Παραγωγή οργανικών οξέων από τυρόγαλο παρουσία κίσσηρης και γ-αλουμίνας ως προωθητές

Abstract

Nowadays, there is intense interest on the management and exploitation of agroindustrial wastes prior to their disposal. This work was based on the treatment of whey, the main liquid dairy waste, for the production of organic acids (OAs) simultaneously with ethanol by anaerobic acidogenesis. These products could be used either as chemicals or for the production of new generation ester biofuels. The mineral kissiris and γ-alumina pellets were considered ideal culture carriers to study the acidogenesis process. These inorganic porous materials have been previously used successfully as carriers for cell immobilization and as promoters for fermentation processes.In this thesis, the acidogenesis of whey using anaerobic mixed bacterial culture (from an UASB bioreactor) immobilized on kissiris or γ-alumina was investigated. The aim of this study was to define the optimum conditions for the acidogenesis of lactose (as a model substrate) and whey (as a food industry waste). More specifically, the effect of various process conditions, such as the fermentation temperature (20-45 οC), initial pH value (3-9), and initial sugar concentration of the substrate, regarding OAs and ethanol production during the acidogenic fermentation of lactose with free and immobilized cells was examined. The optimum conditions were determined in batch fermentation systems using lactose synthetic media. In all cases the use of kissiris and γ-alumina promoted the acidogenic fermentation and the best results were achieved at 37 oC, pH value 9 and low sugar concentration. Batch acidogenic fermentations were carried out using whey as substrate and showed similar results. After the optimization in batch fermentation systems, a continuous process using a synthetic lactose media as model substrate was carried out. Three different continuous packed bed bioreactors each of 1.5 L were operated for 4 months, using kissiris or γ-alumina and a mixture (1:1) of these immobilization carriers. At first, lactose synthetic media in various initial concentrations were used as influent. In all cases lactic acid was the predominant acid accounting for more than 65% of total OAs produced, while ethanol was detected at low concentrations. After the synthetic media, whey was used as influent, initially diluted with water (1:1) and finally non-diluted. Lactic acid remained the predominant acid accounting for more than 70% of total OAs.Although the production of ethanol during acidogenesis of glucose media was previously found to be considerable, in the case of whey it was low. To increase the ethanol production, successive continuous alcoholic fermentation of whey using kefir and acidogenesis using the UASB anaerobic culture was studied. In both bioreactors γ-alumina was used as carrier for cell immobilization. Specifically, whey was firstly supplied into the first bioreactor (acidogenic) containing the immobilized mixed anaerobic culture and the effluent was supplied to the second bioreactor (alcoholic fermentation) containing the immobilized kefir cells. The second experiment was conducted by supplying whey firstly to the bioreactor for alcoholic fermentation and then pumping the fermented effluent to the bioreactor for acidogenesis. This system exhibited 10-fold higher ethanol and up to 2.5-fold higher OAs concentrations compared to the acidogenesis/alcoholic fermentation system. Furthermore, the proposed technology was transferred from the laboratory scale (1.5 L) to a scale-up system using a 70 L bioreactor and kissiris as carrier for cell immobilization. Eight batch fermentations were carried out. At first, lactose synthetic medium was used as influent followed by diluted whey and finally pure whey. The scale-up system showed important operational stability and improved results.Τhe final part of the thesis focused on the OAs recovery from synthetic aqueous solution. Recovery is a main problem regarding the use of OAs for production of ester-based new generation biofuels or other applications. The method that was used for the OAs recovery was liquid-liquid extraction using 1-boutanol as solvent. Finally, experiments were carried out for the OAs recovery from fermented whey. The results led to the conclusion that 2-pentanol and 1-boutanol are the best solvents for extraction of OAs from fermented broths.

