στο περιβάλλον. Η αξιοποίηση του τυρογάλακτος, ένα από τα κύρια απόβλητα, για την ταυτόχρονη παραγωγή οργανικών οξέων και αιθανόλης μέσω διεργασίας αναερόβιας οξεογένεσης ήταν η κεντρική ιδέα στην οποία βασίστηκε η παρούσα διατριβή. Αυτά τα προϊόντα μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως χημικές πρώτες ύλες είτε για την παραγωγή νέας γενιάς βιοκαυσίμων μετά από εστεροποίηση. Το ορυκτό κίσσηρη και η γ-αλουμίνα θεωρήθηκαν ιδανικοί προωθητές της αναερόβιας οξεογένεσης, καθώς είναι ανόργανα πορώδη υλικά που έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε προηγούμενες μελέτες ως φορείς ακινητοποίησης κυττάρων και προωθητές ζυμωτικών διεργασιών.Στη παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η αξιοποίηση του τυρογάλακτος μέσω αναερόβιας οξεογένεσης με χρήση μικτής αναερόβιας καλλιέργειας (από αντιδραστήρα UASB) ακινητοποιημένης σε κίσσηρη ή γ-αλουμίνα. Ο σκοπός δηλαδή της μελέτης ήταν o προσδιορισμός των βέλτιστων συνθηκών για τη παραγωγή οργανικών οξέων με πρώτες ύλες αρχικά τη λακτόζη, ως μοντέλο υπόστρωμα, και στη συνέχεια το τυρόγαλα, ένα από τα κύρια υγρά απόβλητα της βιομηχανίας τροφίμων. Πιο αναλυτικά μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας ζύμωσης (20-45 οC), της αρχικής τιμής pH του υποστρώματος (3-9) και της αρχικής συγκέντρωσης λακτόζης του υποστρώματος, στην παραγωγή οργανικών οξέων τόσο με ελεύθερα κύτταρα όσο και με τη χρήση κίσσηρη και γ-αλουμίνας. Τα πειράματα αυτά πραγματοποιήθηκαν σε συστήματα διαλείποντος έργου χρησιμοποιώντας συνθετικό θρεπτικό μέσο λακτόζης. Σε όλες τις περιπτώσεις αποδείχτηκε η προωθητική δράση τόσο της κίσσηρης όσο και της γ-αλουμίνας ενώ τα καλύτερα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν στους 37 oC, σε αρχική τιμή pH 9 και χαμηλές αρχικές συγκεντρώσεις σακχάρου. Πειράματα σε βιοαντιδραστήρες διαλείποντος έργου πραγματοποιήθηκαν και με τυρόγαλα τα οποία επέδειξαν παρόμοια αποτελέσματα.Στη συνέχεια με βάση τις βέλτιστες συνθήκες πραγματοποιήθηκαν πειράματα οξεογένεσης σε συνεχές σύστημα χρησιμοποιώντας συνθετικό θρεπτικό λακτόζης. Τρεις διαφορετικοί βιοαντιδραστήρες (1,5 L) συνεχούς λειτουργίας τέθηκαν σε λειτουργία για περίπου 4 μήνες, εκ των οποίων ο ένας ήταν πληρωμένος με κίσσηρη, ο άλλος με γ-αλουμίνα και ο τρίτος με μίγμα (1:1) κίσσηρη και γ-αλουμίνας. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε ως υγρό τροφοδοσίας συνθετικό μέσο λακτόζης σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Το κυρίαρχο οξύ και στα τρία συστήματα ήταν το γαλακτικό οξύ, αποτελώντας πάνω από 65% των ολικών οργανικών οξέων που παρήχθησαν, ενώ η αιθανόλη ανιχνεύτηκε σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Ακολούθως, χρησιμοποιήθηκε ως υγρό τροφοδοσίας αραιωμένο τυρόγαλα με νερό (1:1) και τέλος πλήρες τυρόγαλα. Το γαλακτικό οξύ εξακολούθησε να είναι το κυρίαρχο οξύ, αποτελώντας πάνω από 70% των παραγόμενων οργανικών οξέων.Παρόλο που κατά τη διάρκεια της οξεογένεσης συνθετικού μέσου γλυκόζης παρατηρήθηκε αξιοσημείωτη παραγωγή αιθανόλης, στη περίπτωση του συνθετικού μέσου λακτόζης παρατηρήθηκε μειωμένη παραγωγή της. Για την αύξηση λοιπόν της παραγωγής της αιθανόλης, μελετήθηκε σύστημα δυο διαδοχικών αντιδραστήρων σε συνεχή λειτουργία. Ο ένας βιοαντιδραστήρας ήταν αυτός της οξεογένεσης με ακινητοποιημένη αναερόβια μικτή καλλιέργεια σε γ-αλουμίνα και ο δεύτερος βιοαντιδραστήρας περιείχε ακινητοποιημένα κύτταρα κεφίρ σε γ-αλουμίνα. Στο πρώτο σύστημα που μελετήθηκε, το τυρόγαλα τροφοδοτούνταν αρχικά στο βιοαντιδραστήρα της οξεογένεσης και στη συνέχεια στο βιοαντιδραστήρα με τα ακινητοποιημένα κύτταρα κεφίρ για αλκοολική ζύμωση. Έπειτα, μελετήθηκε το σύστημα αυτό των διαδοχικών αντιδραστήρων με αντίστροφη διάταξη. Στη δεύτερη περίπτωση, κατά την οποία το τυρόγαλα τροφοδοτούνταν αρχικά στον αντιδραστήρα της αλκοολικής ζύμωσης και στη συνέχεια σε αυτόν της οξεογένεσης, παρατηρήθηκε 10 φορές μεγαλύτερη παραγωγή αιθανόλης και 2,5 φορές υψηλότερη παραγωγή οργανικών οξέων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η μεταφορά της τεχνολογίας από την εργαστηριακή κλίμακα των 1,5 L σε αυξημένη κλίμακα (scale-up) χρησιμοποιώντας βιοαντιδραστήρα όγκου 70 L και την κίσσηρη ως φορέα ακινητοποίησης. Πραγματοποιήθηκαν 8 ζυμώσεις σε βιοαντιδραστήρα διαλείποντος έργου με αρχικό υγρό τροφοδοσίας το συνθετικό μέσο λακτόζης, ενώ στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε ως υγρό τροφοδοσίας αραιωμένο τυρόγαλα με νερό (1:1) και τέλος κανονικό τυρόγαλα. Το σύστημα αυτό της μεγάλης κλίμακας παρουσίασε σημαντική λειτουργική σταθερότητα και βελτιωμένα αποτελέσματα σε σχέση με την εργαστηριακή κλίμακα.Το τελευταίο μέρος της παρούσας διατριβής επικεντρώθηκε στην ανάκτηση των οργανικών οξέων από ζυμωμένο υγρό, το οποίο αποτελεί το κύριο πρόβλημα για την χρήση των οργανικών οξέων στη παραγωγή νέας γενιάς βιοκαυσίμων μέσω της παραγωγής εστέρων είτε για άλλες χρήσεις. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την ανάκτηση των οργανικών οξέων ήταν αυτή της υγρής-υγρής εκχύλισης, με τη χρήση της 1-βουτανόλης ως διαλύτη στη συγκεκριμένη εργασία. Τέλος πραγματοποιήθηκαν πειράματα ανάκτησης οξέων με τα ζυμωμένα υγρά τυρογάλακτος. Τα αποτελέσματα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η 2-πεντανόλη και η 1-βουτανόλη είναι οι καλύτεροι διαλύτες για την εκχύλιση των οργανικών οξέων.