Παραγωγή πολυ - υδροξυαλκανεστέρων ( PHAs) από καθαρές και μικτές καλλιέργειες μικροοργανισμών με χρήση συνθετικών υποστρωμάτων και υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου
Authors: Κουρμέντζα Κωνσταντίνα 
Published: January 2014

Κατά την διάρκεια των τελευταίων χρόνων η εκτεταμένη χρήση των πλαστικών υλικών σε συνδυασμό με το γεγονός πως ακόμη και μετά την διάθεση τους τα υλικά αυτά παραμένουν στο περιβάλλον για πολλά χρόνια, έχει προκαλέσει ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα σε παγκόσμια κλίμακα. Για τον λόγο αυτό ιδιαίτερη έμφαση έχει δοθεί στην ανάπτυξη υλικών τα οποία έχουν την ικανότητα να αποδομούνται από το περιβάλλον στο οποίο διατίθενται και ονομάζονται βιοδιασπώμενα πολυμερή. Μεταξύ των διαφόρων τύπων υλικών που επάγονται σε αυτή την κατηγορία μεγάλο ενδιαφέρον έχει προκαλέσει η ομάδα των πολύ-υδροξυαλκανεστέρων (Poly-hydroxyalkanoates: PHAs).Περισσότερα από 300 στελέχη μικροοργανισμών έχουν χαρακτηριστεί ως προς την ικανότητα τους να συνθέτουν και να συσσωρεύουν τα πολυμερή αυτά ως αποθήκη άνθρακα και ενέργειας. Η συσσώρευση των PHAs πραγματοποιείται με την μορφή ενδοκυτταρικών εγκλεισμάτων όταν ο μικροβιακός πληθυσμός καλείται να ανταπεξέλθει κάτω από δυναμικές συνθήκες οι οποίες έχουν να κάνουν με την έλλειψη ενός χρήσιμου για την μικροβιακή ανάπτυξη συστατικού. Τέτοιες συνθήκες επιτυγχάνονται με περιορισμό του θρεπτικού μέσου σε άζωτο, φωσφόρο, μαγνήσιο, θείο, οξυγόνο ενώ υπάρχει υπερεπάρκεια όσον αφορά την πηγή άνθρακα την οποία οι μικροοργανισμοί θα χρησιμοποιήσουν ως υπόστρωμα για την παραγωγή PHAs.Στην παρούσα διατριβή αναπτύχτηκε μικτή καλλιέργεια μικροοργανισμών ικανών για παραγωγή PHAs χρησιμοποιώντας δραστική λάσπη ως πρώτη ύλη. Ο εμπλουτισμός της καλλιέργειας σε ΡΗΑ-συσσωρευτικά βακτήρια πραγματοποιήθηκε σε αντιδραστήρα περιοδικής πλήρωσης και απορροής (draw ‘n fill reactor) ενώ η στρατηγική εμπλουτισμού που ακολουθήθηκε ήταν η εναλλαγή μεταξύ περιοριστικών υποστρωμάτων άνθρακα και αζώτου στο θρεπτικό μέσο.Η ‘εμπλουτισμένη’ μικτή καλλιέργεια χαρακτηρίστηκε όσον αφορά τα κυρίαρχα στελέχη που την απαρτίζουν μέσω τεχνικής αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (Polymerase Chain Reaction - PCR). Έξι διαφορετικά στελέχη απομονώθηκαν τα οποία βρέθηκαν να ανήκουν στο γένος Pseudomonas. Κάθε ένα από αυτά μαζί με την μικτή καλλιέργεια μελετήθηκαν ως προςviiτην ικανότητα τους να παράγουν PHAs τόσο σε αερόβιες συνθήκες απουσίας αζώτου όσο και σε συνθήκες απουσίας αζώτου με ταυτόχρονο περιορισμό σε οξυγόνο. Στις παραπάνω περιπτώσεις ως πηγή άνθρακα χρησιμοποιήθηκε συνθετικό μίγμα πτητικών λιπαρών οξέων (οξικό, προπιονικό, βουτυρικό) καθώς επίσης και οξυνισμένο απόβλητο ελαιοτριβείου (εκροή μεσόφιλου υδρογονοπαραγωγού αντιδραστήρα) πλούσιο σε πτητικά λιπαρά οξέα. Σύμφωνα με τα πειραματικά δεδομένα η μικτή καλλιέργεια έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα όσον αφορά τα ποσοστά συσσώρευσης και τους συντελεστές απόδοσης σε PHAs οπότε και προτιμήθηκε η χρήση και η περαιτέρω μελέτη της συμπεριφοράς της.Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου για την διερεύνηση των βέλτιστων συνθηκών παραγωγής PHAs από την εμπλουτισμένη καλλιέργεια χρησιμοποιώντας συνθετικά υποστρώματα δηλαδή οξικό, προπιονικό και βουτυρικό οξύ. Συγκεκριμένα μελετήθηκε: (α) η επίδραση του αρχικού pH χρησιμοποιώντας ως πηγή άνθρακα μίγμα οξικού, προπιονικού και βουτυρικού οξέος (g/l 1:1:1), (β) η επίδραση της πηγής άνθρακα στην κατανομή των μεταβολικών προϊόντων χρησιμοποιώντας είτε οξικό είτε προπιονικό είτε βουτυρικό οξύ καθώς και τους πιθανούς συνδυασμούς αυτών και (γ) η επίδραση του λόγου C/N στο θρεπτικό μέσο χρησιμοποιώντας ως πηγή άνθρακα μίγμα οξικού, προπιονικού και βουτυρικού οξέος (g/l 1:1:1). Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μελέτη της ανάπτυξης της κυτταρικής βιομάζας μέσω της κατανάλωσης των ενδοκυτταρικά συσσωρευμένων PHAs παρουσία εξωκυτταρικής πηγής αζώτου με ταυτόχρονη απουσία πηγής άνθρακα καθώς και η ενδοκυτταρική βιοαποδόμηση των PHAs για λόγους συντήρησης της βιομάζας.Κάνοντας χρήση του λογισμικού πακέτου MATLAB επιχειρήθηκε η πρόβλεψη τόσο της κατανάλωσης της πηγής άνθρακα όσο και της κατανομής των παραγόμενων PHAs στα πειράματα που αφορούν την παραγωγή των PHAs από διαφορετικές πηγές άνθρακα.Τέλος, σε μια προσπάθεια μείωσης του κόστους του υποστρώματος η οποία συνεπάγεται μείωση του κόστους των παραγόμενων PHAs, διερευνήθηκε η εκμετάλλευση οξυνισμένου αποβλήτου ελαιοτριβείου το οποίο ήταν προϊόν εκροής μεσόφιλου υδρογονοπαραγωγού αντιδραστήρα σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας τύπου SBR.