Production of high added value products from sweet sorghum using high efficiency bioprocesses

Abstract

Aim of this thesis was the evaluation of the potential of sweet sorghum stalks to serve as raw material for the production of several forms of biofuels. Initially, ethanol production was evaluated in two different process configurations (either whole stalks or the lignocellulosic fraction (bagasse) alone). In order to improve enzymatic digestibility of bagasse, microwave-assisted hydrothermal pretreatment was evaluated and optimized. Under optimal conditions, cellulose content was very high (66.84% w/w) and the yield of cellulose conversion reached 30.42% after 8h of digestion. During ethanol production trials, 12h of saccharification was proven to be sufficient, reaching a cellulose conversion of 59.8%. Ethanol concentration at the subsequent fermentation reached 41.4g/L with a volumetric productivity equal to 1.88g/L·h. Addition of extra fresh enzymes at the start-up of the fermentation had a positive effect on ethanol production.When the whole stalks were evaluated as raw material for ethanol production under high solids content, it was found during the initial experiments that incorporation of an enzymatic treatment step prior to fermentation results in increasing ethanol production and productivity. In order to optimize the hydrolysis step, the combined effect of hydrolysis duration and enzyme load on ethanol productivity was evaluated and optimized. Under the optimal conditions found for enzymatic hydrolysis (8.32 FPU/g enzyme load for 8.6h), ethanol production reached 62.53 g/L and productivity 2.98 g/L·h. Finally, when the effect of the solid content was evaluated, it was found that initial solids content of 35% w/w resulted in very high ethanol production with the highest productivity and very high relative yield comparing to the maximum theoretical.Based on the obtained results for ethanol production, it can be concluded that utilization of the stalks is more beneficial, as less steps are included and the obtained ethanol concentration was higher comparing to the bagasse. For this reason, the same process was used for the evaluation of microbial lipids production which could serve as raw material for biodiesel. Three different oleaginous yeasts were evaluated as candidates, namely L. starkeyi CBS 1807, T. fermentans CBS 439.83 and R. toruloides CCT 0783. Initially the ability of the stalks to support yeast growth both as nitrogen and carbon source was evaluated by supplementing stalks with external nitrogen source. In all the yeasts it was found that addition of external nitrogen source results in decrease in lipid production. The ability of the stalks to provide with the necessary nitrogen it is beneficial for the process economics, as nitrogen supplementation is considered to increase the production cost. Presence of the enzymatic saccharification prior to yeast cultivation had a positive effect in lipid production for all the yeasts and solid contents. The highest lipid production concentration was observed when R. toruloides was used and reached 13.77 g/L when the cultivation took place on juice that came from 20% w/w solids. The biodiesel parameters of the obtained oils were predicted and all of them have appropriate characteristics to be used as biodiesel.Finally, the ability of stalks to serve as raw material for the production of methane by anaerobic digestion was examined. Two different treatments were evaluated in order to increase the yield of methane production, namely a mild thermal and an enzymatic treatment. Thermal treatment had a negative effect on methane yield. On the other hand, enzymatic treatment in one-step (similar to SSF process) increased methane yield from 238 mL CH4/g VS to 274 mL CH4/g VS. In a final step, the combined effect of enzyme load and I/S ratio was evaluated and resulted in a highest methane yield equal to 284.37 mL CH4/g VS when the enzyme load was equal to 13FPU/g at a I/S ratio equal to 0.7.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η αξιολόγηση της δυνατότητας χρησιμοποίησης του γλυκού σόργου ως πρώτη ύλη για την παραγωγή διαφόρων μορφών βιοκαυσίμων. Αρχικώς αξιολογήθηκε η δυνατότητα παραγωγής βιοαιθανόλης με την χρήση δύο διαφορετικών στρατηγικών (είτε την χρήση όλων των στελεχών του σόργου είτε με την χρήση μόνο του λιγνινοκυτταρινούχου κλάσματος, την βαγάσση). Σε μια προσπάθεια να βελτιωθεί η ενζυμική υδρόλυση της βαγάσσης, μελετήθηκε και βελτιστοποιήθηκε η εφαρμογή υδροθερμική προκατεργασίας με την χρήση μικρομυμάτων. Κάτω απο τις βέλτιστες συνθήκες προκατεργασίας, παρατηρήθηκε υψηλή συγκέντρωση κυτταρίνης (66.84% w/w) καθώς και υψηλή υδρόλυση της κυτταρίνης, η οποία ανήλθε σε 30.42% μετά από 8 ώρες υδρολύσεως. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων παραγωγής αιθανόλης, παρατηρήθηκε οτι υδρόλυση 12 ωρών ήταν αρκετή για την αποτελεσματική υδρόλυση της κυτταρίνης, η οποία ανήλθε σε 59.8%. Η συγκέντρωση της αιθανόλης στην ακόλουθη ζύμωση ανήλθε σε 41.4g/L με την παραγωγικότητα να φτάνει σε 1.88g/L·h. Η προσθήκη επιπλέον φρέσκων ενζύμων κατά την έναρξη της ζύμωσης είχε θετική επίδραση στην παραγόμενη αιθανόλη.Κατά την διάρκεια των πειραμάτων όπου χρησιμοποιήθηκαν τα στελέχη του σόργου σε συνθήκες υψηλής συγκέντρωσης στερεών, βρέθηκε οτι η ενσωμάτωση ενός ξεχωριστού σταδίου ενζυμικής υδρόλησης πριν την ζύμωση είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της παραγωγής αιθανόλης καθώς και της παραγωγικότητας. Προκειμένου να βελτιωθεί το στάδιο της υδρολύσεως, μελετήθηκε η συνδυασμένη επίδραση του χρόνου υδρόλυσης και του ενζυμικού φορτίου στην παραγωγικότητα της αιθανόλης. Κάτω από τις βέλτιστες συνθήκες που βρέθηκαν (ενζυμικό φορτίο ίσο με 8.32 FPU/g και χρονική διάρκεια 8.6 ωρών), η παραγωγή αιθανόλης έφτασε τα 62.53 g/L με την παραγωγικότητα να είναι 2.98 g/L·h. Τέλος, κατά την διάρκεια της μελέτης της επίδρασης της αρχικής συγκέντρωσης στερεών, βρέθηκε ότι συγκέντρωση στερεών ίση με 35% w/w οδήγησε στην υψηλή παραγωγή αιθανόλης, στην μέγιστη παραγωγικότητα καθώς και σε έναν από τους υψηλότερους συντελεστές απόδοσης, σε σύγκριση με τις άλλες συγκεντρώσεις που μελετήθηκαν.Λαμβάνοντας υπόψην τα αποτελέσματα σχετικά με την παραγωγή αιθανόλης, καταλήξαμε οτι η χρήση των στελεχών του γλυκού σόργου είναι πιο αποτελεσματική, καθώς λιγότερα στάδια είναι απαραίτητα και η συγκέντρωση της παραγώμενης αιθανόλης ήταν υψηλότερη σε σχέση με την χρήση της βαγάσσης. Για αυτόν τον λόγο αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί η ίδια διεργασία κατά την διάρκεια των πειραμάτων μελέτης παραγωγής μικροβιακών λιπιδίων τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή βιοντίζελ. Τρείς ελαιογόνες ζύμες μελετήθηκαν για αυτόν τον σκοπό, πιο συγκεκριμένα οι ζύμες L. starkeyi CBS 1807, T. fermentans CBS 439.83 και R. toruloides CCT 0783. Αρχικώς εξετάστηκε η δυνατότητα των στελεχών του σόργου να υποστηρίξουν την ανάπτυξη των διαφόρων ζυμών παρέχοντας τόσο τον άνθρακα όσο και το απαραίτητο άζωτο. Αυτό πραγματοποιήθηκε μελετώντας την επίδραση που είχε η προσθήκη εξωτερικής πηγής αζώτου στο μέσον της καλλιέργειας. Παρατηρήθηκε ότι η προσθήκη του εξωγενούς αζώτου είχε αρνητική επίδραση και στις τρείς ζύμες, μειώνοντας την παραγωγή μικροβιακού λίπους. Η ικανότητα των στελεχών του σόργου να προσφέρουν τόσο τον απαραίτητο άνθρακα όσο και το απαραίτητο άζωτο είναι πολύ σημαντική για την μείωση του κόστους παραγωγής, καθώς η προσθήκη αζώτου θεωρείται ότι αυξάνει το συνολικό κόστος. Επιπλέον, η ύπαρξη ενός σταδίου ενζυμικής σακχαροποίηση πριν το στάδιο παραγωγής λίπους είχε θετική επίδραση στο παραγώμενο λίπος, ανεξαρτήτως της χρησιμοποιηθέντας ζύμης και της συγκέντρωσης στερεών. Η υψηλότερη συγκέντρωση λίπους παρατηρήθηκε όταν καλλιεργήθηκε η ζύμη R. toruloides σε υπόστρωμα που προέκυψε από συγκέντρωση στερεών ίση με 20% w/w, έχοντας αφαιρέσει τα στερεά, και ανήλθε σε 13.77 g/L. Στο τελικό στάδιο αυτής της μελέτης, έγινε πρόβλεψη των ιδιοτήτων του βιοντίζελ το οποίο θα προέκυπτε αν χρησιμοποιούνταν τα λίπη που προέυψαν απο τις τρείς ζύμες που μελετήθηκαν. Βρέθηκε ότι και οι τρεις παράγουν λιπίδια που θα έδιναν καλές ιδιότητες στο παραχθέν βιοντίζελ.Στο τελικό στάδιο της παρούσας μελέτης, εξετάστηκε η δυνατότητα χρήσης των στελεχών του σόργου για την παραγωγή βιομεθανίου μέσω αναερόβιας χώνευσης. Αρχικώς, μελετήθηκε η επίδραση δύο διαφορετικών κατεργασιών πριν την αναερόβια χώνευση στην απόδοση σε μεθάνιο. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκαν μια ήπια θερμική κατεργασία και μια ενζυμική. Η θερμική κατεργασία βρέθηκε ότι είχε αρνητική επίδραση στην απόδοση σε μεθάνιο. Από την άλλη μεριά, η ενζυμική κατεργασία όταν εφαρμόστηκε σε ένα στάδιο με την αναερόβια χώνευση (προσομοιάζοντας την διεργασία SSF) βελτίωσε την απόδοση σε μεθάνιο από 238mL CH4/g VS σε 274mL CH4/g VS. Σε ένα τελικό στάδιο, εξετάστηκε η συνδυαστική δράση του ενζυμικού φορτίου και του λόγου I/S και βρέθηκε ότι η υψηλότερη απόδοση σε μεθάνιο επιτεύχθηκε για ενζυμικό φορτίο ίσο με 13FPU/g και λόγο I/S ίσο με 0.7 και ανήλθε σε 284.37mL CH4/g VS.