Στις μέρες μας παρατηρείται έντονο ενδιαφέρον για τη διαχείριση και την αξιοποίηση των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων πριν την απόρριψη τους στο περιβάλλον. Η αξιοποίηση του τυρογάλακτος, ένα από τα κύρια απόβλητα, για την ταυτόχρονη παραγωγή οργανικών οξέων και αιθανόλης μέσω διεργασίας αναερόβιας οξεογένεσης ήταν η κεντρική ιδέα στην οποία βασίστηκε η παρούσα διατριβή. Αυτά τα προϊόντα μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως χημικές πρώτες ύλες είτε για την παραγωγή νέας γενιάς βιοκαυσίμων μετά από εστεροποίηση. Το ορυκτό κίσσηρη και η γ-αλουμίνα θεωρήθηκαν ιδανικοί προωθητές της αναερόβιας οξεογένεσης, καθώς είναι ανόργανα πορώδη υλικά που έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε προηγούμενες μελέτες ως φορείς ακινητοποίησης κυττάρων και προωθητές ζυμωτικών διεργασιών.Στη παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η αξιοποίηση του τυρογάλακτος μέσω αναερόβιας οξεογένεσης με χρήση μικτής αναερόβιας καλλιέργειας (από αντιδραστήρα UASB) ακινητοποιημένης σε κίσσηρη ή γ-αλουμίνα. Ο σκοπός δηλαδή της μελέτης ήταν o προσδιορισμός των βέλτιστων συνθηκών για τη παραγωγή οργανικών οξέων με πρώτες ύλες αρχικά τη λακτόζη, ως μοντέλο υπόστρωμα, και στη συνέχεια το τυρόγαλα, ένα από τα κύρια υγρά απόβλητα της βιομηχανίας τροφίμων. Πιο αναλυτικά μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας ζύμωσης (20-45 οC), της αρχικής τιμής pH του υποστρώματος (3-9) και της αρχικής συγκέντρωσης λακτόζης του υποστρώματος, στην παραγωγή οργανικών οξέων τόσο με ελεύθερα κύτταρα όσο και με τη χρήση κίσσηρη και γ-αλουμίνας. Τα πειράματα αυτά πραγματοποιήθηκαν σε συστήματα διαλείποντος έργου χρησιμοποιώντας συνθετικό θρεπτικό μέσο λακτόζης. Σε όλες τις περιπτώσεις αποδείχτηκε η προωθητική δράση τόσο της κίσσηρης όσο και της γ-αλουμίνας ενώ τα καλύτερα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν στους 37 oC, σε αρχική τιμή pH 9 και χαμηλές αρχικές συγκεντρώσεις σακχάρου. Πειράματα σε βιοαντιδραστήρες διαλείποντος έργου πραγματοποιήθηκαν και με τυρόγαλα τα οποία επέδειξαν παρόμοια αποτελέσματα.Στη συνέχεια με βάση τις βέλτιστες συνθήκες πραγματοποιήθηκαν πειράματα οξεογένεσης σε συνεχές σύστημα χρησιμοποιώντας συνθετικό θρεπτικό λακτόζης. Τρεις διαφορετικοί βιοαντιδραστήρες (1,5 L) συνεχούς λειτουργίας τέθηκαν σε λειτουργία για περίπου 4 μήνες, εκ των οποίων ο ένας ήταν πληρωμένος με κίσσηρη, ο άλλος με γ-αλουμίνα και ο τρίτος με μίγμα (1:1) κίσσηρη και γ-αλουμίνας. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε ως υγρό τροφοδοσίας συνθετικό μέσο λακτόζης σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Το κυρίαρχο οξύ και στα τρία συστήματα ήταν το γαλακτικό οξύ, αποτελώντας πάνω από 65% των ολικών οργανικών οξέων που παρήχθησαν, ενώ η αιθανόλη ανιχνεύτηκε σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Ακολούθως, χρησιμοποιήθηκε ως υγρό τροφοδοσίας αραιωμένο τυρόγαλα με νερό (1:1) και τέλος πλήρες τυρόγαλα. Το γαλακτικό οξύ εξακολούθησε να είναι το κυρίαρχο οξύ, αποτελώντας πάνω από 70% των παραγόμενων οργανικών οξέων.Παρόλο που κατά τη διάρκεια της οξεογένεσης συνθετικού μέσου γλυκόζης παρατηρήθηκε αξιοσημείωτη παραγωγή αιθανόλης, στη περίπτωση του συνθετικού μέσου λακτόζης παρατηρήθηκε μειωμένη παραγωγή της. Για την αύξηση λοιπόν της παραγωγής της αιθανόλης, μελετήθηκε σύστημα δυο διαδοχικών αντιδραστήρων σε συνεχή λειτουργία. Ο ένας βιοαντιδραστήρας ήταν αυτός της οξεογένεσης με ακινητοποιημένη αναερόβια μικτή καλλιέργεια σε γ-αλουμίνα και ο δεύτερος βιοαντιδραστήρας περιείχε ακινητοποιημένα κύτταρα κεφίρ σε γ-αλουμίνα. Στο πρώτο σύστημα που μελετήθηκε, το τυρόγαλα τροφοδοτούνταν αρχικά στο βιοαντιδραστήρα της οξεογένεσης και στη συνέχεια στο βιοαντιδραστήρα με τα ακινητοποιημένα κύτταρα κεφίρ για αλκοολική ζύμωση. Έπειτα, μελετήθηκε το σύστημα αυτό των διαδοχικών αντιδραστήρων με αντίστροφη διάταξη. Στη δεύτερη περίπτωση, κατά την οποία το τυρόγαλα τροφοδοτούνταν αρχικά στον αντιδραστήρα της αλκοολικής ζύμωσης και στη συνέχεια σε αυτόν της οξεογένεσης, παρατηρήθηκε 10 φορές μεγαλύτερη παραγωγή αιθανόλης και 2,5 φορές υψηλότερη παραγωγή οργανικών οξέων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η μεταφορά της τεχνολογίας από την εργαστηριακή κλίμακα των 1,5 L σε αυξημένη κλίμακα (scale-up) χρησιμοποιώντας βιοαντιδραστήρα όγκου 70 L και την κίσσηρη ως φορέα ακινητοποίησης. Πραγματοποιήθηκαν 8 ζυμώσεις σε βιοαντιδραστήρα διαλείποντος έργου με αρχικό υγρό τροφοδοσίας το συνθετικό μέσο λακτόζης, ενώ στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε ως υγρό τροφοδοσίας αραιωμένο τυρόγαλα με νερό (1:1) και τέλος κανονικό τυρόγαλα. Το σύστημα αυτό της μεγάλης κλίμακας παρουσίασε σημαντική λειτουργική σταθερότητα και βελτιωμένα αποτελέσματα σε σχέση με την εργαστηριακή κλίμακα.Το τελευταίο μέρος της παρούσας διατριβής επικεντρώθηκε στην ανάκτηση των οργανικών οξέων από ζυμωμένο υγρό, το οποίο αποτελεί το κύριο πρόβλημα για την χρήση των οργανικών οξέων στη παραγωγή νέας γενιάς βιοκαυσίμων μέσω της παραγωγής εστέρων είτε για άλλες χρήσεις. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την ανάκτηση των οργανικών οξέων ήταν αυτή της υγρής-υγρής εκχύλισης, με τη χρήση της 1-βουτανόλης ως διαλύτη στη συγκεκριμένη εργασία. Τέλος πραγματοποιήθηκαν πειράματα ανάκτησης οξέων με τα ζυμωμένα υγρά τυρογάλακτος. Τα αποτελέσματα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η 2-πεντανόλη και η 1-βουτανόλη είναι οι καλύτεροι διαλύτες για την εκχύλιση των οργανικών οξέων.