Παραγωγή βιοαιθανόλης από διατροφικά απορρίμματα

Γιαννακοπούλου, Θεοδώρα; Giannakopoulou, Theodora

dc.contributor.author	Γιαννακοπούλου, Θεοδώρα	el
dc.contributor.author	Giannakopoulou, Theodora	en
dc.date.accessioned	2015-04-23T09:26:44Z
dc.date.available	2015-04-23T09:26:44Z
dc.date.issued	2015-04-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40575
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8738
dc.rights	Default License
dc.subject	Βιοαιθανόλη	el
dc.subject	Διατροφικά απορρίμματα	el
dc.subject	Υδρόλυση	el
dc.subject	Ζύμωση	el
dc.subject	Bioethanol	el
dc.subject	Food waste	el
dc.subject	Hydrolysis	el
dc.subject	Fermentation	el
dc.subject	Προκατεργασία	el
dc.subject	Pretreatment	el
dc.title	Παραγωγή βιοαιθανόλης από διατροφικά απορρίμματα	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βιοτεχνολογία και περιβάλλον	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-03-16
heal.abstract	Τα διατροφικά απορρίμματα ανήκουν στην κατηγορία των βιοαποβλήτων, τα οποία αποτελούν ένα σημαντικό ποσοστό των αστικών στερεών αποβλήτων (ΑΣΑ). Λόγω της μεγάλης περιεκτικότητάς τους σε ζυμώσιμα σάκχαρα, αποτελούν κατάλληλη πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαιθανόλης, ενός εναλλακτικού ανανεώσιμου καυσίμου κίνησης. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη των παραμέτρων που επηρεάζουν την υδρόλυση και τη ζύμωσή τους προς παραγωγή βιοαιθανόλης. Τα διατροφικά απορρίμματα, τα οποία, μεταξύ άλλων, περιείχαν κυτταρίνη (18.30%, w/v), ημικυτταρίνη (7.55%, w/v) και υδατοδιαλυτά συστατικά (31.81%, w/v) χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή πειραμάτων υδρόλυσης και ζύμωσης. Αρχικά, εξετάστηκε η επίδραση του ενζυμικού φορτίου και της υδροθερμικής προκατεργασίας (απουσία και παρουσία θειικού οξέος) του υλικού στην ενζυμική υδρόλυση των διατροφικών απορριμμάτων. Δείγματα διατροφικών απορριμμάτων υπέστησαν ενζυμική υδρόλυση με χρήση μείγματος κυτταρινασών ολικής ενεργότητας 5, 10 και 20 FPU/g ξηρού υλικού. Αποδείχθηκε ότι η υδρόλυση ευνοείται από την αύξηση του ενζυμικού φορτίου και από την προκατεργασία του υλικού, ενώ η προσθήκη αραιού οξέος οδηγεί σε ακόμη καλύτερα αποτελέσματα. Η μέγιστη συγκέντρωση γλυκόζης (41.45 g/L) προέκυψε κατά την υδρόλυση προκατεργασμένων, παρουσία οξέος, διατροφικών απορριμμάτων με χρήση 20 FPU κυτταρινασών/g ξηρού υλικού, ενώ η αποικοδόμηση των ολικών πολυσακχαριτών κυμάνθηκε σε ποσοστά άνω του 60% σε όλες τις εξετασθείσες περιπτώσεις. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης υποστρώματος (30% και 50%, w/v) και της θερμοκρασίας προκατεργασίας (85, 100 και 120 οC) στην ενζυμική υδρόλυση των διατροφικών απορριμμάτων. Η αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος οδήγησε σε αύξηση της παραγόμενης γλυκόζης, ενώ τα πιο ικανοποιητικά αποτελέσματα, και για τις δύο εξετασθείσες συγκεντρώσεις, προέκυψαν από τα προκατεργασμένα, παρουσία μικρής ποσότητας θειικού οξέος (1g H2SO4/100 g ξηρού υλικού), δείγματα στους 100 οC για 60 λεπτά. Πραγματοποιήθηκαν, ακόμη, δοκιμές βιομετατροπής των διατροφικών απορριμμάτων, προκειμένου να ευρεθούν οι συνθήκες (ενζυμικό φορτίο, συγκέντρωση υποστρώματος, είδος διεργασίας) που μεγιστοποιούν την παραγωγή βιοαιθανόλης με εφαρμογή της διεργασίας ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης (SSF). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της διεργασίας SSF, o διπλασιασμός του ενζυμικού φορτίου από τα 5 στα 10 FPU/g ξηρού υλικού δεν επηρέασε σημαντικά την παραγωγή αιθανόλης, σε αντίθεση με το διπλασιασμό του από τα 10 στα 20 FPU/g ξηρού υλικού, που προκάλεσε αύξηση της συγκέντρωσης της παραγόμενης αιθανόλης κατά 14-16%. Η αύξηση της συγκέντρωσης υποστρώματος οδήγησε σε αύξηση της παραγόμενης αιθανόλης, μειώνοντας, όμως, την απόδοση της διεργασίας. Με την προσθήκη νέου υλικού στην ήδη υπάρχουσα καλλιέργεια, αυξήθηκε τόσο η παραγόμενη αιθανόλη όσο και η απόδοση, αλλά κατέστη δυσκολότερη η διαχείριση του υλικού, λόγω του πολύ μεγάλου ιξώδους του. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίστηκε στο επόμενο στάδιο επιτυχώς, με προϋδρόλυση του υλικού. Τα ποσοστά επί των θεωρητικών αποδόσεων, με βάση τα μη δομικά σάκχαρα και την κυτταρίνη, κυμάνθηκαν σε υψηλά επίπεδα (μεγαλύτερα του 60%), ενώ η παραγωγικότητα της διεργασίας κυμάνθηκε από 0.32 έως 1.26 g/(L∙h). Τέλος, εφαρμόστηκε διεργασία μη ισοθερμοκρασιακής ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης (NSSF) ημιδιαλείποντος έργου σε προϋδρολυμένα δείγματα τελικής συγκέντρωσης 40% (w/v), χρησιμοποιώντας ενζυμικό φορτίο ολικών κυτταρινασών 7 FPU/g ξηρού υλικού. Η μέγιστη συγκέντρωση παραγόμενης αιθανόλης ανήλθε στα 42.66 g/L (10.7 g/100g ξηρού υλικού) και η παραγωγικότητα στα 1.19 g/(L∙h).	el
