Bioprocess development for the production of 1,3-propanediol and 2,3-butanediol using food waste and crude renewable resources from biodiesel and cane sugar production processes
Authors: Μάινα Σοφία 
Published: September 2021

Η παραγωγή προϊόντων βιο-οικονομίας αποτελεί μια νέα αναπτυξιακή στρατηγική για τη μετάβαση προς μια βιώσιμη και ενεργειακά ανεξάρτητη από ορυκτά καύσιμα οικονομία. Η ανάπτυξη καινοτόμων και αειφόρων τεχνολογιών απαιτείται για τη χρήση ανανεώσιμων πρώτων υλών προς την παραγωγή χημικών ουσιών, πολυμερών, καυσίμων και ενέργειας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην ανάπτυξη βιοδιεργασιών βασισμένων στη βιομηχανική βιοτεχνολογία για την παραγωγή 1,3-προπανοδιόλης (PDO), 2,3-βουτανοδιόλης (BDO) και ακετοΐνης με χρήση αποβλήτων τροφίμων και ακατέργαστων ανανεώσιμων πρώτων υλών από βιομηχανίες παραγωγής βιοντήζελ και ζάχαρης από ζαχαροκάλαμο. Σογιάλευρα και ακατέργαστη γλυκερόλη που παράγονται ως παραπροϊόντα από διεργασίες παραγωγής βιοντήζελ χρησιμοποιήθηκαν ως πρώτες ύλες για την παραγωγή PDO μέσω ζύμωσης με δύο βακτηριακά στελέχη Citrobacter freundii. Τα σογιάλευρα χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή υδρολύματος πλούσιου σε θρεπτικά συστατικά με χρήση ακατέργαστων ενζύμων που παρήχθησαν μέσω ζύμωσης στερεάς κατάστασης. Η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης γλυκερόλης και του αζώτου των ελευθέρων αμινομάδων αμινοξέων και πεπτιδίων στην μικροβιακή ανάπτυξη και στην παραγωγή PDO μελετήθηκε σε καλλιέργειες διαλείποντος έργου. Ικανοποιητική παραγωγή PDO σημειώθηκε από το βακτηριακό στέλεχος C. freundii VK-19 συγκριτικά με το C. freundii FMCC-8. Η πραγματοποίηση ζυμώσεων ημι-διαλείποντος έργου με χρήση ακατέργαστης γλυκερόλης και υδρολύματος σογιάλευρου οδήγησε στην παραγωγή 47,4 g L-1 PDO με απόδοση 0,49 g g-1 και παραγωγικότητα 1,01 g L-1 h-1. Τα άλατα καλίου αρχικά αύξησαν την μικροβιακή ανάπτυξη, ενώ τα άλατα νατρίου προκαλούν σημαντική παρεμπόδιση της μικροβιακής ανάπτυξης.Η παραγωγή BDO με χρήση διαφορετικών ακατέργαστων γλυκερολών μελετήθηκε χρησιμοποιώντας το βακτηριακό στέλεχος Klebsiella michiganensis. Μελετήθηκε η επίδραση της πηγής αζώτου, της θερμοκρασίας και της αρχικής συγκέντρωσης γλυκερόλης δείχνοντας ότι η ανόργανη πηγή αζώτου και η θερμοκρασία των 30 ˚C μεγιστοποιούν την παραγωγή BDO. Το βακτηριακό στέλεχος Κ. michiganensis αναπτύσσεται και παράγει BDO ακόμα και σε υψηλές αρχικές συγκεντρώσεις ακατέργαστης γλυκερόλης. Ακολούθως, μελετήθηκε η παραγωγή BDO μέσω ζυμώσεων ημι-διαλείποντος έργου που πραγματοποιήθηκαν υπό διαφορετικές τιμές kLa και τύπους ακατέργαστων γλυκερολών. Η υψηλότερη συγκέντρωση