Συμβολή στην παραγωγή βιοκαυσίμου από απόβλητα της βιομηχανίας τροφίμων

Abstract

The anaerobic digestion of waste biomass is a promising perspective for energy production, but the energy and time consuming step of methanogenesis limits its exploitation. More specifically, the anaerobic acidogenesis involves four steps, (1) the breakdown (hydrolysis) of organic compounds into soluble mono- and oligomers (e.g. monosugars, amino acids and fatty acids), followed by (2) acidoenesis, which includes both hydrolysis and fermentation into volatile fatty acids (VFAs), H2 and CO2 by acidogenic bacteria. The final steps are the (3) acetogenesis by proton-reducing acetogens and the (4) methanogenesis steps (production of CH4 and CO2 by methanogenic acetoclastic bacteria and CO2 reducing methanogens). In the present doctoral thesis, research was carried out to optimize the acidogenic step (enhance the VFAs production) during anaerobic digestion of glucose (as a model substrate) and vinasse (as a food industry waste), using a mixed anaerobic culture (from a UASB bioreactor) immobilized on γ-alumina pellets to improve the fermentation rates.The biotechnological processes involved in biofuels production are reviewed in the introduction section of the thesis. The main features of anaerobic digestion and the key parameters affecting the stability and yield of the acidogenesis step are also described. Furthermore, advances on new generation biofuels, produced mainly from microbial oils and microalgae are also discussed. The transterification of fats and oils and the use of lipases, as well as advances on genetically modified microorganisms and biorefinery concepts for biodiesel and energy production in general, are also highlighted.The second section of the thesis, is the experimental part, in which the raw materials (glucose, vinasse, and other media), and all the analytical and experimental methods used are described in detail. Specifically, the culture growth, preservation and immobilization techniques, the methods of analysis of the fermented products (sugar, organic acids, ethanol, COD, biogas), and the bioreactor design and mode of operation (batch and continuous, with and without effluent recycling), are described.In the third section, the results of the thesis are presented, they are compared with those of previous research studies, and the innovation of the proposed research isdiscussed. The usefulness of γ-alumina as a process (acidogenesis) advancing tool for the production of new generation biofuels is also highlighted.Initially, the production of VFAs in a continuous process using a synthetic glucose medium as model substrate and γ-alumina as promoter is described. The results showed formation of acetic, propionic, isobutyric, butyric, isovaleric and valeric acids, with acetic acid being more than 90% of the total VFAs produced. It is also highlighted that γ-alumina enhanced the simultaneous production of acetic acid and ethanol, which in some cases was formed at concentrations able to esterify about 85% of the produced VFAs. Since most agro-industrial effluents contain glucose or other fermentable sugars, they can be treated by anaerobic acidogenic digestion, while lignocellulosic biomass can be converted to VFAs and ethanol after hydrolysis followed by acidogenesis.The promotional effect of γ-alumina regarding VFAs and ethanol production during the acidogenic fermentation of glucose at various process conditions (initial sugar concentration and pH) and operation modes (batch and continuous with and without effluent recycling), was then examined. The results showed that at high initial pH (8.9) the continuous acidogenic fermentation of glucose led to high yields of VFAs and favoured the accumulation of butyric acid. The batch process on the other hand at pH 6.5, favoured the ethanol-type fermentation. The results indicate that in the frame of technology development for new generation biofuels, using γ-alumina as a process advancing tool at optimum process conditions, the produced VFAs profile and ethanol concentration may be manipulated.The effect of temperature, between mesophilic and thermophilic levels, on the acidogenesis of glucose with the immobilized anaerobic culture was also examined, showing that at mesophilic temperatures (optimum 35±1 oC) the VFAs and ethanol yields were the optimum, regardless of the other process conditions applied (initial sugar and pH).Solutions of vinasse (various concentrations and pH values) were also evaluated as substrates for anaerobic acidogenesis in the presence of γ-alumina in continuous and batch operation. The above systems presented very low yields, and therefore, the use of mixtures of glucose/vinasses was evaluated, which resulted in successful start-up of the process, with simultaneous production of ethanol and VFAs. Increase of pH to 8.9 resulted in increased accumulation of butyric acid, while at pH 6.5 the simultaneous production of ethanol and acetic acid was favoured.Finally, the results of the chemical esterification of the glucose and vinasse acidogenesis products (VFAs and ethanol) are presented. The main esterification products were ethyl acetate and ethyl butyrate, which can be used as biofuel molecules in combustion engines. The esterification procedure was carried out without the addition of extra ethanol, and the highest yields obtained were 30 g/L of each ethyl acetate and ethyl butyrate esters.The main outcome of this research is that under selected process conditions such as pH, temperature, type of substrate, and mode of operation (batch or continuous, with or without effluent recycling), the anaerobic acidogenesis can lead to products with different compositions of VFAs and ethanol, which allows the possibility to produce different types of ester-based new generation biofuels. Therefore, this thesis opens an important research avenue in the development of new generation biofuel technologies.

