Ανάπτυξη και σχεδιασμός καινοτόμου βιοδιυλιστηρίου που βασίζεται στην αξιοποίηση της οινολάσπης και της ακατέργαστης γλυκερόλης προς παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας και πολυ-3-υδροξυ-βουτυρικού εστέρα μέσω μικροβιακών ζυμώσεων

Abstract

The transition to the bio-economy era and the replacement of petrochemical processes for the production of chemicals and polymers require the valorization of industrial waste and by-product streams through the development of novel and integrated biorefinery concepts. Furthermore, restructuring the conventional fermentation industry is essential because the production of chemicals and polymers via microbial bioconversion is not sustainable through single stage conversion of commercial and purified raw materials (e.g. glucose, yeast extract). The sustainable development of integrated biorefineries will encompass the production of energy, food, feed, chemicals, biodegradable polymers and biomaterials. Within this context, valorization of industrial food waste and by-product streams could lead to reduced environmental impact and additional revenue to existing industrial sectors. This PhD thesis has focussed on the development of a novel integrated biorefinery concept using wine lees as raw material for the production of ethanol, calcium tartrate, antioxidant-rich extracts and nutrient-rich fermentation supplement. The material balances were determined when wine lees from a Merlot wine variety were used. The process begins with the separation of the liquid and solid fractions via centrifugation. The solid fraction is fractionated into an antioxidant-rich fraction and calcium tartrate. After the separation of phenolic compounds and tartrate salts from the solid fraction of wine lees, the remaining solids were rich in yeast cells. The yeast cells were subsequently lysed using crude enzyme-rich extracts derived via solid state fermentation of Aspergillus oryzae carried out on wheat milling by-products. The optimal temperature, pH, reaction duration, initial solid concentration and initial proteolytic activity of the hydrolysis reaction were optimized. The highest free amino nitrogen and inorganic phosphorus concentration achieved were around 1400 mg/L and 130 mg/L, respectively, at pH value of 5.5, temperature of 40 ⁰C, duration of 48 h, initial solid concentration of 75 g/L and initial proteolytic activity of 12 U/mL. This PhD thesis identified that it is feasible to combine the extraction of value added products with the production of a nutrient-rich generic feedstock that could be used as fermentation supplement for the production of poly(3-hydroxybutyrate) (PHB). Various feedstocks were initially evaluated for the production of PHB via fermentation including hydrolysates from flour-rich wastes produced by a confectionery industry, rapeseed meal hydrolysates and crude glycerol derived from biodiesel production processes and wine lees derived hydrolysates. Optimisation of fed-batch bioreactor cultures mainly focused on PHB production using crude glycerol and wine lees derived hydrolysates using the bacterial strain Cupriavidus necator DSZM 7237. Shake flask and bioreactor cultures showed that PHB production was triggered by phosphorus depletion. The highest fermentation efficiency was achieved when the crude glycerol and wine lees derived hydrolysates were supplemented with trace elements using an initial carbon to free amino nitrogen ratio of 12.3 g/g leading to a total dry weight of 47.8 g/L, a PHB concentration of 36.9 g/L and a productivity of 0.56 g/L/h. Therefore, wine lees derived hydrolysates could be used as supplement for the production of PHB when crude glycerol is used as carbon source. The biorefinery concept developed based on the refining of wine lees for the production of ethanol, antioxidant-rich extract, calcium tartrate and yeast cells was evaluated via process design and preliminary techno-economic evaluation. The material and energy balances were validated using the commercial process simulator UniSim (Honeywell). A sensitivity analysis was carried out, based on discounted cash flow analysis, so as to estimate the minimum selling price of the antioxidant-rich extract that should be achieved at different plant capacities in order to develop a profitable wine lees refining process. The minimum selling prices of the antioxidant-rich extract was identified in the range of 122 – 11.06 $/kg in order to develop profitable refining schemes with wine lees processing capacities varying from 500 to 5000 kg/h considering 120 days of annual plant operation. The final products could be used in various industrial segments including food, chemical and cosmetic industries.

