Χρήση βιομάζας για την παραγωγή βιοκαυσίμων

Abstract

Biodiesel is a promising renewable biofuel alternative to conventional diesel. Curently vegetable oils and animal fats are used as raw material for biodiesel production. However, the continuoussly increasing demant for biofuels has increased vegetable oil production and the prices of various foodstuffs, as large expanses of available arable land are used for biofuel production. For this reason it is necessary to discover new oil sources that will not compete with the food production. In recent years various strains of oleaginous microorganisms (yeast, fungi and microalgae) have been widely used, either at laboratorial or industrial-scale, to produce microbial oil rich in polyunsaturated fatty acids. These microorganisms can accumulate lipids (oil) more than 20% w/w, in their mass. Oleaginous microorganisms are an attractive oil sourse for biodiesel production, since fatty acid composition of microbial oil is similar to that of common plants used for biodiesel production. Furthermore, microorganisms growth faster compared to plants, and can utilize many industrial and agro-industrial by-products, by converting the carbon of these substrates to lipids. In the present thesis the biotechnological production of oil from agricultural substrates (sweet sorghum and rice hulls), using the oleaginous fungus Mortierella isabellina was studied. Kinetic experiments were carried out with Mortierella isabellina in submerged and semi-solid state fermentation, to study the behavior of oleaginous fungus. Furthermore, kinetic models were developed to describe the process of oil accumulation/degradation in an oleaginous microorganism, grown either on a surface or in suspension. Mathematical models could be generalized for similar systems of lipid accumulation and become useful tools for biodiesel production reactor design.

Το βιοντίζελ είναι ένα δυναμικά αναπτυσσόμενο βιοκαύσιμο, υποκατάστατο του συμβατικού ντίζελ. Μέχρι σήμερα ως πρώτη ύλη για την παραγωγή του χρησιμοποιούνταν κυρίως φυτικά έλαια και ζωικά λίπη. Όμως, η συνεχώς αυξανόμενη ανάγκη για περισσότερα βιοκαύσιμα έχει προκαλέσει αύξηση στην παραγωγή των φυτικών ελαίων με αποτέλεσμα την αύξηση της τιμής διαφόρων τροφίμων, καθώς ένα μεγάλο ποσοστό των σημερινών διαθέσιμων αρόσιμων εκτάσεων χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βιοκαυσίμων. Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητο να διερευνηθούν νέες πρώτες ύλες που δεν θα ανταγωνίζονται την παραγωγή τροφίμων. Τα τελευταία χρόνια διάφορα είδη ελαιογόνων μικροοργανισμών (ζύμες, μύκητες και μικροφύκη) χρησιμοποιούνται ευρέως είτε σε εργαστηριακή είτε σε βιομηχανική κλίμακα, για την παραγωγή μικροβιακού ελαίου πλούσιου σε πολυακόρεστα λιπαρά οξέα. Καλούνται ελαιογόνοι καθώς είναι ικανοί να συσσωρεύουν περισσότερο από 20% w/w λιπίδια (έλαιο) στη μικροβιακή τους μάζα. Οι ελαιογόνοι μικροοργανισμοί αποτελούν μια εναλλακτική πηγή ελαίου για την παραγωγή βιοντίζελ, καθώς υπάρχει ομοιότητα στη σύσταση των λιπαρών οξέων του μικροβιακού ελαίου με τα λιπαρά οξέα των φυτών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βιοντίζελ. Επιπλέον, οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν μικρότερο χρόνο ανάπτυξής συγκριτικά με τα φυτά, ενώ παράλληλα αξιοποιούν αρκετά παραπροϊόντα της βιομηχανίας τροφίμων και αγροτοβιομηχανικά παραπροϊόντα, μετατρέποντας τον άνθρακα που εμπεριέχεται στα διάφορα αυτά υποστρώματα σε λιπίδια. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η βιοτεχνολογική παραγωγή ελαίου από γεωργικά υποστρώματα (γλυκό σόργο και φλοιό ρυζιού), με τη χρήση του ελαιογόνου μύκητα Mortierella isabellina. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα κινητικής του μύκητα Mortierella isabellina σε ζύμωση υγρής και ημι-στερεής κατάστασης, με σκοπό να μελετηθεί η συμπεριφορά του ελαιογόνου μύκητα σε κάθε περίπτωση. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν κινητικά μοντέλα που περιγράφουν τη διαδικασία συσσώρευσης/αποδόμησης ελαίου σε έναν ελαιογόνο μικροοργανισμό, που καλλιεργείται είτε πάνω σε μια επιφάνεια είτε βρίσκεται σε αιώρηση. Τα μαθηματικά μοντέλα μπορούν να γενικευτούν για παρόμοια συστήματα συσσώρευσης λιπιδίων και να αποτελέσουν ένα χρήσιμο εργαλείο στο σχεδιασμό αντιδραστήρων παραγωγής βιοκαυσίμων.