Αειφορική παραγωγή βιοχημικών προϊόντων από την αξιοποίηση της βιομάζας του είδους Phalaris aquatica L.
Authors: Πανέρης Σταύρος 
Published: September 2021

Η παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας προβλέπεται να αυξηθεί περίπου 35% για την περίοδο 2010-2040 ενώ για την ίδια περίοδο ο παγκόσμιος πληθυσμός θα φτάσει τα 9 δις ανθρώπους. Σήμερα οι αυξημένες ενεργειακές ανάγκες συνεχίζουν να καλύπτονται κυρίως από τα ορυκτά καύσιμα (μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας). Η μείωση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων, το αυξημένο κόστος εξόρυξής τους καθώς και οι δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον εξαιτίας των αυξημένων εκπομπών CO2, οδηγούν στην ανεύρεση άλλων πηγών ενέργειας όπως είναι οι ανανεώσιμες. Η λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα, η οποία αποτελείται από τρία βασικά δομικά συστατικά, την κυτταρίνη, τις ημικυτταρίνες και τη λιγνίνη, αποτελεί μια υποσχόμενη ανανεώσιμη πηγή για την παραγωγή ενέργειας, βιοκαυσίμων και χημικών ενώσεων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Μια από τις βασικές διεργασίες για την αξιοποίηση της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας είναι η βιοχημική οδός, όπου μέσω των σταδίων της προεπεξεργασίας της βιομάζας, της ενζυμικής υδρόλυσης της κυτταρίνης που περιέχει προς γλυκόζη και της αλκοολικής ζύμωσης της παραγόμενης γλυκόζης, οδηγεί στην παραγωγή βιοαιθανόλης.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκε η βιομάζα του αγρωστώδες είδους Phalaris aquatica L. προκειμένου να αξιολογηθεί ως ενεργειακή καλλιέργεια ως προς την ικανότητα προσαρμογής του σε περιοχές με διαφορετικές κλιματικές συνθήκες και την παραγωγή βιοενέργειας αλλά και χημικών ενώσεων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Για το σκοπό αυτό εγκαταστάθηκε μια νέα καλλιέργεια φαλαρίδας, όπου αξιολογήθηκε η παραγωγή υπέργειας βιομάζας και η συγκέντρωση του λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου στο στάδιο της ωριμότητας του φυτού. Έπειτα αξιολογήθηκαν μέθοδοι προεπεξεργασίας της βιομάζας οι οποίες είναι οικονομικές και έχουν μικρό περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Οι μέθοδοι αυτοί είναι η υδροθερμική, η υδροθερμική με καταλύτη οξικό οξύ και η βιολογική. Ο στόχος της προεπεξεργασίας είναι η καταστροφή της δομής των μικροϊνιδίων των δομικών πολυσακχαριτών της βιομάζας με την υδρόλυση και διαλυτοποίηση των ημικυτταρινών, ενώ η ενζυμική υδρόλυση που ακολουθεί σακχαροποιεί την κυτταρίνη και οδηγεί στην παραγωγή γλυκόζης. Η ένταση των πειραματικών συνθηκών (θερμοκρασίας και χρόνου) εκφράστηκε με τον συντελεστή δριμύτητας logR0. Τέλος αξιολογήθηκε η θερμογόνος ικανότητα του φυτού.Η υδροθερμική προεπεξεργασία είχε ως βασικό αποτέλεσμα την εκλεκτική απομάκρυνση των ημικυτταρινών, οι οποίες ανακτήθηκαν στα υγρά προϊόντα κυρίως ως μίγμα διαλυτών ολιγομερών/μονομερών ξυλόζης και αραβινόζης προσφέροντας παράλληλα μεγαλύτερη προσβασιμότητα και διαθέσιμη επιφάνεια κυτταρίνης για τη δράση των ενζύμων. Η μέγιστη απομάκρυνση των ημικυτταρινών από τη βιομάζα συνέβη σε μέτριες και υψηλές συνθήκες διεργασίας (logR0 > 4,12), με ποσοστό της τάξης του 90%. Στις υψηλές τιμές logR0 επιτεύχθηκε η πλήρης σχεδόν απομάκρυνση των ημικυτταρινών, όμως το μεγαλύτερο ποσοστό της παραγόμενης ξυλόζης και των υπολοίπων πεντοζών μετατράπηκε σε παραπροϊόντα (φουρφουράλη, HMF, κτλ.) μέσω αντιδράσεων αφυδάτωσης και οξείδωσης. Στις συνθήκες 190οC, 45min (logR0 4,3) παρατηρήθηκε η υψηλότερη τιμή ανάκτησης γλυκόζης με τιμή που έφτασε στα 5,237 mg/ml στις 72 ώρες δράσης των ενζύμων, καθώς και πολύ ψηλή μετατρεψιμότητα της κυτταρίνης σε γλυκόζη (90%). Στην υδροθερμική επεξεργασία με καταλύτη οξικό οξύ οι ημικυτταρίνες ήταν και εδώ το κλάσμα που απομακρύνθηκε εκλεκτικά, αλλά αυτό συνέβη σε ηπιότερες συνθήκες (logR0 > 3,24). Η χρήση του οξέως ευνόησε την αποδιάταξη της λιγνίνης καθώς και τη διάσπαση των ολιγομερών σακχάρων σε μονομερή. Οι συγκεντρώσεις των παραπροϊόντων που σχηματίστηκαν ήταν σε υψηλότερα επίπεδα σε σχέση με τη μη χρήση οξέως. Η συγκέντρωση του οξέως καθώς και το επίπεδο των ενζύμων φάνηκε να μην επηρεάζουν σημαντικά τις αποδόσεις σε γλυκόζη και τη μετατροπή της κυτταρίνης. Ως βέλτιστος συνδυασμός συνθηκών σ’ αυτή τη μέθοδο προτείνεται ο 190οC, 15min με 3% συγκέντρωση οξέος. Στη βιολογική μέθοδο προεπεξεργασίας χρησιμοποιήθηκε ο μύκητας Pleurotus ostreatus σε υπόστρωμα φαλαρίδας, ο οποίος αποδόμησε επιλεκτικά το κλάσμα της λιγνίνης καθώς και τις ημικυτταρίνες (περίπου 50%), κάνοντας ευκολότερη την πρόσβαση των ενζύμων στην κυτταρίνη. Η μεγαλύτερη αποδόμηση των δομικών συστατικών της βιομάζας καθώς και η μεγαλύτερη συγκέντρωση γλυκόζης κατά την ενζυμική υδρόλυση επιτεύχθηκε στο τέλος της καλλιεργητικής περιόδου του μύκητα (120 μέρες). Η μέγιστη μετατρεψιμότητα της κυτταρίνης σε γλυκόζη έφτασε το 88,1%. Τέλος αξιολογήθηκε η θερμογόνος ικανότητα του είδους. Από τα αποτελέσματά μας γίνεται φανερό πως η μέγιστη θερμογόνος δύναμη επιτυγχάνεται σε καλλιέργεια μικρής ηλικίας, λόγω του υψηλού λιγνοκυτταρινικού περιεχομένου, με τιμές που φτάνει τα 19,62 ΜJ/kg ξηρής ουσίας.