Βιοδιυλιστήριο αξιοποίησης κλαδεμάτων αμπελιού και αποβλήτων οινοποιείου
Creators: name: Ιωαννίδου, Σουλτάνα Παναγιώτη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Βιοδιυλιστήριο
Απόβλητα οινοποιείου
Χημικά υψηλής προστιθέμενης αξίας
Bioreﬁnery
Winery waste
Platform chemicals

description: Η διαφαινόμενη εξάντληση του πετρελαίου αλλά και τα περιβαλλοντικά προβλήματα που προκύπτουν από την εντατική χρήση ορυκτών πρώτων υλών, οδήγησε στην ανάγκη για εύρεση ανανεώσιμων πηγών για παραγωγή ενέργειας και χημικών προϊόντων με χαμηλό περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Η λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα, η οποία αποτελείται κυρίως από τρία δομικά συστατικά που είναι οι πολυσακχαρίτες κυτταρίνη και ημικυτταρίνη και το φαινολικό πολυμερές της λιγνίνης, και η ιδέα ενός ολοκληρωμένου βιοδιυλιστηρίου, δηλαδή η βιώσιμη επεξεργασία της βιομάζας προς ένα ευρύ «φάσμα» εμπορεύσιμων προϊόντων και ενέργειας, αποτέλεσε μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική πρόταση. Πηγές της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας αποτελούν τα δασικά και γεωργικά υπολείμματα και τα απόβλητα της βιομηχανίας τροφίμων, στα οποία περιλαμβάνονται και τα απόβλητα οινοποιείου. Για την αξιοποίηση της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας καθίσταται αναγκαία η προκατεργασία της ώστε να επιτευχθεί η διάσπαση και ο διαχωρισμός της στα επιμέρους δομικά συστατικά της, με στόχο την πλήρη εκμετάλλευση τους μέσω βιοχημικών και καταλυτικών διεργασιών.Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική χρησιμοποιήθηκαν ως λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα κλαδέματα αμπελιού, και απόβλητα οινοποιείου, όπως βόστρυχοι σταφυλιού, στέμφυλα ραγών και οινολάσπες ζύμωσης, των ποικιλιών Grenache Rouge και Μαλαγουζιά. Αφού πραγματοποιήθηκε ο χαρακτηρισμός της αρχικής βιομάζας των κλαδεμάτων αμπελιού και των δύο πρώτων αποβλήτων στη συνέχεια υπέστησαν υδροθερμική επεξεργασία. Η κατεργασία αυτή πραγματοποιήθηκε σε τρεις διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας-χρόνου, πιο συγκεκριμένα στους 170 ºC-15 min, 170 ºC-180 min και στους 220 ºC-15 min υπό ανάδευση στις 400 rpm. Οι συνθήκες αυτές θεωρούνται οι βέλτιστες σύμφωνα με προηγούμενες μελέτες. Από την υδροθερμική κατεργασία προκύπτει ένα υγρό κλάσμα, στο οποίο απομακρύνεται κατά κύριο λόγο η ημικυτταρίνη, και ένα στερεό κλάσμα πλούσιο σε κυτταρίνη και λιγνίνη. Στη συνέχεια, στο υδροθερμικά κατεργασμένο στερεό των κλαδεμάτων πραγματοποιήθηκε ενζυμική υδρόλυση με χρήση εμπορικού ενζύμου. Στο πιο έντονα κατεργασμένο κλάσμα των κλαδεμάτων αμπελιού πραγματοποιήθηκε η απομάκρυνση και ανάκτηση της λιγνίνης με χρήση οργανικών διαλυτών. Τέλος, οι οινολάσπες ζύμωσης αφού φυγοκεντρήθηκαν απέδωσαν ένα υγρό και ένα στερεό προϊόν τα οποία στη συνέχεια χαρακτηρίστηκαν.Τα κλαδέματα αμπελιού και τα απόβλητα οινοποιείου μέσω κατάλληλης επεξεργασίας και θερμοχημικών και (βιο)καταλυτικών διεργασιών μπορούν να αξιοποιηθούν προς πληθώρα χρήσιμων ενώσεων όπως υψηλά ποσοστά σακχάρων προς ζύμωση για παραγωγή βιοκαυσίμων (π.χ. βιοαιθανόλη 2ης γενιάς) ή/και χημικών/μονομερών ως πρώτες ύλες για τη βιομηχανία, π.χ. τη βιομηχανία πλαστικών. Πιο συγκεκριμένα, από τα κλαδέματα αμπελιού μπορούν να παραχθούν γαλακτικό οξύ, προπανοδιόλη και βιο-αιθυλένιο τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως μονομερή για σύνθεση βιο-προερχόμενων πολυμερών είτε ως πρόδρομες για την σύνθεση άλλων ενώσεων. Ακόμη, είναι δυνατή η παραγωγή σορβιτόλης και ξυλιτόλης από την γλυκόζη και ξυλόζη, που μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως υποκατάστατα της ζάχαρης. Η λιγνίνη και τα πολυφαινολικά, που περιέχονται σε μεγάλα ποσοστά στους βόστρυχους σταφυλιού και τα στέμφυλα ραγών, μπορούν να αξιοποιηθούν για την παραγωγή ρητινών, χημικών ενώσεων και καυσίμων. Επίσης, από τους βόστρυχους και τα στέμφυλα μπορεί να παραχθεί κομπόστ, το οποίο χρησιμεύει ως φυσικό λίπασμα, γαλακτικό, κιτρικό και γλυκονικό οξύ. Ενώ από τα στέμφυλα είναι δυνατή η ανάκτηση αιθανόλης και τρυγικού οξέος. Οι χημικές αυτές ενώσεις μπορούν να ανακτηθούν και από το απόβλητο της οινολάσπης. Τέλος, από τις οινολάσπες μπορούν να παραχθούν ξυλιτόλη και γαλακτικό οξύ και να αξιοποιηθούν οι πολυφαινολικές τους ενώσεις.
