Study of succinic acid production via fermentation using the organic fraction of municipal solid waste and process development using a novel electrochemical bioreactor
Authors: Στυλιανού Ελένη 
Published: November 2021

Η μετάβαση της χημικής βιομηχανίας προς την εποχή της κυκλική βιοοικονομίας μέσω της ανάπτυξη καινοτόμων και βιώσιμων βιοδιεργασιών έχει ως σκοπό την ελαχιστοποίηση της χρήσης ορυκτών πόρων. Η βιοτεχνολογική παραγωγή προϊόντων από ανανεώσιμες πρώτες ύλες έχει ως στόχο την ενίσχυση της βιωσιμότητας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην ανάπτυξη καινοτόμων βιοδιεργασιών για την παραγωγή ηλεκτρικού οξέος με χρήση του οργανικού κλάσματος αστικών στερεών απορριμμάτων. Το βιοτεχνολογικά παραγόμενο ηλεκτρικό οξύ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως πρόδρομος ουσία για την παραγωγή βιογενών προϊόντων, συμβάλλοντας σημαντικά στη βιώσιμη ανάπτυξη της οικονομίας.Αρχικά πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση της σύνθεσης του θρεπτικού μέσου ζύμωσης για το βακτηριακό στέλεχος Basfia succiniciproducens JF4016. Τα θρεπτικά συστατικά NaH2PO4∙H2O, Na2HPO4 και NaCl είναι απαραίτητα για το θρεπτικό μέσο της ζύμωσης. Στη συνέχεια εφαρμόστηκε μεθοδολογία απόκρισης επιφανείας (RSM) για τον προσδιορισμό των βέλτιστων συγκεντρώσεων των στατιστικά σημαντικών παραγόντων, του εκχυλίσματος ζύμης και του υγρού εκχυλίσματος από την επεξεργασίας σπόρων καλαμποκιού (CSL). Η επικύρωση των προβλέψεων του μοντέλου πραγματοποιήθηκε σε βιοαντιδραστήρα εργαστηριακής κλίμακας. Η σύσταση του βελτιστοποιημένου θρεπτικού μέσου ζύμωσης αποτελείτο από 19,4 g/L CSL, 9,2 g/L εκχυλίσματος ζύμης, 3 g/L NaCl και 4,32 g/L φωσφορικών αλάτων. Πραγματοποιήθηκε ασυνεχής ζύμωση με το βελτιστοποιημένο θρεπτικό μέσο. Η τελική συγκέντρωση ηλεκτρικού οξέος ήταν 17,7 g/L με απόδοση 0,59 g/g και παραγωγικότητα 1,47 g/(L·h), ενώ το κόστος του θρεπτικού μέσου ζύμωσης εκτιμήθηκε σε 1,22 $/kgSA.Πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός του υγρού και στερεού κλάσματος στο υδρόλυμα οργανικού κλάσματος αστικών στερεών αποβλήτων (ΑΣΑ). Σε πρώτο στάδιο η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης πηγής άνθρακα αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας τρία διαφορετικά βακτηριακά στελέχη με εμπορικά σάκχαρα, με σκοπό να επιλεχθεί το αποδοτικότερο ως προς την παραγωγή ηλεκτρικού οξέος. Έπειτα, περαιτέρω μελέτη της αρχικής συγκέντρωσης πηγής άνθρακα πραγματοποιήθηκε μέσω της μεταβολής της αρχικής συγκέντρωσης του υδρολύματος οργανικού κλάσματος ΑΣΑ για τα βακτηριακά στελέχη