Παραγωγή οργανικών οξέων από κυτταρινούχο βιομάζα με τη χρήση κίσσηρης ως προωθητή

Abstract

In this doctoral thesis the aim was to find the optimum conditions for the production of volatile fatty acids and ethanol through the process of anaerobic digestion in the presence of the mineral kissiris as promoter. The experiments for the study of acidogenesis were initially carried out using a synthetic glucose medium as substrate. The effect of initial pH of the fermentation substrate (3, 4, 5, 6, 7, 8 and 9), the sugar concentration (30, 50, and 70 g/L) and the fermentation temperature (30, 37 and 52°C) were studied. These experiments were preformed with the use of both free cells of the mixed UASB anaerobic culture and cells immobilized on kissiris in order to study the effect of the promoter. The total acid production was higher at pH 9, 37oC, and 30 g/L substrate concentration. The lignocellulosic material was studied next. Initially, the effect of the presence of kissiris on batch fermentations of chemically delignified straw, were studied. These fermentations were carried out for 48 h, at 37°C, 30 g/L straw concentration, and initial pH 7, 8 and 9, for comparison reasons. Ethanol production was at 0.2 mL/L while the acids produced were mainly lactic (4.5-5.3 g/L), as well as succinic and acetic in smaller quantities (1 and 1.5 g/L, respectively). Repeated batch fermentations were then performed at initial pH 7, 8 and 9, 37oC, and straw concentration 30 g/L, in the presence and absence of kissiris. The fermented liquids were replenished every 9 h with a nutrient solution identical to that used for the fermentation but without the addition of straw. Acid production was observed for 4 repeated batches. Subsequently, the continuous fermentation of glucose was studied. The continuous operation of the reactor lasted 97 days and three different concentrations of glucose at initial pH 9 and 37°C were tested. Initially, the system was pumped with nutrient medium containing 70 g/L glucose, the concentration of which gradually decreased to 30 g/L. The continuous fermentation gave high concentrations of organic acids reaching up to 15.2 g/L. For the continuous anaerobic straw fermentation in the presence of kissiris, the same experimental arrangement was used but the reactor was opened to fill with a 30 g/L straw solution, and then feeding was done with synthetic medium that did not contain any straw. This fermentation produced acids for 10 days, mainly acetate and butyrate. Subsequently, scale-up experiments were performed using a 82 L volume bioreactor using kissiris as promoter. Two volumes of 17 L and 40 L were studied. The production of organic acids reached 17.2 g/L and consisted mainly of butyric and acetic acid. Finally, the recovery of organic acids from the fermentation broths was studied by liquid-liquid extraction using various organic solvents. The experiments were carried out in standard aqueous solutions but also in fermentation broths of delignified straw. Of all the solvents tested, butanol-1 was chosen as the best solvent for this particular application in terms of extraction yields and process cost. Regarding the acid extraction from the fermentation broths, the results were similar to those of the standard organic acid solutions. In particular, the best results were obtained at pH 1 with butanol-1 (almost 80% total recovery).