BDO (87,8 g L-1) παρήχθη με χρήση τιμής kLa ίσης με 62 h-1. Η μεγαλύτερη παραγωγικότητα (1,38 g L-1 h-1) με συγκέντρωση BDO ίσης με 76,1 g L-1 και απόδοσης ίσης με 0,41 g g-1 επιτεύχθηκε σε τιμή kLa ίσης με 77 h-1. Η χρήση ακατέργαστης γλυκερόλης προερχόμενη από μείγμα σογιελαίου και ζωικού λίπους είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση της παραγωγής BDO. Ακατέργαστη ζάχαρη και μελάσα μελετήθηκαν ως πρώτες ύλες για την παραγωγή D-BDO και ακετοΐνης από το βακτηριακό στέλεχος Bacillus amyloliquefaciens. Αρχικά, μελετήθηκε η επίδραση της πηγής αζώτου, της θερμοκρασίας, του εμβολίου, της παροχής οξυγόνου και του pΗ στη μικροβιακή αύξηση και στην παραγωγή μεταβολικών προϊόντων μέσω ζυμώσεων σε αναδευόμενες φιάλες. Ζυμώσεις διαλείποντος έργου σε βιοαντιδραστήρα σε μικρές τιμές kLa (17 – 49 h-1) ευνοούν την παραγωγή D-BDO, ενώ υψηλότερες τιμές kLa (63 – 104 h-1) ευνοούν την παραγωγή ακετοΐνης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν ζυμώσεις ημι-διαλείποντος έργου χρησιμοποιώντας ακατέργαστη ζάχαρη και μελάσα. Η χρήση διαφορετικών διαλυμάτων τροφοδοσίας οδήγησε σε διαφορετική αναλογία των ισομερών της BDO και της ακετοΐνης κατά τη διάρκεια της ζύμωσης. Η χρήση ακατέργαστης μελάσας οδήγησε στην παραγωγή κυρίως D-BDO (48,7 g L-1 με καθαρότητα 87,8%) στις 59 h ζύμωσης με απόδοση 0,40 g g-1 και παραγωγικότητα 0,83 g L-1 h-1. Στις 130 h, η D-BDO μετατράπηκε κυρίως σε ακετοΐνη (55,4 g L-1). Πραγματοποίηση ζύμωσης με αποκλειστική χρήση μελάσας οδήγησε στην παραγωγή είτε D-BDO είτε ακετοΐνης, ενώ ταυτόχρονα δεν παρατηρήθηκε παραγωγή άλλων μεταβολικών προϊόντων. Το βακτηριακό στέλεχος Bacillus amyloliquefaciens αξιολογήθηκε ως προς την παραγωγή D-BDO και ακετοΐνης με χρήση υδρολύματος από απόβλητα αρτοποιίας που παρήχθη με χρήση ενζύμων. Η μεταβολή της τιμής του kLa κατά τη διάρκεια της ζύμωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να στρέψει το μεταβολισμό του B. amyloliquefaciens προς την παραγωγή είτε D-BDO είτε ακετοΐνης. Ζυμώσεις διαλείποντος έργου σε εργαστηριακό βιοαντιδραστήρα και τιμή kLa ίσης με 64 h-1 είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή της υψηλότερης συγκέντρωσης D-BDO (55,1 g L-1) με απόδοση 0,42 g g-1. Η μεγαλύτερη συγκέντρωση ακετοΐνης (47,4 g L-1) και παραγωγικότητας (2,31 g L-1 h-1) επετεύχθη σε ζυμώσεις διαλείποντος έργου με τιμή kLa ίσης με 203 h-1. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ότι το kLa μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση κλίμακας ζυμώσεων σε βιοαντιδραστήρα 50 λίτρων. Η πραγματοποίηση ζυμώσεων ημι-διαλείποντος έργου δύναται να αυξήσει την παραγωγή D-BDO και ακετοΐνης.