Παραγωγή οργανικών οξέων από διαλυτά στερεά απόβλητα των μονάδων παραγωγής βιοαιθανόλης με τη χρήση κίσσηρης και γ-αλούμινας ως προωθητές
Authors: Λάππα Αικατερίνη 
Published: November 2021

Η βιοτεχνολογική αξιοποίηση της βιομάζας των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων μέσω της αναερόβιας ζύμωσης προς την παραγωγή οργανικών οξέων, αποτελεί μια σημαντική εναλλακτική λύση στο πρόβλημα της διαχείρισης των αποβλήτων. Η παραγωγή των οργανικών οξέων αποτελεί έναν ανταγωνιστικό και ταχέως αναπτυσσόμενο τομέα εξαιτίας των πολυάριθμων εφαρμογών τους. Τα οργανικά οξέα έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων ως ενισχυτικά της γεύσης και του αρώματος και ως συντηρητικά. Επίσης έχουν χρησιμοποιηθεί ως αντιμυκητιακοί παράγοντες στις ζωοτροφές, ως συστατικά των ζιζανιοκτόνων ενώ αποτελούν σημαντικές πρώτες ύλες για την χημική, καλλυντική και φαρμακευτική βιομηχανία. Άλλη εν δυνάμει βιοτεχνολογική εφαρμογή των οργανικών οξέων είναι η αξιοποίηση τους για την παραγωγή μιας νέας γενιάς βιοκαυσίμου με βάση τους εστέρες. Η παραγωγή αιθανόλης από σακχαρούχες καλλιέργειες όπως είναι τα ζαχαρότευτλα οδηγεί στην παραγωγή μεγάλων όγκων βινάσσας, ενός εξαιρετικά ρυπογόνου αποβλήτου. Στο πλαίσιο αυτό, στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η βιοτεχνολογική αξιοποίηση της βινάσσας ως υπόστρωμα για την παραγωγή χημικών υψηλής προστιθέμενης αξίας όπως είναι τα οργανικά οξέα μέσω της διεργασίας της οξεογένεσης. Για την οξεογένεση της βινάσσας χρησιμοποιήθηκαν δύο πορώδη υλικά, η κίσσηρη και η γ-αλούμινα, για την ακινητοποίηση της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας και μελετήθηκε η τυχόν προωθητικής τους δράση στη διεργασία της οξεογένεσης. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών στην οξεογένεση της σουκρόζης, ως ένωση μοντέλο αφού είναι το κύριο σάκχαρο της βινάσσας. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση του pH (4-8), της θερμοκρασίας (20-45 °C) και της αρχικής συγκέντρωσης του σακχάρου (20-100 g/L) στη διεργασία της οξεογένεσης στον κάθε φορέα ακινητοποίησης ξεχωριστά και έγινε σύγκριση με αντίστοιχα πειράματα με ελεύθερα κύτταρα. Στην περίπτωση της γ-αλούμινας βρέθηκε ότι η μεγαλύτερη συγκέντρωση οργανικών οξέων επετεύχθη στο pH 7 στους 37 °C και η ζύμωση ήταν γαλακτικού τύπου. Στην περίπτωση της κίσσηρης η μέγιστη παραγωγικότητα οργανικών οξέων επετεύχθη στο pH 8 στους 37 °C και η ζύμωση ήταν επίσης γαλακτικού τύπου. Τέλος έγινε φανερή η προωθητική δράση της κίσσηρης και της γ-αλούμινας στη διεργασία της οξεογένεσης. Ακολούθως πραγματοποιήθηκαν μικροβιακές ζυμώσεις διαλείποντος έργου με μίγματα σουκρόζης-ραφινόζης, δεδομένου ότι και η ραφινόζη είναι συστατικό της βινάσσας και φάνηκε ότι η μικτή αναερόβια καλλιέργεια έχει τη δυνατότητα να ζυμώσει και πιο σύνθετα σάκχαρα όπως είναι η ραφινόζη. Στη συνέχεια μελετήθηκε η συνεχής οξεογένεση της σουκρόζης, μιγμάτων σουκρόζης-ραφινόζης και βινάσσας σε βιοαντιδραστήρα 1,25 L με προωθητή τη γ-αλούμινα. Κατά