Βιοτεχνολογική αξιοποίηση λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας για την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας
Authors: Ασημακοπούλου Γεωργία 
Published: October 2022

Τα τελευταία χρόνια η έννοια του βιοδιυλιστηρίου κερδίζει ολοένα και αυξανόμενη προσοχή σε εμπορικό και ακαδημαϊκό επίπεδο σε πολλά μέρη του κόσμου. Ως βιοδιυλιστηρίο ορίζεται μία ολοκληρωμένη και βιώσιμη επεξεργασία στα πλαίσια μιας ή ενός ολόκληρου δικτύου εγκαταστάσεων που μετατρέπουν τις υπολειμματικές μορφές της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας, όπως π.χ. τα δασικά και γεωργικά υπολείμματα σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας. Απώτερο στόχο αποτελεί η ελαχιστοποίηση των απορριμάτων με παράλληλη μεγιστοποίηση της αξίας της βιομάζας προς παραγωγή μιας ποικιλίας χημικών ουσιών, βιοϋλικών, καυσίμων, αλλά και βιολειτουργικών ενώσεων στη βιομηχανία των τροφίμων, των χημικών και των καλλυντικών. Στην ιδέα του βιοδιυλιστηρίου, εφαρμόζονται υβριδικές τεχνολογίες από διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της μηχανικής, της γεωπονίας, της χημείας και της μικροβιολογίας, σε μία ενσωματωμένη διαδικασία διαχωρισμού της βιομάζας στα δομικά συστατικά της, δηλαδή της κυτταρίνης, ημικυτταρίνης και λιγνίνης, κατόπιν του σταδίου της προκατεργασίας για την επίτευξη της κλασματοποίησής της. Ανάμεσα σε διάφορες μεθόδους προκατεργασίας, επιλέχθηκε και εφαρμόστηκε επιτυχώς μία ήπια οξειδωτική οργανολυτική προκατεργασία (OxiOrganosolv), δηλαδή η προκατεργασία με χρήση μίγματος οργανικών διαλυτών με νερό μαζί με οξυγόνο, καθώς επιβεβαιώθηκε η αποτελεσματικότητα της μεθόδου λόγω του υψηλού βαθμού διαχωρισμού στα βασικά συστατικά της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας έπειτα από εξασφάλιση υψηλού ρυθμού απολιγνοποίησης με ταυτόχρονη χαμηλή παραγωγή τοξικών παρεμποδιστών ως προϊόντα αποικοδόμησης των σακχάρων της βιομάζας. Τα δομικά συστατικά μπορούν περαιτέρω να μετατραπούν μέσω διεργασιών που περιλαμβάνουν ενζυµικό αποπολυµερισµό και µικροβιακές ζυµώσεις σε προϊόντα υψηλού ενδιαφέροντος. Τέτοιες ενώσεις είναι το γαλακτικό οξύ, οι πρεβιοτικοί ξυλο-ολιγοσακχαρίτες και τα ω-3 λιπαρά οξέα που αποτέλεσαν και την κύρια μελέτη της παρούσας διδακτορικής διατριβής.Το γαλακτικό οξύ, λόγω μιας σειράς διαφορετικών ιδιοτήτων που παρουσιάζει, αποτελεί υψηλής αξίας βιομηχανικό προϊόν που χρησιμοποιείται ως πρόδρομη ένωση για την παραγωγή των πολυμερών του, όπως είναι το πολυγαλακτικό οξύ, ενώ μπορεί να αξιοποιηθεί σε διάφορους τομείς όπως στη βιομηχανία των τροφίμων, χημικών, της ιατρικής, ζωοτροφών κ.λ.π.. Οι ολιγοσακχαρίτες της ξυλόζης που συναντώνται στο κλάσμα της ημικυτταρίνης μπορούν να απομονωθούν ύστερα από υδρόλυση της ξυλάνης της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας, καθώς αποτελούν ενώσεις με πρεβιοτική δράση που συνεπάγονται ποικίλες ευεργετικές επιδράσεις στην υγεία των ανθρώπων και των ζώων. Η παραγωγή ω-3 πολυακόρεστων λιπαρών οξέων από ετερότροφα μικροφύκη έχει κεντρίσει το επιστημονικό ενδιαφέρον χάρη στα πολλαπλά οφέλη που προσφέρουν στην υγεία, εξαιτίας της υψηλής τους περιεκτικότητας σε εικοσιδυαεξανοϊκό οξύ (DHA) και εικοσαπεντανοϊκό οξύ (EPA). Τα μικροφύκη είναι ικανά να αξιοποιήσουν τη γλυκόζη που προέρχεται από τη λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα ως πηγή άνθρακα προς παραγωγή λιπαρών οξέων επιτυγχάνοντας υψηλές αποδόσεις.Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η ανακάλυψη και εγκαθίδρυση μίας ολοκληρωμένης βιοδιεργασίας αξιοποίησης δασικών και γεωργικών υπολειμμάτων προς παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Σε πρώτο στάδιο εφαρμόστηκε μία καινοτόμος παραλλαγή της κλασικής οργανολυτικής προκατεργασίας (Organosolv), με χρήση μίγματος νερού με οργανικούς διαλύτες και οξυγόνο, που ονομάστηκε OxiOrganosolv. Έγινε έλεγχος διάφορων συνθηκών προκατεργασίας, όπως ο τύπος του χρησιμοποιούμενου οργανικού διαλύτη, η θερμοκρασία, ο χρόνος παραμονής και η ασκούμενη πίεση, προκειμένου να βελτιστοποιηθούν οι τελικές αποδόσεις ενζυμικής σακχαροποίησης και μικροβιακών ζυμώσεων. Το προκύπτον στερεό κλάσμα της προκατεργασίας αξιοποιήθηκε και μελετήθηκε για την παραγωγή εναντιομερικά καθαρού D-γαλακτικού οξέος με τη βοήθεια του ομοζυμωτικού γαλακτοβακτηρίου Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus και ω-3 λιπαρών οξέων από το ετερότροφο μικροφύκος Crypthecodinium cohnii. Ακόµη, μελετήθηκαν και αναλύθηκαν τα χαρακτηριστικά των πρεβιοτικών ολιγοσακχαριτών από την υδατική φάση του υγρού κλάσµατος της προκατεργασίας μετά την απομάκρυνση των οργανικών διαλυτών.Η συγκεκριμένη προκατεργασία OxiOrganosolv εφαρμόστηκε για πρώτη φορά σε δασική και αγροτική βιομάζα, επιτυγχάνοντας υψηλές αποδόσεις ως προς την σύστασή της σε κυτταρίνη (μέγιστη περιεκτικότητα 93 % w/w) με αντίστοιχο υψηλό βαθμό απολιγνοποίησης (μέγιστη απόδοση 99%). Μετά από ενζυμική υδρόλυση αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα της προκατεργασία ως προς τη συγκέντρωση της παραγόμενης γλυκόζης, της ποσοστιαίας μετατροπής της κυτταρίνης σε γλυκόζη, αλλά και των ολικών αναγωγικών σακχάρων για όλα τα προκατεργασμένα δείγματα βιομάζας. Στη συνέχεια, αξιοποιήθηκε για πρώτη φορά το στερεό κλάσμα δασικής βιομάζας για την παραγωγή D-γαλακτικού οξέος ως πηγή σακχάρων σε διεργασία ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης (SSF), ύστερα από αριστοποίηση των συνθηκών ανάπτυξης και παραγωγής γαλακτικού οξέος από το συγκεκριμένο γαλακτοβακτήριο. Επιτεύχθηκαν υψηλές αποδόσεις D-γαλακτικού οξέος (μέγιστη: 62 g/L) με χαμηλό ενζυμικό φορτίο (9,6 FPU/g υποστρώματος) με ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση των προϊόντων αποικοδόμησης των σακχάρων που δρουν παρεμποδιστικά. Επιπλέον, αξιοποιήθηκε και αναλύθηκε το υγρό κλάσμα της OxiOrganosolv προκατεργασίας προερχόμενο από δασική βιομάζα με υψηλή συγκέντρωση παραγόμενων ολιγοσακχαριτών (μέγιστη απόδοση: 98 mg/g αρχικής βιομάζας), υψηλό ποσοστό ακετυλιωμένων υποκαταστατών και χαμηλό ποσοστό παρεμποδιστών (10 mg/g ξυλο-ολιγοσακχαριτών). Τέλος, για πρώτη φορά αξιοποιήθηκε τόσο το στερεό όσο και το υγρό κλάσμα γεωργικής βιομάζας για την παραγωγή ω-3 λιπαρών οξέων από το συγκεκριμένο μικροφύκος με απόδοση 30% παραγόμενου DHA (22:6, ω-3, προϊόν ενδιαφέροντος) έναντι 70% των παραγόμενων ολικών λιπαρών οξέων (TFAs). Επιπρόσθετα, για πρώτη φορά αξιολογήθηκε η επίδραση των «πράσινων καταλυτών» POMs συνδυαστικά με την OxiOrganosolv προκατεργασία στο στερεό κλάσμα δειγμάτων δασικής προέλευσης σε καλλιέργειες με το συγκεκριμένο μικροφύκος για την παραγωγή ω-3 λιπαρών οξέων, όπου επιτεύχθηκαν υψηλές αποδόσεις.