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ο στόχος ήταν η εύρεση των βέλτιστων συνθηκών για την παραγωγή πτητικών λιπαρών οξέων (ΟΑ) και αιθανόλης μέσω της διεργασίας της αναερόβιας χώνευσης, υπό παρουσία ενός προωθητή της βιοδιεργασίας όπως είναι η κίσσηρης. Αυτά τα οξέα θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή νέας γενιάς βιοκαυσίμου ή για άλλες εφαρμογές. Τα πειράματα για τη μελέτη της οξεογένεσης έγιναν αρχικά σε συνθετικό μέσο γλυκόζης. Μελετήθηκε η επίδραση της αρχική τιμής pH του υποστρώματος ζύμωσης (3, 4, 5, 6, 7, 8 και 9), η συγκέντρωση του σακχάρου (30, 50, και 70 g/L) και η θερμοκρασία της ζύμωσης (30, 37 και 52oC). Τα πειράματα αυτά έγιναν τόσο με τη χρήση ελεύθερων κυττάρων της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας UASB όσο και με τη χρήση ακινητοποιημένων κυττάρων σε κίσσηρη για να μελετηθεί η επίδραση του προωθητή. Η συνολική παραγωγή οξέων ήταν υψηλότερη στο αρχικό pH 9, θερμοκρασία 37oC ενώ η καλύτερη συγκέντρωση ήταν τα 30 g/L. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ξεκίνησε η μελέτη της οξεογένεσης του λιγνινοκυτταρινούχου αποβλήτου. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση της παρουσίας της κίσσηρης σε ζυμώσεις διαλείποντος έργου (batch) σε χημικώς απολιγνινοποιημένο άχυρο. Οι ζυμώσεις αυτές έγιναν στους 37 οC σε συγκέντρωση 30 g/L απολιγνινοποιημένου άχυρου και δοκιμάστηκαν οι αρχικές τιμές pH 7, 8, και 9 για λόγους σύγκρισης και διήρκησαν 48 h. Η παραγωγή αιθανόλης ήταν στα 0,2 mL/L ενώ από τα οξέα παράχθηκε κυρίως γαλακτικό (4,5–5,3 g/L), ηλεκτρικό και οξικό σε μικρότερες ποσότητες (1 και 1,5 g/L, αντίστοιχα). Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν επαναλαμβανόμενες ζυμώσεις διαλείποντος έργου σε αρχικές τιμές pH 7, 8, και 9 σε αρχική συγκέντρωση άχυρου 30 g/L σε θερμοκρασία 37oC παρουσία και απουσία κίσσηρης. Tα ζυμωμένα υγρά αναπληρωνόντουσαν κάθε 9 ώρες με θρεπτικό διάλυμα ίδιο με αυτό που χρησιμοποιήθηκε για τη ζύμωση αλλά χωρίς την προσθήκη άχυρου. Παρατηρήθηκε παραγωγή οξέων για 4 επαναλαμβανόμενα batch. Στη συνέχεια μελετήθηκε η συνεχής ζύμωση της γλυκόζης. Η συνεχής λειτουργία του αντιδραστήρα διήρκησε 97 μέρες και δοκιμάστηκαν 3 διαφορετικές συγκεντρώσεις γλυκόζης με αρχικό pH 9 και θερμοκρασία 37oC. Αρχικά στο σύστημα παροχετεύθηκε με θρεπτικό υγρό που περιείχε 70 g/L γλυκόζη του οποίου η συγκέντρωση σταδιακά μειώθηκε στα 30 g/L. Η συνεχής ζύμωση έδωσε συγκεντρώσεις οργανικών οξέων που έφτασαν μέχρι τα 15,2 g/L. Για τη συνεχή αναερόβια ζύμωση άχυρου παρουσία κίσσηρης χρησιμοποιήθηκε η ίδια πειραματική διάταξη, ο αντιδραστήρας ανοίχθηκε ώστε να πληρωθεί με διάλυμα άχυρου 30 g/L, ενώ έγινε τροφοδοσία με συνθετικό υγρό χωρίς άχυρο. Η ζύμωση αυτή έδωσε οξέα για 10 μέρες, κυρίως οξικό και βουτυρικό. Στη συνέχεια έγιναν πειράματα σε μεγάλη κλίμακα (scale-up) χρησιμοποιώντας βιοαντιδραστήρα όγκου 82 L με χρήση κίσσηρης ως προωθητή. Μελετήθηκαν 2 όγκοι 17 L και 40 L. Η παραγωγή οργανικών οξέων έφτασε τα 17,2 g/L και αποτελούνταν κυρίως από βουτυρικό και οξικό οξύ. Τέλος μελετήθηκε η ανάκτηση των οργανικών οξέων από τα υγρά ζύμωσης με τη χρήση οργανικών διαλυτών με τη μέθοδο της υγρής-υγρής εκχύλισης. Τα πειράματα έγιναν σε πρότυπα υδατικά διαλύματα αλλά και σε υγρά ζύμωσης απολιγνινοποιημένου άχυρου. Από τους διαλύτες που δοκιμάστηκαν η βουτανόλη-1 επιλέχθηκε ως ο καλύτερος διαλυτής για τη συγκεκριμένη εφαρμογή από άποψη απόδοσης εκχύλισης και κόστους. Όσον αφορά στην εκχύλιση των οξέων από τα υγρά της ζύμωσης τα αποτελέσματα ήταν ανάλογα με αυτά των πρότυπων διαλυμάτων. Πιο συγκεκριμένα τα καλύτερα αποτελέσματα ελήφθησαν για αρχικό pH 1 με διαλύτη τη βουτανόλη-1 (σχεδόν 80% συνολική παραλαβή).