την τροφοδοσία του βιοαντιδραστήρα με σουκρόζη και μίγματα σουκρόζης-ραφινόζης το κυρίαρχο παραγόμενο οξύ ήταν το γαλακτικό οξύ. Ακολούθως η βινάσσα τροφοδοτήθηκε στο συνεχές σύστημα και δοκιμάστηκαν δύο αραιώσεις της βινάσσας με νερό (1:5 και 1:10). Η χρήση της αραιωμένης 1:5 βινάσσας οδήγησε σε μια σημαντική αύξηση στην απόδοση σε οργανικά οξέα ενώ παρατηρήθηκε μείωση του γαλακτικού οξέος και αύξηση του βουτυρικού οξέος. Η τροφοδοσία με αραιωμένη 1:10 βινάσσα έδωσε καλύτερα αποτελέσματα με τη συγκέντρωση των οργανικών οξέων να φτάνει τα 19,2 g/L. Ίδια πειράματα πραγματοποιήθηκαν με προωθητή την κίσσηρη όπου φάνηκε ότι κατά τη συνεχή οξεογένεση της αραιωμένης 1:5 βινάσσας παράχθηκαν κυρίως βουτυρικό και οξικό οξύ ενώ η ακόλουθη χρήση της αραιωμένης 1:10 βινάσσας οδήγησε σε μια μείωση στην παραγωγή των οργανικών οξέων. Ακολούθησαν πειράματα μεγαλύτερης κλίμακας με βιοαντιδραστήρα πολλαπλών κλινών (MFBT) 100 L και προωθητή την κίσσηρη. Στην αρχή πραγματοποιήθηκαν διαλείποντος έργου ζυμώσεις με φόρτωση του ενός ορόφου του βιοαντιδραστήρα με κίσσηρη. Ακινητοποίηση της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας έλαβε χώρα και το σύστημα τροφοδοτήθηκε σταδιακά με συνθετικά μέσα σουκρόζης, μιγμάτων σουκρόζης-ραφινόζης και ακολούθως με βινάσσα. Κατά την οξεογένεση της βινάσσας η υψηλότερη παραγωγή οργανικών οξέων που παρατηρήθηκε ήταν 18 g/L, με το βουτυρικό οξύ να αντιπροσωπεύει πάνω από το 60% των ολικών οργανικών οξέων. Ακολούθησε μελέτη της συνεχούς οξεογένεσης της βινάσσας με διαφορετικούς ρυθμούς ροής της τροφοδοσίας όπου φάνηκε ότι η βουτυρικού τύπου ζύμωση ευνοείται περισσότερο σε βραδύτερο ρυθμό ροής. Εν συνεχεία έγινε φόρτωση του δεύτερου ορόφου του βιοαντιδραστήρα με κίσσηρη και πραγματοποιήθηκαν τρεις διαλείποντος έργου ζυμώσεις με τη χρήση αραιωμένης βινάσσας 1:10. Η μέγιστη παραγωγή οργανικών οξέων που παρατηρήθηκε ήταν 30,6 g/L και σε όλες τις ζυμώσεις το κυρίαρχο οξύ ήταν το βουτυρικό. Τέλος το σύστημα δοκιμάστηκε και σε συνεχή λειτουργία όπου η συγκέντρωση των ολικών οργανικών οξέων έφτασε τα 19 g/L και η ζύμωση ήταν βουτυρικού τύπου. Το βουτυρικό οξύ είναι ένα πολύ σημαντικό προϊόν με πολλές εφαρμογές. Οι εστέρες του βουτυρικού οξέος χρησιμοποιούνται ως αρωματικοί παράγοντες σε αναψυκτικά, τρόφιμα και καλλυντικά. Στη χημική βιομηχανία χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή πλαστικών, ενώ τελευταία υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την χρήση του βουτυρικού οξέος για την παραγωγή βιοκαυσίμων. Στο τελευταίο κεφάλαιο μελετήθηκε η ανάκτηση των παραγόμενων οργανικών οξέων από το θρεπτικό μέσο ζύμωσης με τη μέθοδο της υγρής-υγρής εκχύλισης. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η 2-μεθυλο-προπανόλη-1 ή ισοβουτανόλη ως διαλύτης και έγινε φανερό ότι το pH 1, η αναλογία διαλύτη/οργανικά οξέα 1:1 και ο διαδοχικός τρόπος εκχύλισης έδωσαν τα καλύτερα αποτελέσματα, με το βουτυρικό και το προπιονικό να ανακτώνται ευκολότερα από τα υπόλοιπα οργανικά οξέα.