Η αξιοποίηση αποβλήτων με αναερόβια χώνευση είναι μια πολλά υποσχόμενη προοπτική για την παραγωγή ενέργειας (βιοαέριο), αλλά το χρονοβόρο στάδιο της μεθανογένεσης περιορίζει την εκμετάλλευση της. Πιο συγκεκριμένα, τα κύρια στάδια της αναερόβιας χώνευσης είναι (1) η διάσπαση (υδρόλυση) σύνθετων οργανικών ενώσεων σε απλούστερες (π.χ. πολυσακχαρίτες σε ζυμώσιμα σάκχαρα), (2) η αναερόβια ζύμωση προς οργανικά οξέα, H2 και CO2 από οξυγενή βακτήρια (οξυγένεση), και (3) η μεθανογένεση προς CH4 και CO2 από μεθανογενή βακτήρια. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε έρευνα για ενίσχυση του σταδίου της οξυγένεσης με πρώτες ύλες τη γλυκόζη ως μοντέλο υπόστρωμα και τη βινάσσα ως απόβλητο της βιομηχανίας τροφίμων, και μικτή αναερόβια καλλιέργεια (από αντιδραστήρα UASB) ακινητοποιημένη σε γ-αλουμίνα για προώθηση της ζύμωσης.Οι βιοτεχνολογικές διεργασίες που αφορούν την παραγωγή βιοκαυσίμων αναλύονται στην εισαγωγική ενότητα της διατριβής και περιγράφονται τα κύρια χαρακτηριστικά της αναερόβιας χώνευσης και οι βασικές παράμετροι που επηρεάζουν τη σταθερότητα και την απόδοση του σταδίου της οξυγένεσης. Επιπλέον, περιγράφονται τα επιτεύγματα σχετικά με την παραγωγή νέας γενιάς βιοκαυσίμων που παράγονται κυρίως από λιπίδια μικροοργανισμών και μικροάλγη. Γίνεται ειδικότερα αναφορά στη μετεστεροποίηση λιπαρών υλών και τη χρήση λιπασών για την παραγωγή βιοντίζελ. Επίσης, αναφέρονται πρόσφατες προσπάθειες για την χρήση γενετικά τροποποιημένων μικροοργανισμών για την παραγωγή βιοκαυσίμων, και περιγράφεται το βιοδιυλιστήριο ως μονάδα παραγωγής ενέργειας.Το δεύτερο τμήμα της διατριβής αποτελεί το πειραματικό μέρος στο οποίο περιγράφονται οι πρώτες ύλες (γλυκόζη, βινάσσα) και οι πειραματικές και αναλυτικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν. Συγκεκριμένα περιγράφονται οι μέθοδοι ανάπτυξης, συντήρησης και ακινητοποίησης της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας, οι μέθοδοι ανάλυσης των προϊόντων της ζύμωσης (σάκχαρο, οργανικά οξέα, αιθανόλη, COD, βιοαέριο), και ο σχεδιασμός και οι συνθήκες λειτουργίας των βιοαντιδραστήρων (διαλείποντος έργου και συνεχούς λειτουργίας).Στην τρίτη ενότητα παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα της διατριβής, συγκρίνονται τα αποτελέσματα με εκείνα προηγούμενων μελετών και περιγράφεται η καινοτομία της προτεινόμενης έρευνας. Προβάλλεται επίσης, η γ-αλουμίνα ως εργαλείο προώθησης της οξυγένεσης για παραγωγή βιοκαυσίμων νέας γενιάς.Αρχικά περιγράφεται η συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων σε συνεχή διεργασία χρησιμοποιώντας συνθετικό μέσο γλυκόζης ως υπόστρωμα παρουσία γ-αλουμίνας ως φορέα ακινητοποίησης της καλλιέργειας και προωθητή της ζύμωσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν σχηματισμό οξικού, προπιονικού, ισοβουτυρικού, βουτυρικού, βαλερικού και ισοβαλερικού οξέος, με το οξικό οξύ να αποτελεί περισσότερο από το 90% των συνολικών πτητικών λιπαρών οξέων που παράγονται. Επισημαίνεται επίσης ότι η γ-αλουμίνα ενισχύει την ταυτόχρονη παραγωγή οξικού οξέος και αιθανόλης, η οποία σε ορισμένες περιπτώσεις σχηματίστηκε σε συγκέντρωση αρκετή ώστε να μπορεί να εστεροποιήσει περίπου το 85% των συνολικών πτητικών λιπαρών οξέων. Δεδομένου ότι τα περισσότερα αγροτοβιομηχανικά περιέχουν ζυμώσιμα σάκχαρα, μπορούν να αξιοποιηθούν ως πρώτες ύλες για την παραγωγή πτητικών οργανικών οξέων με αναερόβια οξυγένεση, ενώ η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα μπορεί να μετατραπεί σε πτητικά λιπαρά οξέα και αιθανόλη μετά από υδρόλυση της σε γλυκόζη και στη συνέχεια οξυγένεση.