description: Depletion of natural resources and the environmental impact of their use drive scientists to investigate and exploit new renewable energy and fuels sources. Lignocellulosic biomass constitutes an attractive alternative source that is widely studied. It consists of three main components: polysaccharides of cellulose and hemicellulose and the phenolic polymer of lignin. Within the “biorefinery” context, valorization of biomass aims to a wide "range" of value added chemicals and energy. Sources of lignocellulosic biomass are forest and agricultural residues and food industry waste, like winery wastes (pruning, grape pomace, etc.). Valorization of lignocellulosic biomass includes the appropriate pretreatment for the breakdown and separation into its structural components, under the scope of their full exploitation through biochemical and catalytic processes.In the present Master thesis, grapevine prunings and winery wastes, such as grape marc, grape pomace and wine lees, of Grenache Rouge and Malagouzia cultivars were used as the lignocellulosic biomass. The parent biomass (prunings and winery wastes, grape marc and grape pomace) was characterized and was subjected to hydrothermal pretreatment. The treatment took place at varying temperatures for different reaction times, more specifically at 170 ºC-15 min, 170 ºC-180 min and 220 ºC-15 min, under stirring (stirring speed of 400 rpm). The above conditions were considered optimal according to previous studies. The hydrothermal treatment aims to the fractionation and separation of the biomass into a liquid, which consists mainly of hemicellulose, and a solid part, which is rich in cellulose and lignin. The hydrothermal pretreated solid of grapevine prunnings was used for enzymatic hydrolysis by a commercial enzyme product. At the most intensively pretreated solid the removal and recovery of surface lignin was attempted which was performed with exhaustive extraction in a Soxhlet apparatus with either ethanol or acetone as the solvent. Wine lees, after their centrifugation, were separated into a liquid and a solid part which was further characterized.Grapevine prunings and winery wastes through appropriate pretreatment and thermochemical and bio-catalytic processes can be valorized to a wide variety of value added compounds such as sugars to be fermented for biofuel production (eg 2nd generation bioethanol) and / or chemicals / monomers as raw materials for industry, e.g. the plastics industry. More specifically, lactic acid, propanediol and bio-ethylene can be produced from vine pruning which can be used either as monomers for synthesis of bio-derived polymers or as precursors for the synthesis of other compounds. The production of sorbitol and xylitol from glucose and xylose is also possible, which can be used as a substitute for sugar. Lignin and polyphenols, which are present in large quantities in grape marc and pomace, can be used to make resins, chemicals and fuels. Also, compost, a natural fertilizer, lactic, citric and gluconic acid, can be produced from above winery wastes. Ethanol and tartaric acid can be recovered from grape pomace and wine lees. Finally, xylitol and lactic acid can be produced from wine lees while their polyphenolic compounds can be also utilized.