Μελέτη της διεργασίας παραγωγής βιοαιθανόλης από διατροφικά απορρίμματα

Abstract

Η παραγωγή βιοκαυσίμων, και συγκεκριμένα βιοαιθανόλης, από βιομάζα αποτελεί το κέντρο επιστημονικού και βιομηχανικού ενδιαφέροντος τα τελευταία χρόνια. Συγκεκριμένα για να αποκτήσει βιώσιμο χαρακτήρα η παραγωγή 2ης γενιάς βιοαιθανόλης, η προσπάθεια έχει επικεντρωθεί στην μείωση του κόστους των πρώτων υλών. Η διαχείριση των διατροφικών απορριμμάτων είναι ένα σημαντικό ζήτημα τόσο για την προστασία του περιβάλλοντος, όσο και για τη διατήρηση των πόρων. Η μετατροπή των υπολειμμάτων των τροφών σε αιθανόλη θα μπορούσε να προσφέρει περαιτέρω οικονομικά πλεονεκτήματα, λόγω της αύξησης του κόστους διάθεσης των απορριμμάτων. Το γεγονός ότι τα διατροφικά απορρίμματα είναι πλούσια σε ζυμώσιμα σάκχαρα, τα καθιστά κατάλληλη πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαιθανόλης, ενός εναλλακτικού και ανανεώσιμου καυσίμου κίνησης. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της διεργασίας παραγωγής βιοαιθανόλης από διατροφικά απορρίμματα και η βελτιστοποίηση των συνθηκών παραγωγής της. Αρχικά, η πρώτη ύλη προκατεργάζεται υδροθερμικά σε θερμοκρασία 100ο C για 1 hour παρουσία και μη H2SO4 σε περιεκτικότητα 1g/100g στερεού, με συγκέντρωση στερεού 30 % β/ο . Το ποσοστό του αμύλου που αποικοδομείται είναι 47,13% μετά από υδροθερμική προκατεργασία παρουσία H2SO4, 1g/100g ξ.σ. και 45,72% μετά από υδροθερμική προκατεργασία απουσία οξέος. Ακολουθεί ενζυμική υδρόλυση του προκατεργασμένου υλικού με χρήση αμυλολυτικών (Liquozyme SC DS και Spirizyme Fuel ) με ενεργότητες 0,053U/g αμύλου για την α-αμυλάση και 5.06, 10.2, 20.24 U/g αμύλου για την γλυκοαμυλάση και κυτταρινολυτικών (Celluclast 1,5L/Novozyme 188 (5:1) και Cellic® CTec2) εμπορικά διαθέσιμων ενζυμικών σκευασμάτων με ενεργότητες 1,3,5,7,9 FPU/g υλικού. Η υδρόλυση του αμύλου κυμαίνεται μεταξύ 72,30 και 86,32%. Το θεωρητικό ποσοστό υδρόλυσης της κυτταρίνης με βάση την παραχθείσα γλυκόζη κατά την υδρόλυση με μίγμα Celluclast 1,5L/Novozyme 188 (5:1) κυμαίνεται μεταξύ 75,28% και 97,63%, ενώ όσον αφορά στην υδρόλυση με χρήση του σκευάσματος Cellic® CTec2 το αντίστοιχο ποσοστό είναι 25,70% έως 64,22%. Τέλος, πραγματοποιείται μελέτη της συμπεριφοράς των αμυλολυτικών και κυτταρινολυτικών ενζυμικών σκευασμάτων καθώς και της συνεργιστικής τους δράσης κατά την παραγωγή αιθανόλης με εφαρμογή της τεχνολογίας ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης (SSF). Οι ενζυμικές ενεργότητες που εφαρμόζονται στο στάδιο των ζυμώσεων είναι αυτές που παρουσιάζουν τα βέλτιστα αποτελέσματα κατά την υδρόλυση του υλικού. Η παραγωγικότητα της διεργασίας κυμάνθηκε από 0,08-0,26 g/L*h. Το εύρος τιμών παραγωγής αιθανόλης κατά την ζύμωση είναι 7,22±0,84 – 18,70±0,13g/L, ενώ τα ποσοστά % των μέγιστων θεωρητικών αποδόσεων είναι 68,87±1,09 και 288,30±4,43 βάσει της μέγιστης παραγόμενης αιθανόλης των μη δομικών σακχάρων, της κυτταρίνης και του αμύλου και βάσει της μέγιστης παραγόμενης αιθανόλης από τα μη δομικά σάκχαρα.

The production of biofuels, particularly bioethanol, by biomass has been the center of scientific and industrial interest in the recent years. Specifically, in order for the production of second generation bioethanol to become sustainable, a considerable effort is placed into reducing the cost of raw materials. The management of food waste is a major concern in terms of protecting the environment and conserving the resources. The conversion of waste food into ethanol could potentially offer further cost advantages, due to the rising cost of waste disposal. The fact that food waste is rich in fermentable sugars, makes it suitable feedstock for bioethanol, an alternative and renewable transport fuel.

The purpose of this thesis is to study the process of bioethanol production from food waste and optimize the respective production conditions.

Initially, the raw material is pretreated hydrothermally at 100°C temperature for 1 hour with and without the presence of H2SO4 in solid content 1g/100g, with a concentration of solid of 30% w/v. The percentage of starch is degraded 47.13% after hydrothermal pretreatment with H2SO4, 1g/100g of substrate and 45.72% after hydrothermal pretreatment without acid. Enzymatic hydrolysis of the pretreated material is carried out using amylolytic (Liquozyme SC DS and Spirizyme Fuel) with activities 0,053 U / g of starch to alpha-amylase and 5.06, 10.2, 20.24 U / g starch to glucoamylase and cellulolytic (Celluclast 1,5 L / Novozyme 188 (5:1) and Cellic ® CTec2) commercially available enzymes with activities 1,3,5,7,9 FPU / g material. Starch hydrolysis is between 72.30% and 86.32%. The theoretical rate of hydrolysis of the cellulose, based in the produced glucose during the hydrolysis with mixture of Celluclast 1,5 L / Novozyme 188 (5:1) is between 75.28% and 97.63%, while regarding the hydrolysis by using the formula Cellic ® CTec2 the figure is 25.70% to 64.22%. Finally, it is studied the behavior of amylolytic and cellulolytic enzyme formulas and their synergistic effect against the production of ethanol by application of the technology of simultaneous saccharification and fermentation (SSF). The enzyme activities applied at the stage of fermentation are those that show the best results in the hydrolysis of the material. The process productivity ranged from 0,08-0,26 g / L * h. The range of ethanol production during fermentation is 7,22 ± 0,84 - 18,70 ± 0,13 g / L, while the percentage of the maximum theoretical yield is 68,87 ± 1,09 and 288,30 ± 4, 43 based on the maximum of the produced ethanol from nonstructural sugars, cellulose and starch and the maximum ethanol produced from the non-structural sugars.