Στη συνέχεια αναλύονται τα αποτελέσματα της οξυγένεσης παρουσία γ-αλουμίνας σε διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις σακχάρου και διαφορετικά pH σε συνεχές σύστημα, με και χωρίς ανακύκλωση του εξερχομένου ζυμωμένου υγρού, και σε διεργασία διαλείποντος έργου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε υψηλό αρχικό pΗ (8,9) η οξυγένεση της γλυκόζης οδήγησε σε υψηλότερες αποδόσεις πτητικών λιπαρών οξέων και ευνόησε τη συσσώρευση του βουτυρικού οξέος. Η οξυγένεση σε pΗ 6,5 ευνόησε τη ζύμωση τύπου αιθανόλης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι στο πλαίσιο της ανάπτυξης τεχνολογίας για νέα γενιά βιοκαυσίμων, χρησιμοποιώντας γ-αλουμίνα ως εργαλείο προώθησης της ζύμωσης και σε βέλτιστες συνθήκες διεργασίας, οι συγκεντρώσεις των παραγόμενων πτητικών λιπαρών οξέων και αιθανόλης είναι δυνατόν να ελέγχονται.Στην επόμενη ενότητα αναλύεται η επίδραση της θερμοκρασίας μεταξύ μεσοφιλικών και θερμοφιλικών συνθηκών για την οξυγένεση της γλυκόζης παρουσία γ-αλουμίνας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε μεσοφιλικές συνθήκες (35±1 οC) η απόδοση των πτητικών οξέων και αιθανόλης ήταν καλύτερη, ανεξαρτήτως των λοιπών συνθηκών διεργασίας (συγκέντρωση σακχάρου και pH).Στη συνέχεια αξιολογήθηκε η χρήση διαλυμάτων βινάσσας, διαφορετικών συγκεντρώσεων και διαφορετικών τιμών pH, ως πρώτη ύλη για παραγωγή οργανικών οξέων με αναερόβια οξυγένεση και γ-αλουμίνα ως προωθητή σε βιοαντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας και διαλείποντος έργου. Επειδή οι αποδόσεις των παραπάνω συστημάτων ήταν πολύ χαμηλές, μελετήθηκε η χρήση μιγμάτων γλυκόζης/βινάσσας, η οποία οδήγησε σε επιτυχημένη εκκίνηση της βιοδιεργασίας (start-up), με ικανοποιητική παραγωγή αιθανόλης και πτητικών λιπαρών οξέων. Η αύξηση του pH στο 8,9 είχε ως αποτέλεσμα να αυξηθεί η παραγωγή βουτυρικού οξέος, ενώ στο pΗ 6,5 αυξήθηκε η παραγωγή αιθανόλης και οξικού οξέος.Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της χημικής εστεροποίησης των προϊόντων (πτητικά οργανικά οξέα και αιθανόλη) της οξυγένεσης της γλυκόζης και της βινάσσας. Τα κύρια προϊόντα της εστεροποίησης ήταν ο οξικός αιθυλεστέρας και ο βουτυρικός αιθυλεστέρας, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βιοκαύσιμα μόρια σε κινητήρες εσωτερικής καύσης. Η εστεροποίηση έγινε χωρίς την προσθήκη επιπλέον αιθανόλης. Η μέγιστη απόδοση που επετεύχθητε ήταν 30 g/L οξικού αιθυλεστέρα και ανάλογη ποσότητα βουτυρικού αιθυλεστέρα.Τα γενικά συμπεράσματα από τα παραπάνω αποτελέσματα είναι πως η επιλογή συνθηκών, όπως το pΗ, η θερμοκρασία, το είδος της πρώτης ύλης, και ο τύπος της διεργασίας (συνεχής, με ή χωρίς ανακύκλωση, και διαλείποντος έργου) κατά την αναερόβια οξυγένεση, μπορούν να οδηγήσουν σε διαφορετική σύσταση προϊόντων (πτητικά οργανικά οξέα και αιθανόλη). Αυτό δίνει τη δυνατότητα πολλών επιλογών για την διαμόρφωση της σύστασης ενός βιοκαυσίμου νέας γενιάς που θα αποτελείται από μίγμα εστέρων. Επομένως, η διατριβή αυτή ανοίγει έναν σημαντικό δρόμο έρευνας στο πλαίσιο ανάπτυξης τεχνολογίας παραγωγής νέας γενιάς βιοκαυσίμων.