Μελέτη της υδροθερμικής προκατεργασίας βαγάσσης γλυκού σόργου για την αποτελεσματική παραγωγή βιοαιθανόλης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη και η βελτιστοποίηση των συνθηκών υδροθερμικής προκατεργασίας βαγάσσης σόργου και η ενζυμική υδρόλυση του προκατεργασμένου υλικού. Το γλυκό σόργο θεωρείται εξαιρετική πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοαιθανόλης, λόγω των υψηλών αποδόσεών του σε βιομάζα και του υψηλού ποσοστού άμεσα ζυμώσιμων σακχάρων του χυμού του.Αρχικά, η βαγάσση σόργου κατεργάστηκε υδροθερμικά σε ένα πλήθος από διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, όπου ο χρόνος κατεργασίας κυμάνθηκε μεταξύ 9 και 51 λεπτών και η θερμοκρασία ρυθμίστηκε σε τιμές μεταξύ 170 και 240 oC. Οι συνθήκες της προκατεργασίας προσδιορίστηκαν βάση της μεθοδολογίας επιφάνειας απόκρισης (RSM) όπου διερευνήθηκε η σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και χρόνου προκατεργασίας. Ακολούθησε υδρόλυση της προκατεργασμένης βαγάσσης με χρήση των εμπορικών ενζυμικών σκευασμάτων Cellic® CTec2 και το μείγμα Celluclast® 1.5L και Novozym 188 σε αναλογίες 5:1 v/v (ενεργότητα ολικής κυτταρινάσης 10 FPU/g βαγάσσης σόργου) και για συγκέντρωση στερεών 3% w/v. Από το μοντέλο που προέκυψε βρέθηκε ότι οι βέλτιστες συνθήκες προκατεργασίας για να επιτευχθεί η μέγιστη % υδρόλυση της κυτταρίνης ήταν 229 οC και 33,8 λεπτά με μέγιστη προβλεπόμενη υδρόλυση ίση με 26,3%. Αυτό το ζεύγος τιμών ήταν πολύ κοντά στην δοκιμή 8 (230 οC και 30 min) με το ποσοστό αποπολυμερισμού της κυτταρίνης να ανέρχεται στο 30,4%. Μεταξύ των δυο ενζυμικών σκευασμάτων που χρησιμοποιήθηκαν καλύτερα αποτελέσματα προέκυψαν κατά τη χρήση του Cellic® CTec2.Τέλος, μελετήθηκε η ικανότητα παραγωγής αιθανόλης από την υδροθερμικά κατεργασμένη βαγάσση εφαρμόζοντας διεργασίες ξεχωριστής σακχαροποίισης και ζύμωσης, SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation) και ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης, SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation). Πιο συγκεκριμένα, στη διεργασία SHF πραγματοποιήθηκε διερεύνηση της επίδρασης του χρόνου σακχαροποίησης (12 και 24 ώρες) καθώς και η προσθήκη επιπλέον ενζύμων κατά την έναρξη της ζύμωσης στην παραγωγή αιθανόλης. Παρατηρήθηκε ότι η SHF διεργασία είχε καλύτερα αποτελέσματα σε σύγκριση με την SSF διεργασία ως προς την παραγωγή αιθανόλης, καθώς η αιθανόλη έφτασε στα 41,4 g/L στις 22 ώρες σε αντίθεση με τη διεργασία SSF που έφτασε τα 41,4g/L στις 96 ώρες. Επίσης παρατηρήθηκε ότι η αύξηση του χρόνου σακχαροποίησης από 12 σε 24 ώρες δεν είχε πολύ σημαντική επίδραση στην αύξηση της συγκέντρωσης σακχάρων και της παραγόμενης αιθανόλης. Τέλος, βρέθηκε ότι η προσθήκη επιπλέον ενζύμων συντέλεσε στην αύξηση της συγκέντρωσης αιθανόλης, καθώς η παραγόμενη αιθανόλη αυξήθηκε από 41,4 g/L σε 47,9 g/L.

The present thesis was carried out in the Laboratory of Biotechnology, in the School of Chemical Engineering of the National Technical University of Athens. The subject of the present thesis was the study and the optimization of the conditions of hydrothermal pretreatment of bagasse and the enzyming hydrolysis of the pretreated material. The Sorghum bicolor is considered to be an excellent raw material for the production of bioethanol because of the high production of biomass and the high percentage of the directly fermentable sugars that are include in sorghum. Firstly, the bagasse was treated hydrothermally in various operational conditions, where the time of treatment ranged from 9 to 51 minutes and the temperature was adjusted between 170 and 240 oC. The conditions of treatment were determined based on the RSM where the relationship between the temperature and the time of treatment was investigated. Afterwards, the hydrolysis of the pretreated bagasse with the use of the commercial enzyme products Cellic® CTec2 and the mixture of Celluclast® 1.5L and Novozym 188 at ratios 5:1 v/v (total cellulase activity 10 FPU/g bagasse) and for solids’ concentration equal to 3% w/v, was performed. The model, which was derived from the experiments, showed that the optimal conditions of pretreatment that lead to the maximum % hydrolysis of the cellulose is 229 οC and 33,8 minutes with the maximum predicted hydrolysis equal to 26,3%. This pair of values was close to those of run 8 (230 οC and 30 min) where the percentage of depolymerization of cellulose is 30,4%. The best results, between the two enzyme products which were used, were noticed for Cellic® CTec2. Finally, the ability of the hydrothermally treated bagasse to produce ethanol by implementing processes of (1) SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation) and (2) SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation) was investigated. More specifically, (a) the impact of the time of Saccharification (12 and 24 hours) and (b) the addition of further enzymes in the beginning of fermentation on the production of ethanol in the process of the SHF was studied. It was noticed that the process of SHF process gives better results compared to the SSF process regarding the production of ethanol; ethanol was equal to 41,4 g/L at 22 hours while in the SSF was equal to 41,4 g/L at 96 hours. Morever, results showed that the increase of the time of Saccharification from 12 to 24 hours does not have a significant impact on the increase of the concentration sugars and the produced ethanol. Moreover, the addition of further enzymes contributed to the rise of the ethanol concentration since the produced ethanol was increased from 41,4 g/L to 47,9 g/L.