B. succiniciproducens και Actinobacillus succinogenes 130Z. Η χρήση του υδρολύματος οργανικού κλάσματος ΑΣΑ ως πηγή άνθρακα στις ασυνεχείς ζυμώσεις είχαν ως αποτέλεσμα αυξημένη παραγωγικότητα και στις δύο περιπτώσεις σε σύγκριση με το εμπορικό μέσο. Παρατηρήθηκε αύξηση 52% στην περίπτωση του βακτηριακού στελέχους B. succiniciproducens και 32% στην περίπτωση του A. succinogenes. Ημι-συνεχείς ζυμώσεις με τη χρήση του υδρολύματος οργανικού κλάσματος ΑΣΑ πραγματοποιήθηκαν με το βακτηριακό στέλεχος Α. succinogenes. Επιλέχθηκε η αρχική συγκέντρωση πηγής άνθρακα 50 g/L, όπου η απόδοση, η παραγωγικότητα και η αναλογία παραπροϊόντων προς ηλεκτρικό οξύ ήταν βέλτιστες. Η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης MgCO3, η προσθήκη εκχυλίσματος ζύμης και CSL αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας το υδρόλυμα οργανικού κλάσματος ΑΣΑ ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ηλεκτρικού οξέος. Η προσθήκη εκχυλίσματος ζύμης (5 g/L) ως πηγή αζώτου στο υδρόλυμα οργανικού κλάσματος ΑΣΑ είχε ως αποτέλεσμα την υψηλότερη συγκέντρωση ηλεκτρικού οξέος (34,3 g/L), με παραγωγικότητα 0,75 g/(L·h) και αναλογία παραπροϊόντων προς ηλεκτρικό οξύ 0,59 g/g.Προκειμένου να επιτευχθεί υψηλότερη παραγωγή ηλεκτρικού οξέος, το υδρόλυμα οργανικού κλάσματος ΑΣΑ αξιοποιήθηκε ως πηγή άνθρακα και θρεπτικών συστατικών για παραγωγή ηλεκτρικού οξέος χρησιμοποιώντας το βακτηριακό στέλεχος A. succinogenes σε συνεχής ζυμώσεις με ελευθέρα κύτταρα και ακινητοποίηση των κυττάρων σε διαφορετικούς ρυθμούς αραίωσης. Η υψηλότερη παραγωγικότητα που επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας γλυκόζη και το υδρόλυμα οργανικού κλάσματος ΑΣΑ ως πηγή άνθρακα ήταν 1,7 g/(L·h) και 1,4 g/(L·h) αντίστοιχα, σε ρυθμό αραίωσης 0.08 h-1. Με την αύξηση της συγκέντρωσης των κυττάρων στον βιοαντιδραστήρα, μέσω της ακινητοποίησης των κυττάρων, αυξήθηκε ο βαθμός μετατροπής σακχάρων σε ηλεκτρικό οξύ και η παραγωγικότητα της ζύμωσης. Η παραγωγικότητα αυξήθηκε κατά 32,8% στη γλυκόζη, όπου η συγκέντρωση ηλεκτρικού οξέος ήταν 28,3 g/L, ενώ στην περίπτωση του υδρολύματος οργανικού κλάσματος ΑΣΑ η παραγωγικότητα αυξήθηκε κατά 22,8% με τη συγκέντρωση του ηλεκτρικού οξέος να είναι ίση με 26,2 g/L σε ρυθμό αραίωσης 0.08 h-1 και στις δύο περιπτώσεις. Ο ρυθμός παραγωγής ηλεκτρικού οξέος βελτιώθηκε κατά τη συνεχή ζύμωση.