Επίδραση συστήματος φορέων ακινητοποίησης από αγροτοβιομηχανικά απορρίμματα σε βιοαντιδραστήρα πολλαπλών κλινών στην παραγωγή οίνου και οινοπνεύματος
Authors: Κοψαχείλης Νικόλαος 
Published: August 2021

Ο κύριος στόχος της διατριβής ήταν η δημιουργία ενός ολοκληρωμένουσυστήματος για παραγωγή οίνου και οινοπνεύματος, που θα προσφέρειαναμφισβήτητα πλεονεκτήματα όσον αφορά το κόστος της διεργασίας και τηνποιότητα του παραγόμενου προϊόντος.Στο πρώτο μέρος της διατριβής έγινε ανασκόπηση της βιβλιογραφίας πουαφορά τις βιοτεχνολογικές διεργασίες, οι οποίες χρησιμοποιούνται μέχρι και σήμεραγια παραγωγή οίνου και οινοπνεύματος. Έμφαση δόθηκε στην αλκοολική ζύμωση, ταπαραγόμενα αρωματικά συστατικά και στην ακινητοποίηση κυττάρων. Επίσης γίνεταιαναφορά στις ιδιαιτερότητες των ζυμώσεων σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες.Κατόπιν περιγράφεται το πειραματικό μέρος που πραγματοποιήθηκε και μετάπαρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα όλων των πειραμάτων τηςδιατριβής. Καταρχάς έγινε επιλογή του φορέα ακινητοποίησης. &ς φορείςακινητοποίησης των κυττάρων χρησιμοποιήθηκαν BSG, που είναι ένααγροτοβιομηχανικό απόρριμμα της ζυθοποιίας φθηνό, άφθονο και κατάλληλο γιατρόφιμα. Έγινε αξιολόγηση διαφόρων τύπων BSG (επεξεργασμένα ή μη) ως φορείςακινητοποίησης για παραγωγή αιθανόλης από μελάσσα, με γνώμονα την ποιότητατου προϊόντος, την παραγωγικότητα, την ευκολία χρήσης και το κόστος. Τελικάεπιλέχθηκαν τα BSG που δεν είχαν υποστεί καμία χημική επεξεργασία(απολιγνινοποίηση) για τη συνέχιση της έρευνας.Στη συνέχεια ο ακινητοποιημένος αυτός βιοκαταλύτης κατανεμήθει σεβιοαντιδραστήρα πολλαπλών σταθερών κλινών (MFBT) και χρησιμοποιήθηκε στηζύμωση μελάσσας σε ένα εξαιρετικά μεγάλο και πρωτοαναφερόμενο εύροςθερμοκρασιών. Συγκεκριμένα το σύστημα ήταν ικανό να ζυμώσει μελάσσα στο εύρος3-40 oC καθιστώντας το μοναδικό στο είδος του. Το γεγονός αυτό προσφέρει πολλάπλεονεκτήματα με κυριότερο το ότι, μειώνει αισθητά το κόστος συστημάτων ψύξης.Αυτή η ιδιότητα του S. cerevisiae ΑΧΑΖ-1 δεν έχει ξαναπαρουσιαστεί σε κανέναάλλο μη-γενετικά τροποποιημένο στέλεχος. Αυτό μας προέτρεψε για μοριακή τουταυτοποίηση, η οποία έδειξε πως το στέλεχος είναι πραγματικά μοναδικό. Μάλιστα,επέδειξε μεγαλύτερη γενετική ομοιότητα με εμπορικά τροπικά στελέχη, παρά μεελληνικής προέλευσης εμπορικές ή άγριες ζύμες. Σημαντικό ήταν επίσης πως εκτόςτων υψηλών παραγωγικοτήτων που παρατηρήθηκαν σε όλες τις θερμοκρασίεςζύμωσης με τη χρήση του προτεινόμενου συστήματος, το παραγόμενο προϊόν ήτανυψηλής ποιότητας, λόγω των χαμηλών συγκεντρώσεων ανώτερων αλκοολών.Το ίδιο αυτό σύστημα χρησιμοποιήθηκε για ζύμωση μελάσσας σε συνεχέςσύστημα, όπου έγινε και σύγκριση του MFBT με βιοαντιδραστήρα σταθερής κλίνης(PB), με τον πρώτο να πλεονεκτεί. Ο ακινητοποιημένος βιοκαταλύτης παρουσίασελειτουργική σταθερότητα για χρονική περίοδο 55 ημερών σε θερμοκρασίες ζύμωσης30 έως 40 oC. Το σύστημα μάλιστα έδωσε υψηλές παραγωγικότητες και στη συνεχήζύμωση μη-αποστειρωμένης μελάσσας. Στις 32 ημέρες συνεχούς λειτουργίας τουακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες δεν παρατηρήθηκε οποιαδήποτε μόλυνση, ενώ οισυγκεντρώσεις των πτητικών παραπροϊόντων κυμάνθηκαν σε απολύτως κανονικά-επιθυμητά επίπεδα.Εξίσου θετικά ήταν τα αποτελέσματα της χρήσης του ακινητοποιημένου BSGβιοκαταλύτη στην παραγωγή κρασιού σε αντιδραστήρα MFBT διαλείποντος έργου.Τα αποτελέσματα των αναλύσεων με GC-MS, αναδεικνύουν πως οι οίνου πουπαρασκευάστηκαν με το σύστημα που προτείνουμε μπορούν να χαρακτηριστούνκαλής ποιότητας. Ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία ζύμωσης το ισοζύγιο τωνεστέρων προς τις αλκοόλες εμφανίστηκε θετικό, γεγονός που είναι επιθυμητό για τηνποιότητα του παραγόμενου κρασιού. Επίσης η εμφάνιση ενώσεων που προσδίδουνδιακριτό, χαρακτηριστικό άρωμα στο κρασί ακόμα και στους 37 oC είναι πολύ θετικόαποτέλεσμα. Η χρησιμοποίηση του συστήματος MFBT είναι ελπιδοφόρα, ιδιαίτεραγια παραγωγή κρασιού σε θερμές χώρες όπου υπάρχουν μεγάλες διακυμάνσειςθερμοκρασίας. Το κρασί δεν παρουσίασε μεγάλες διάφορες όσον αφορά τη σύστασήτου είτε παράγεται σε συνήθεις είτε σε υψηλές θερμοκρασίες.Το σύστημα MFBT μελετήθηκε και για συνεχή παραγωγή κρασιού σεθερμοκρασιακό εύρος 10-40 oC. Το σύστημα επέδειξε αξιοσημείωτη λειτουργικήσταθερότητα και αντοχή, παρόλο το μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, αλλά και ροών πουμελετήθηκαν. Σε όλες τις θερμοκρασίες, οι συγκεντρώσεις των πτητικώνπαραπροϊόντων στο παραγόμενο κρασί κυμάνθηκαν σε επιθυμητά επίπεδα. Τογεγονός αυτό είναι πολύ σημαντικό, αφού η ποιότητα ενός κρασιού εξαρτάται από ταπεριεχόμενα πτητικά παραπροϊόντα. Το αποτέλεσμα αυτό σε συνδυασμό με τις πολύυψηλές, μεγαλύτερες από άλλα αντίστοιχα συνεχή συστήματα, ημερήσιεςπαραγωγικότητες κρασιού που επιτεύχθηκαν καθιστά το προτεινόμενο συνεχέςσύστημα κατάλληλο για παραγωγή κρασιού και μάλιστα σε μεγάλο εύροςθερμοκρασιών. Ακόμα όμως σημαντικότερο είναι πως τα ακινητοποιημένα κύτταραS. cerevisiae AXAZ-1 σε BSG σε συνδυασμό με τη χρήση αντιδραστήρα πολλαπλώνσταθερών κλινών (MFBT) γίνονται ακόμα ελκυστικότερα για βιομηχανική χρήσηακόμα και σε συνεχές σύστημα. Αυτό γιατί εκτός του πλεονεκτήματος των υψηλώνπαραγωγικοτήτων και μάλιστα σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος, το σύστημα έχειδοκιμαστεί με επιτυχία και με αντίστοιχες συνθήκες και σε ζύμωση μελάσσας. Άρα ηλειτουργία του συστήματος καθ’όλη τη διάρκεια του έτους είναι εφικτή, γεγονός πουπολλαπλασιάζει τα οικονομικά οφέλη μιας βιομηχανίας.Τέλος μελετήθηκε σύστημα MFBT που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθείεναλλακτικά, αν υπάρξει πρόβλημα έλλειψης BSG. Χρησιμοποιήθηκε μήλο ωςφορέας ακινητοποίησης και ο βιοκαταλύτης κατανεμήθηκε στις μισές κλίνες τουαντιδραστήρα. Το σύστημα απεδείχθει ότι ήταν αποτελεσματικό για παραγωγήκρασιού χωρίς μεγάλες λειτουργικές, οικονομικές και ποιοτικές παρεκκλίσεις σεσχέση με το προαναφερθέν.&ς γενικό συμπέρασμα μπορούμε να πούμε ότι η παρούσα διατριβή προτείνειένα ολοκληρωμένο σύστημα για παραγωγή οινοπνεύματος και ποιοτικού κρασιού. Τοσύστημα αυτό περιλαμβάνει βιοαντιδραστήρα πολλαπλών σταθερών κλινών, έναμοριακά ταυτοποιημένο μοναδικό στέλεχος (S. cerevisiae AXAZ-1), και ένααγροτοβιομηχανικό απόβλητο (BSG) ως φορέα ακινητοποίησης. Η ιδιαιτερότητα τουσυστήματος είναι η ικανότητά του να παρέχει υψηλές παραγωγικότητες και ναπαράγει ποιοτικά προϊόντα με συνεχή ή ασυνεχή διεργασία σε εξαιρετικά μεγάλοεύρος θερμοκρασίας, χωρίς ως εκ τούτου να απαιτεί μεγάλο κόστος ψύξης. Επιπλέοντο σύστημα αυτό επέδειξε λειτουργική σταθερότητα για πολύ μεγάλο χρονικόδιάστημα, γεγονός επίσης πολύ σημαντικό. Τα πλεονεκτήματα του αυτά το καθιστούνκατάλληλο για βιομηχανική χρήση. Επιπλέον είναι σημαντικό να αναφέρουμε πωςμετά το τέλος των διεργασιών ζύμωσης μπορεί να αποφευχθεί η απόρριψη τουακινητοποιημένου βιοκαταλύτη στο περιβάλλον, αφού λόγω της πλούσιας σεπρωτεΐνες και διαιτητικές ίνες σύστασης του μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ζωοτροφή.