Μελέτη παραγωγής βιοαιθανόλης από γλυκό σόργο

Abstract

Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκαν συμβατικές και καινοτόμες προσεγγίσεις βιομετατροπής του γλυκού σόργου σε αιθανόλη με στόχο την αξιοποίηση όχι μόνο των άμεσα ζυμώσιμων υδατανθράκων του γλυκόζη και σακχαρόζη αλλά και των πολυσακχαριτών κυτταρίνη και ημικυτταρίνη ώστε να καταστεί αποδοτικότερη η παραγωγή αιθανόλης από το συγκεκριμένο φυτό. Διερευνήθηκαν δύο σενάρια βιομετατροπής των στελεχών του νωπού σόργου σε αιθανόλη: (α) η ζύμωση των σακχάρων του χυμού τους και (β) η απευθείας βιομετατροπή του στερεού υπολείμματος (ΣΥΣ), που απομένει μετά την εκχύμωση τους, καθώς και η βιομετατροπή της νωπής βιομάζας τους. Στο πρώτο σενάριο μελετήθηκαν και αξιολογήθηκαν τα κριτήρια επιλογής του καταλλήλου είδους και στελέχους του μικροοργανισμού, η ανθεκτικότητα του στην αιθανόλη, καθώς και η επίδραση της ποσότητας του εμβολίου, της θερμοκρασίας, του αερισμού και ορισμένων ουσιών στην παραγωγή αιθανόλης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το στέλεχος Saccharomyces cerevisiae 2541 έδωσε τις υψηλότερες αποδόσεις αιθανόλης οι οποίες ανήλθαν στο 88.2% (5.3 g/100 g νωπού σόργου) της θεωρητικής και είναι συγκρίσιμες με αντίστοιχες της βιβλιογραφίας. Στο δεύτερο σενάριο, εφαρμόστηκε η τεχνολογία της ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης (απευθείας βιομετατροπή) των υδατανθράκων των στελεχών του φυτού. Κατά τη διεργασία αυτή, στον ίδιο βιοαντιδραστήρα, υπό αερόβιες συνθήκες μικροβιακής ανάπτυξης, πραγματοποιήθηκε η παραγωγή των ενζύμων (κυτταρινάσες και ημικυτταρινάσες), η υδρόλυση των πολυσακχαριτών σε ζυμώσιμους ολιγοσακχαρίτες (μονοσακχαρίτες, δισακχαρίτες) και, τέλος, η βιομετατροπή τους σε αιθανόλη υπό αναερόβιες συνθήκες ανάπτυξης των μικροοργανισμών. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε ο μύκητας Fusarium oxysporum F3 ή η μικτή καλλιέργεια του με τη ζύμη Saccharomyces cerevisiae 2541. Στο ίδιο σενάριο, αναφορικά με το μύκητα, μελετήθηκαν αρχικά η αριστοποίηση του θρεπτικού υλικού της καλλιέργειας του με στόχο την παραγωγή υψηλών ενεργοτήτων κυτταρινασών και ημικυτταρινασών χρησιμοποιώντας φθηνές και ανανεώσιμες πηγές άνθρακα (άχυρο σίτου, στελέχη αραβόσιτου και άξονας σπάδικα αραβόσιτου). Επίσης, μελετήθηκε η ικανότητα του μύκητα να παράγει αιθανόλη από μονοσακχαρίτες, δισακχαρίτες και πολυσακχαρίτες που αποτελούν συστατικά του νωπού σόργου. Η ικανότητα αυτή διερευνήθηκε και για τη ζύμη καθώς και για τη μικτή καλλιέργεια μύκητα και ζύμης Τα αποτελέσματα, σε επίπεδο φιαλών, έδειξαν υψηλές ενεργότητες κυτταρινασών και ημικυτταρινασών στην περίπτωση του μύκητα και σημαντικά υψηλότερες αποδόσεις αιθανόλης από τη μικτή καλλιέργεια μύκητα και ζύμης με πηγή άνθρακα πολυσακχαρίτες. Ακολούθως, στο πλαίσιο του ίδιου σεναρίου, διερευνήθηκε η ικανότητα του ενζυμικού συστήματος του μύκητα, στο αριστοποιημένο θρεπτικό μέσο, να υδρολύει το στερεό υπόλειμμα υδατικής εκχύλισης του νωπού σόργου. Την ικανότητα αυτή περιγράφει ικανοποιητικά ένα υπερβολικό κινητικό μοντέλο. Η αιθανόλη παρεμπόδισε την ενεργότητα ορισμένων ενζύμων (ενδογλουκανάση, κελλοβιοϋδρολάση, ολική κυτταρινάση, ξυλανάση) ενώ την αύξησε σε άλλα (β-γλυκοζιδάση, β-ξυλοζιδάση). Η τελευταία, αποδόθηκε στην ικανότητα ορισμένων ενζύμων να δρουν ως γλυκοζυλοτρανσφεράσες. Στο ίδιο σενάριο, υπό τις άριστες συνθήκες προκαλλιέργειας, μελετήθηκε η απευθείας βιομετατροπή στελεχών σόργου καθώς και του ΣΥΣ σε αιθανόλη, εστιάζοντας στην επίδραση της προκατεργασίας, της ενεργότητας των κυτταρινασών του μύκητα, της αναλογίας μύκητα και ζύμης στο μέσο ζύμωσης, της θερμοκρασίας ζύμωσης, του είδους διεργασίας ζύμωσης και της προσθήκης ουσιών που επιδρούν στην παραγωγή αιθανόλης (αζίδιο του νατρίου, δινιτροφαινόλη). Καταβλήθηκε προσπάθεια σύνδεσης της βιοσύνθεσης προϊόντων αναερόβιας ζύμωσης ορισμένων ολιγοσακχαριτών (ξυλόζη) από το μύκητα με ένζυμα κλειδιά του μεταβολισμού της ξυλόζης σε διάφορα επίπεδα αερισμού. Τα πειραματικά αποτελέσματα σε μικρή κλίμακα μεταφέρθηκαν σε επίπεδο βιοαντιδραστήρα βυθισμένης (χυμός σόργου) και στερεάς ζύμωσης (στελέχη και ΣΥΣ). Στη δεύτερη περίπτωση, σχεδιάστηκε βιοαντιδραστήρας κατάλληλος για καλλιέργειες με υψηλή περιεκτικότητα σε στερεά. Η διεργασία ζύμωσης του χυμού σόργου μοντελοποιήθηκε καθιστώντας δυνατή την πρόβλεψη της παραγόμενης αιθανόλης κατά τη διάρκεια της ζύμωσης. Τελικά, η σύγκριση των δύο σεναρίων έδειξε ότι, υπό τις βέλτιστες συνθήκες, η παραγωγή αιθανόλης από τη ζύμωση του χυμού των νωπών στελεχών του σόργου αυξήθηκε (α) κατά 29.3 και 36.9%, όταν τα στελέχη ζυμώθηκαν απευθείας σε αιθανόλη με διεργασία διαλείποντος (απόδοση 7.5 g /100 g νωπής βιομάζας) και ημιδιαλείποντος έργου (απόδοση 8.4 g /100 g νωπής βιομάζας) αντίστοιχα και (β) κατά 35.4 και 39.1% όταν τα ΣΥΣ ζυμώθηκαν απευθείας σε αιθανόλη με διεργασία διαλείποντος (απόδοση 8.2 g /100 g νωπής βιομάζας) και ημιδιαλείποντος έργου (απόδοση 8.7 g /100 g νωπής βιομάζας) αντίστοιχα.