Συμβολή στην παραγωγή βιοκαυσίμου από απόβλητα της βιομηχανίας τροφίμων
Authors: Συνγκιρίδης Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

Η αξιοποίηση αποβλήτων με αναερόβια χώνευση είναι μια πολλά υποσχόμενη προοπτική για την παραγωγή ενέργειας (βιοαέριο), αλλά το χρονοβόρο στάδιο της μεθανογένεσης περιορίζει την εκμετάλλευση της. Πιο συγκεκριμένα, τα κύρια στάδια της αναερόβιας χώνευσης είναι (1) η διάσπαση (υδρόλυση) σύνθετων οργανικών ενώσεων σε απλούστερες (π.χ. πολυσακχαρίτες σε ζυμώσιμα σάκχαρα), (2) η αναερόβια ζύμωση προς οργανικά οξέα, H2 και CO2 από οξυγενή βακτήρια (οξυγένεση), και (3) η μεθανογένεση προς CH4 και CO2 από μεθανογενή βακτήρια. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε έρευνα για ενίσχυση του σταδίου της οξυγένεσης με πρώτες ύλες τη γλυκόζη ως μοντέλο υπόστρωμα και τη βινάσσα ως απόβλητο της βιομηχανίας τροφίμων, και μικτή αναερόβια καλλιέργεια (από αντιδραστήρα UASB) ακινητοποιημένη σε γ-αλουμίνα για προώθηση της ζύμωσης.Οι βιοτεχνολογικές διεργασίες που αφορούν την παραγωγή βιοκαυσίμων αναλύονται στην εισαγωγική ενότητα της διατριβής και περιγράφονται τα κύρια χαρακτηριστικά της αναερόβιας χώνευσης και οι βασικές παράμετροι που επηρεάζουν τη σταθερότητα και την απόδοση του σταδίου της οξυγένεσης. Επιπλέον, περιγράφονται τα επιτεύγματα σχετικά με την παραγωγή νέας γενιάς βιοκαυσίμων που παράγονται κυρίως από λιπίδια μικροοργανισμών και μικροάλγη. Γίνεται ειδικότερα αναφορά στη μετεστεροποίηση λιπαρών υλών και τη χρήση λιπασών για την παραγωγή βιοντίζελ. Επίσης, αναφέρονται πρόσφατες προσπάθειες για την χρήση γενετικά τροποποιημένων μικροοργανισμών για την παραγωγή βιοκαυσίμων, και περιγράφεται το βιοδιυλιστήριο ως μονάδα παραγωγής ενέργειας.Το δεύτερο τμήμα της διατριβής αποτελεί το πειραματικό μέρος στο οποίο περιγράφονται οι πρώτες ύλες (γλυκόζη, βινάσσα) και οι πειραματικές και αναλυτικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν. Συγκεκριμένα περιγράφονται οι μέθοδοι ανάπτυξης, συντήρησης και ακινητοποίησης της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας, οι μέθοδοι ανάλυσης των προϊόντων της ζύμωσης (σάκχαρο, οργανικά οξέα, αιθανόλη, COD, βιοαέριο), και ο σχεδιασμός και οι συνθήκες λειτουργίας των βιοαντιδραστήρων (διαλείποντος έργου και συνεχούς λειτουργίας).Στην τρίτη ενότητα παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα της διατριβής, συγκρίνονται τα αποτελέσματα με εκείνα προηγούμενων μελετών και περιγράφεται η καινοτομία της προτεινόμενης έρευνας. Προβάλλεται επίσης, η γ-αλουμίνα ως εργαλείο προώθησης της οξυγένεσης για παραγωγή βιοκαυσίμων νέας γενιάς.Αρχικά περιγράφεται η συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων σε συνεχή διεργασία χρησιμοποιώντας συνθετικό μέσο γλυκόζης ως υπόστρωμα παρουσία γ-αλουμίνας ως φορέα ακινητοποίησης της καλλιέργειας και προωθητή της ζύμωσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν σχηματισμό οξικού, προπιονικού, ισοβουτυρικού, βουτυρικού, βαλερικού και ισοβαλερικού οξέος, με το οξικό οξύ να αποτελεί περισσότερο από το 90% των συνολικών πτητικών λιπαρών οξέων που παράγονται. Επισημαίνεται επίσης ότι η γ-αλουμίνα ενισχύει την ταυτόχρονη παραγωγή οξικού οξέος και αιθανόλης, η οποία σε ορισμένες περιπτώσεις σχηματίστηκε σε συγκέντρωση αρκετή ώστε να μπορεί να εστεροποιήσει περίπου το 85% των συνολικών πτητικών λιπαρών οξέων. Δεδομένου ότι τα περισσότερα αγροτοβιομηχανικά περιέχουν ζυμώσιμα σάκχαρα, μπορούν να αξιοποιηθούν ως πρώτες ύλες για την παραγωγή πτητικών οργανικών οξέων με αναερόβια οξυγένεση, ενώ η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα μπορεί να μετατραπεί σε πτητικά λιπαρά οξέα και αιθανόλη μετά από υδρόλυση της σε γλυκόζη και στη συνέχεια οξυγένεση.