Εκτός από τα βακτηριακά στελέχη, το γενετικά τροποποιημένο στέλεχος Yarrowia lipolytica PSA02004 μελετήθηκε για την παραγωγή ηλεκτρικού οξέος χρησιμοποιώντας το υδρόλυμα οργανικού κλάσματος ΑΣΑ. Η επίδραση του ογκομετρικού συντελεστή μεταφοράς μάζας οξυγόνου (kLα) και διαφορετικές στρατηγικές ρύθμισης pΗ κατά την διάρκεια ημι-συνεχών ζυμώσεων αναπτύχθηκαν με σκοπό τη βελτιστοποίηση της παραγωγής ηλεκτρικού οξέος και τη ταυτόχρονη μείωση της χρήσης καυστικού νατρίου (NaOH). Πραγματοποίηση ασυνεχούς ζύμωσης σε βιοανιδραστήρα χρησιμοποιώντας το υδρόλυμα οργανικού κλάσματος ΑΣΑ στη βέλτιστη τιμή kLα (183,2 h-1) είχε ως αποτέλεσμα η συγκέντρωση ηλεκτρικού οξέος να είναι ίση με 42,2 g/L με απόδοση 0,38 g/g και παραγωγικότητα 0,84 g/(L·h). Η σταδιακή μείωση του pΗ από 6 σε 5,5 στις 30 ώρες ζύμωσης είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικού οξέος (54,4 g/L) με απόδοση 0,44 g/g και παραγωγικότητα 0,82 g/(L·h) καθώς και 43% λιγότερη κατανάλωση NaOH κατά τη διάρκεια της ημι-συνεχούς ζύμωσης.Τέλος, πραγματοποιήθηκε η εφαρμογή μιας καινοτόμου τεχνολογίας σε καλλιέργειες ημιδιαλείποντος έργου χρησιμοποιώντας το γενετικά τροποποιημένο στέλεχος Y. lipolytica PSA02004. Με την τεχνολογία αυτή επιτυγχάνεται παραγωγή ηλεκτρικού οξέος μέσω ζύμωσης με ταυτόχρονο διαχωρισμό του ηλεκτρικού οξέος μέσω μίας ηλεκτροχημικής κυψέλης στην οποία χρησιμοποιείται μία ανιονική μεμβράνη. Εφαρμόζοντας το ηλεκτροχημικό κελί σε ημι-συνεχείς ζυμώσεις αξιολογήθηκε η επίδραση των διαφορετικών στρατηγικών ρύθμισης του pH στην αποτελεσματικότητα της ζύμωσης για την παραγωγή του ηλεκτρικού οξέος. Η ενσωμάτωση του ηλεκτροχημικού κελιού με τον βιοαντιδραστήρα στις 30 ώρες ζύμωσης σε συνδυασμό με τη σταδιακή μείωση του pΗ από 6 σε 5,5 είχε ως αποτέλεσμα η συγκέντρωση του ηλεκτρικού οξέος να είναι ίση με 66,7 g/L. Η παραγωγικότητα που επιτεύχθηκε ήταν 0,78 g/(L·h), η οποία ήταν η υψηλότερη τιμή μεταξύ όλων των ζυμώσεων ημι-διαλείποντος έργου που πραγματοποιήθηκαν με το ηλεκτροχημικό κελί και τη χρήση του υδρολύματος οργανικού κλάσματος ΑΣΑ. Η συνολική απόδοση μετατροπής σε ηλεκτρικό οξύ ήταν 0,51 g/g. Η παραγωγή ανιόντων υδροξειδίου (OH−) στη κάθοδο του ηλεκτροχημικού κελιού συνέβαλε σε μικρότερη κατανάλωση NaOH για τη διατήρηση του pH κατά τη διάρκεια της ζύμωσης. Περίπου 36% λιγότερο NaOH απαιτήθηκε όταν χρησιμοποιήθηκε ο ηλεκτροχημικός βιοαντιδραστήρας.Η κλιμάκωση της διαδικασίας ζύμωσης σε βιοαντιδραστήρα ημι-πιλοτικής κλίμακας (30 L) πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το kLa ως παράμετρος κλιμάκωσης. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ανάκτηση του ηλεκτρικού οξέος, του οποίο ο διαχωρισμός από το υγρό ζύμωσης επιτεύχθηκε μέσω της εφαρμογής ηλεκτροχημικού κελιού, με αποτέλεσμα την ανάκτηση κρυστάλλων ηλεκτρικού οξέος με υψηλή καθαρότητα (99,95% κβ.).