heal.abstract	Food waste is a kind of biowaste, that is a significant part of municipal solid waste (MSW). Due to its high fermentable sugar content, it is considered to be suitable for bioethanol production, which is an alternative and renewable transport fuel. The purpose of this thesis was to study the parameters, which affect the food waste hydrolysis and fermentation for bioethanol production. Food waste, containing, among others, cellulose (18.30%, w/v), hemicellose (7.55%, w/v) and water-soluble components (31.81%, w/v), were used in hydrolysis and fermentation experiments. At first, we examined the effect of the enzyme loading and the material’s hydrothermal pretreatment (in the presence or absence of sulfuric acid) in the food waste enzymatic hydrolysis. Food waste samples were hydrolysed with a cellulase mixture at an enzyme loading of 5, 10 and 20 FPU/g dry matter. The results indicated that hydrolysis is favored by the material’s pretreatment as well as the enzyme loading increase, while addition of sulfuric acid gives even better results. Maximum glucose concentration (41.45 g/L) was achieved while hydrolyzing pretreated (in the presence of sulfuric acid) food waste, using cellulase at an enzyme loading of 20 FPU/g dry HFW. The polysaccharides degradation rated above 60% in all cases examined. Next, we studied the effect of the substrate concentration (30% and 50%, w/v) and the pretreatment temperature (85, 100 and 120 οC) in the food waste enzymatic hydrolysis. Substrate concentration increase resulted in higher glucose production. Optimal results, for both substrate concentrations tested, were obtained by the pretreated samples, in the presence of a small amount of sulfuric acid, at 100 οC for 60 minutes. In addition, food waste bioconversion experiments took place, in order to find the conditions (enzyme loading, substrate concentration, kind of process) that maximize the bioethanol production, applying simultaneous saccharification and fermentation (SSF). According to the results of the SSF process, doubling the enzyme loading from 5 to 10 FPU/g of dry HFW had no significant effect on ethanol production. In contrast, increasing the enzyme loading from 10 to 20 FPU/g resulted in an increase of the concentration of produced ethanol by 14 to 16%. Increasing substrate concentration resulted in an ethanol increase and a process yield reduction. The addition of fresh substrate to the existing culture enhanced both ethanol production and yield. The material’s handling, though, became difficult, due to its high viscosity. This problem was successfully resolved in the next step by applying prehydrolysis. The ethanol yield, based on maximum theoretical ethanol production from the sugars presented in soluble fraction and total conversion of cellulose, ranged at high levels (higher than 60%), while the productivity of the process ranged from 0.32 to 1.26 g/(L∙h). Finally, a fed-batch nonisothermal simultaneous saccharification and fermentation (NSSF) process was applied to prehydrolysed samples at a final substrate concentration of 40% (w/v), using cellulase at an enzyme loading of 7 FPU/g dry HFW. The maximum ethanol concentration obtained was 42.66 g/L (10.7 g/100g dry matter) and the maximum productivity 1.19 g/(L∙h).	en
heal.advisorName	Κέκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Κέκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Λοϊζίδου, Μαρία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	108 σ.
heal.fullTextAvailability	true