Η μετάβαση στην εποχή της βιο-οικονομίας και η αντικατάσταση των πετροχημικών διεργασιών για την παραγωγή χημικών ουσιών και πολυμερών απαιτούν την αξιοποίηση βιομηχανικών αποβλήτων και παρα-προϊόντων ως πρώτες ύλες για την ανάπτυξη καινοτόμων βιοδιυλιστηρίων. Το γεγονός ότι η συμβατική βιομηχανία ζυμώσεων χρησιμοποιεί εμπορικές πρώτες ύλες (π.χ. γλυκόζη, εκχύλισμα ζύμης) για την παραγωγή χημικών ουσιών και πολυμερών καθιστά τις διεργασίες αυτές μη αειφόρες. Η αειφόρος ανάπτυξη βιοδιυλιστηρίων θα πρέπει να συμπεριλάβει την συνδυασμένη παραγωγή ενέργειας, τροφίμων, ζωοτροφών, χημικών ουσιών, βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών και βιοϋλικών. Σε αυτά τα πλαίσια, η αξιοποίηση των παραπροϊόντων και των αποβλήτων της βιομηχανίας τροφίμων μέσω της δημιουργίας βιοδιυλιστηρίων θα βελτιώσει το περιβαλλοντικό αποτύπωμα και τα έσοδα των συμβατικών διεργασιών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός καινοτόμου βιοδιυλιστηρίου με στόχο την αξιοποίηση της οινολάσπης ως πρώτη ύλη για την παραγωγή αιθανόλης, τρυγικών αλάτων, ενός εκχυλίσματος πλούσιο σε φαινολικά συστατικά και ενός υδρολύματος πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά το οποίο είναι κατάλληλο ως θρεπτικό μέσο για μικροβιακές ζυμώσεις. Τα ισοζύγια μάζας κατά την βελτιστοποίηση της ανάπτυξης του βιοδιυλιστηρίου υπολογίστηκαν στην περίπτωση που χρησιμοποιήθηκαν οινολάσπες που προήλθαν από την ερυθρά οινοποίηση σταφυλιών της ποικιλίας Μερλότ. Κατά το πρώτο στάδιο της διεργασίας διαχωρίζονται τα στερεά από την υγρή φάση των οινολασπών μέσω φυγοκέντρησης. Ακολούθως, τα στερεά συστατικά χρησιμοποιούνται για τον διαχωρισμό ενός εκχυλίσματος πλούσιο σε φαινολικά συστατικά και τρυγικών αλάτων. Το στερεό υπόλειμμα είναι πλούσιο σε κύτταρα ζυμών, τα οποία παρήχθησαν κατά τη διάρκεια της οινοποίησης. Το στερεό αυτό κλάσμα χρησιμοποιήθηκε για την βελτιστοποίηση διεργασίας παραγωγής υδρολύματος πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά που δύναται να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για μικροβιακές ζυμώσεις. Η λύση των κυττάρων ζύμης πραγματοποιήθηκε με την χρήση ακατέργαστων ενζύμων που παρήχθησαν μέσω ζύμωσης στερεάς κατάστασης από το μύκητα Aspergillus oryzae. Η μέγιστη παραχθείσα συγκέντρωση αζώτου που περιέχεται στις ελεύθερες αμινομάδες αμινοξέων και πεπτιδίων ήταν 1400 mg/L, ενώ η μέγιστη παραχθείσα συγκέντρωση φωσφόρου ήταν 130 mg/L. Οι βέλτιστες συνθήκες υδρόλυσης ήταν pH 5,5, θερμοκρασία 40 ⁰C, 48 ώρες διάρκεια υδρόλυσης, 75 g/L αρχική συγκέντρωση του στερεού κλάσματος των οινολασπών, και 12 U/mL αρχική πρωτεολυτική ενεργότητα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε επίσης στην παραγωγή του βιοαποικοδομήσιμου πολυμερούς πολυ-3-υδροξυ-βουτυρικού εστέρα (ΠΥΒ) από διάφορα βιομηχανικά παραπροϊόντα και απόβλητα. Αξιολογήθηκε η χρηση υδρολυμάτων που παρήχθησαν μέσω υδρόλυσης αλευρούχων υπολλειμάτων της βιομηχανίας παραγωγής προϊόντων ζαχαροπλαστικής, η ακατέργαστη γλυκερόλη, υδρολύματα κραμβαλεύρων και υδρολύματα που παρήχθησαν από οινολάσπες προς την μικροβιακή παραγωγή ΠΥΒ. Πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση ζυμώσεων παραγωγής ΠΥΒ σε βιοαντιδραστήρα με χρήση του βακτηριακού στελέχους Cupriavidus necator DSZM 7237 που αναπτύχθηκε σε μείγμα ακατέργαστης γλυκερόλης και υδρολυμάτων πλούσιων σε θρεπτικά συστατικά που παρήχθησαν από οινολάσπες. Η μέγιστη συγκέντρωση ΠΥΒ που επιτεύχθηκε ήταν 36.9 g/L και η παραγωγικότητα ήταν 0.56 g/L/h. Επομένως, τα υδρολύματα που προκύπτουν από την διύλιση των οινολασπών δύνανται να χρησιμοποιηθούν για την μικροβιακή παραγωγή του ΠΥΒ. Το βιοδιυλιστήριο που αναπτύχθηκε με βάση την ολιστική αξιοποίηση των οινολασπών αξιολογήθηκε μέσω σχεδιασμού διεργασιών και εκπόνηση προκαταρκτικής τεχνο-οικονομικής μελέτης. Τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας της διεργασίας πραγματοποιήθηκαν μέσω της χρήσης του λογισμικού UniSim (Honeywell). Ακολούθως, αξιολογήθηκε η επίδραση της τιμής πώλησης των αντιοξειδωτικών συστατικών προκειμένου να αξιολογηθεί η βιωσιμότητα της διεργασίας στην περίπτωση που επεξεργάζονται διαφορετικές ποσότητες οινολασπών σε ετήσια βάση. Η ελάχιστη τιμή πώλησης του ρεύματος που είναι πλούσιο σε αντιοξειδωτικά συστατικά κυμαίνεται από 122 $/kg έως 11.06 $/kg όταν η ολική ποσότητα οινολασπών που επεξεργάζονται ετησίως κυμαίνεται από 500 kg/h έως 5000 kg/h.