Στη συνέχεια αναλύονται τα αποτελέσματα της οξυγένεσης παρουσία γ-αλουμίνας σε διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις σακχάρου και διαφορετικά pH σε συνεχές σύστημα, με και χωρίς ανακύκλωση του εξερχομένου ζυμωμένου υγρού, και σε διεργασία διαλείποντος έργου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε υψηλό αρχικό pΗ (8,9) η οξυγένεση της γλυκόζης οδήγησε σε υψηλότερες αποδόσεις πτητικών λιπαρών οξέων και ευνόησε τη συσσώρευση του βουτυρικού οξέος. Η οξυγένεση σε pΗ 6,5 ευνόησε τη ζύμωση τύπου αιθανόλης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι στο πλαίσιο της ανάπτυξης τεχνολογίας για νέα γενιά βιοκαυσίμων, χρησιμοποιώντας γ-αλουμίνα ως εργαλείο προώθησης της ζύμωσης και σε βέλτιστες συνθήκες διεργασίας, οι συγκεντρώσεις των παραγόμενων πτητικών λιπαρών οξέων και αιθανόλης είναι δυνατόν να ελέγχονται.Στην επόμενη ενότητα αναλύεται η επίδραση της θερμοκρασίας μεταξύ μεσοφιλικών και θερμοφιλικών συνθηκών για την οξυγένεση της γλυκόζης παρουσία γ-αλουμίνας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε μεσοφιλικές συνθήκες (35±1 οC) η απόδοση των πτητικών οξέων και αιθανόλης ήταν καλύτερη, ανεξαρτήτως των λοιπών συνθηκών διεργασίας (συγκέντρωση σακχάρου και pH).Στη συνέχεια αξιολογήθηκε η χρήση διαλυμάτων βινάσσας, διαφορετικών συγκεντρώσεων και διαφορετικών τιμών pH, ως πρώτη ύλη για παραγωγή οργανικών οξέων με αναερόβια οξυγένεση και γ-αλουμίνα ως προωθητή σε βιοαντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας και διαλείποντος έργου. Επειδή οι αποδόσεις των παραπάνω συστημάτων ήταν πολύ χαμηλές, μελετήθηκε η χρήση μιγμάτων γλυκόζης/βινάσσας, η οποία οδήγησε σε επιτυχημένη εκκίνηση της βιοδιεργασίας (start-up), με ικανοποιητική παραγωγή αιθανόλης και πτητικών λιπαρών οξέων. Η αύξηση του pH στο 8,9 είχε ως αποτέλεσμα να αυξηθεί η παραγωγή βουτυρικού οξέος, ενώ στο pΗ 6,5 αυξήθηκε η παραγωγή αιθανόλης και οξικού οξέος.Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της χημικής εστεροποίησης των προϊόντων (πτητικά οργανικά οξέα και αιθανόλη) της οξυγένεσης της γλυκόζης και της βινάσσας. Τα κύρια προϊόντα της εστεροποίησης ήταν ο οξικός αιθυλεστέρας και ο βουτυρικός αιθυλεστέρας, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βιοκαύσιμα μόρια σε κινητήρες εσωτερικής καύσης. Η εστεροποίηση έγινε χωρίς την προσθήκη επιπλέον αιθανόλης. Η μέγιστη απόδοση που επετεύχθητε ήταν 30 g/L οξικού αιθυλεστέρα και ανάλογη ποσότητα βουτυρικού αιθυλεστέρα.Τα γενικά συμπεράσματα από τα παραπάνω αποτελέσματα είναι πως η επιλογή συνθηκών, όπως το pΗ, η θερμοκρασία, το είδος της πρώτης ύλης, και ο τύπος της διεργασίας (συνεχής, με ή χωρίς ανακύκλωση, και διαλείποντος έργου) κατά την αναερόβια οξυγένεση, μπορούν να οδηγήσουν σε διαφορετική σύσταση προϊόντων (πτητικά οργανικά οξέα και αιθανόλη). Αυτό δίνει τη δυνατότητα πολλών επιλογών για την διαμόρφωση της σύστασης ενός βιοκαυσίμου νέας γενιάς που θα αποτελείται από μίγμα εστέρων. Επομένως, η διατριβή αυτή ανοίγει έναν σημαντικό δρόμο έρευνας στο πλαίσιο ανάπτυξης τεχνολογίας παραγωγής νέας γενιάς βιοκαυσίμων.