Παραγωγή βιοαοιανόλης από διατροφικά απορρίμματα με χρήση μικτής καλλιέργειας του μύκητα Fusarium oxysporum και της ζύμης Saccharomyces cerevisiae

Γεντίκης, Άγγελος-Θεόδωρος; Gentikis, Angelos-Theodoros

dc.contributor.author	Γεντίκης, Άγγελος-Θεόδωρος	el
dc.contributor.author	Gentikis, Angelos-Theodoros	el
dc.date.accessioned	2017-12-07T11:54:46Z
dc.date.available	2017-12-07T11:54:46Z
dc.date.issued	2017-12-07
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46040
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14643
dc.rights	Default License
dc.subject	Βιοαιθανόλη	el
dc.subject	Απορρίμματα τροφίμων	el
dc.subject	Ζύμωση στερεάς κατάστασης	el
dc.subject	Μικτή καλλιέργεια	el
dc.subject	Μύκητας ζύμη	el
dc.subject	Bioethanol	en
dc.subject	Food waste	el
dc.subject	Solid state fermentation	el
dc.subject	Mixed culture	el
dc.subject	Fungus yeast	el
dc.title	Παραγωγή βιοαοιανόλης από διατροφικά απορρίμματα με χρήση μικτής καλλιέργειας του μύκητα Fusarium oxysporum και της ζύμης Saccharomyces cerevisiae	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/eb93c1c4545684339db201dcb520a28edd9f0225
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-10-11
heal.abstract	Τα διατροφικά απορρίμματα ανήκουν στην ευρύτερη κατηγορία των βιοαποβλήτων και εξαιτίας της μεγάλης περιεκτικότητάς τους σε ζυμώσιμα σάκχαρα, αλλά και της αφθονίας τους, θεωρούνται κατάλληλα για να αντικαταστήσουν τις, μέχρι πρότινος, χρησιμοποιούμενες πρώτες ύλες στην παραγωγή βιοαιθανόλης. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη των παραμέτρων εκείνων που επηρεάζουν την υδρόλυση και τη ζύμωσή τους, προς παραγωγή αιθανόλης. Τα διατροφικά απορρίμματα, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή πειραμάτων της παρούσας εργασίας, περιείχαν σακχαρόζη (0.57%, β/β), άμυλο (10.68%, β/β) κυτταρίνη (10.31%, β/β), ημικυτταρίνη (11.32%, β/β), πρωτεϊνη (13.70%, β/β) και λιπαρά (12.26%, β/β). Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, χρησιμοποιήθηκε ο μύκητας Fusarium oxysporum F3, o οποίος έχει την ικανότητα να μεταβολίζει και τις πεντόζες πέραν των εξοζών προς αιθανόλη και επιπλέον να παράγει ένα ευρύ φάσμα ενζύμων για την υδρόλυση της πρώτης ύλης. Η αερόβια ανάπτυξη του μύκητα για την παραγωγή των ενζύμων πραγματοποιήθηκε σε Ζύμωση Στερεάς Κατάστασης (ΖΣΚ) χρησιμοποιώντας ως πηγές άνθρακα λιγνινοκυτταρινούχα υλικά, άχυρο σίτου, πίτουρο σίτου, άξονα σπάδικα αραβοσίτου και τα διατροφικά απορρίμματα. Το πίτουρο σίτου αποδείχθηκε το καταλληλότερο υπόστρωμα για την παραγωγή τόσο των ημικυτταρινολυτικών (ξυλανάση, 221.53U/g υποστρώματος, β-ξυλοζιδάση 0.70 U/g υποστρώματος), όσο και των αμυλολυτικών (α-αμυλάση 17.81 U/g υποστρώματος. γλυκοαμυλάση 0.11 U/g υποστρώματος) ενζύμων. Η βιομετατροπή των διατροφικών απορριμμάτων σε αιθανόλη πραγματοποιήθηκε με μικτή μικροβιακή καλλιέργεια του μύκητα F. oxysporum F3 με τη ζύμη S. cerevisiae εφαρμόζοντας τη διεργασία Ταυτόχρονης Σακχαροποίησης και Ζύμωσης. Η χρήση μικτής μικροβιακής καλλιέργειας παρουρουσιάζει το πλεονέκτημα της άρσης της παρεμπόδισης της υδρολυτικής δράσης των ενζύμων από τα τελικά προϊόντα υδρόλυσης (σάκχαρα) γεγονός που οφείλεται στην ικανότητα της ζύμης να μεταβολίζει ταχύτατα τις εξόζες σε αιθανόλη. Αρχικά, εξετάστηκε η επίδραση της προκατεργασίας θερμού νερού, διαφορετικής θερμοκρασίας (90, 100οC), παρουσία θειικού οξέος διαφορετικής περιεκτικότητας (1, 2, 3 % β/β) για χρονικό διάστημα των 3 ωρών. Αποδείχθηκε ότι η θερμοκρασία είναι ο παράγοντας που επηρεάζει σε μεγαλύτερο βαθμό τα επίπεδα της παραγόμενης αιθανόλης, ενώ η παρουσία του οξέος δε φαίνεται να προκαλεί σημαντικές μεταβολές στις τιμές της αιθανόλης. Πιος συγκεκρμένα, αύξηση της συγκέντρωσης του οξέος από 1% σε 3% (β/β, g H2SO4/100 g ξηρών ΔΑ) διατηρώντας τη θερμοκρασία προκατεργασίας στους 90οC δεν βελτιώνει την παραγόμενη αιθανόλη η οποία κυμάνθηκε στα 14 g/L. Αύξηση της θερμοκρασίας στους 100οC οδηγεί σε αύξηση της παραγόμενης αιθανόλης στα 16.33 g/L (5.96 g /100 g ξηρών ΔΑ, ή 31.78% της μέγιστης θεωρητικής απόδοσης) για συγκέντρωση οξέος 2% (β/β). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι όπως και στην περίπτωση των 90oC οι διακυμάνσεις στην παραγόμενη αιθανόλη με αύξηση της συγκέντρωσης του οξέος ήταν μικρές. Προκειμένου να αυξηθεί παραγόμενη αιθανόλη στη βέλτιστη προκατεργασία (100οC, 2% (β/β) θειικό οξύ για 3 h) μελετήθηκε η επίδραση εξωγενώς προστιθέμενου κυτταρινολυτικού σκευάσματος στο στάδιο τόσο της υδρόλυσης όσο και της βιομετα 2 τροπής με δεδομένο ότι ολική ενεργότητα κυτταρινασών από το αερόβιο στάδιο ανάπτυξης του μύκητα είναι χαμηλή. Η προσθήκη Cellic® CTec 2 (εμπορικού σκευάσματος της εταιρείας Novozymes) σε φορτία 4-10 FPU/ g κυτταρίνης ΔΑ (συνολικό φορτίο 5.43-11.43 FPU/ g κυτταρίνης ΔΑ) επηρέασε το στάδιο της υδρόλυσης και μάλιστα αύξηση του προστιθέμενου ενζυμικού σκευάσματος οδήγησε σε αύξηση της απελευθερούμενης γλυκόζης. Το μέγιστο ποσοστό υδρόλυσης της κυτταρίνης, 32.58%, επιτεύχθηκε στη μεγαλύτερη προστιθέμενη ποσότητα Cellic® CTec 2 (10 FPU/g κυτταρίνης ΔΑ). Στο στάδιο της βιομετατροπής η προσθήκη του ενζυμικού σκευάσματος οδηγεί σε βελτίωση της παραγόμενης αιθανόλης. Η προσθήκη 8 FPU/g κυτταρίνης ΔΑ αυξάνει τη συγκέντρωση της αιθανόλης στα 22.38 g/L, τιμή που αντιστοιχεί στο 43.56% της μέγιστης θεωρητικής απόδοσης.	el
heal.abstract	Food waste (FW) is a kind of biowaste which, due to its high fermentable sugar content and its abundance, is considered suitable to replace the, previously used, raw materials for bioethanol production. The purpose of this thesis was to study the parameters, which affect the food waste enzymatic hydrolysis and fermentation for bioethanol production. Food waste, containing, among others, sucrose (0.57%, w/w), starch (10.68%, w/w), cellulose (10.31% w/w), hemicellulose (11.32% w/w), protein (13.70%, w/w) and lipids (12.26%, ww/w) was used in hydrolysis and fermentation experiments. In the present study, the fungus F. oxysporum F3 was used, which was the ability to metabolize hexose and pentose sugars as well as to produce a wide range of enzymes for the hydrolysis of the feedstock. The fungus was grown aerobically in Solid State Fermentation using wheat straw, wheat bran, corn cobs and Food Waste as carbon sources. Wheat bran was found to be the most suitable substrate for production of both hemicellulolytic (xylanase 221.53 U/g substrate, β-xylosidase 0.70 U/g substrate) and amylolytic (α-amylase 17.81 U/g substrate, glucoamylase 0.11 U/g substrate) enzymes. Bioethanol production from food wastes was conducted by a mixed microbial culture of the fungus F. oxysporum F3 and the yeast S. cerevisiae applying Simultaneous Saccharification and Fermentation process. Initially, the effect of hot-water pretreatment using different temperature (90, 100oC) in the presence of different concentrations of sulfuric acid (1, 2, 3% w/w), for a 3 hour period, was examined. It has been shown that temperature is the factor that affects the most the levels of the produced ethanol, whereas the presence of the acid does not appear to cause significant changes in ethanol values. Highest ethanol production, 16.33 g/L (corresponding to 31.78% of the maximum theoretical yield) was achieved when food wastes were pretreated at 100oC in the presence of 2% (w/w) sulfuric acid. In order to increase bioethanol production, the effect of exogenous addition of cellulolytic formulation (Cellic® Cteq 2) was investigated both in hydrolysis and fermentation steps. Food waste was pretreated at optimal temperature and acid conditions found. Cellic® Cteq 2 was added at 4-10 FPU/g cellulose FW (total enzyme loading 5.43-11.43 FPU/g cellulose FW). Maximum cellulose hydrolysis, 32.58%, was achieved at 10 FPU/g cellulose FW. The addition of Cellic® Cteq 2, significantly affected the biotransformation step by increasing both the produced ethanol and the yield of the process. Indeed, with the addition of 8 FPU / g cellulose of Cellic® Cteq 2, ethanol was produced at 22.38 g / L. This value corresponds to 43.56% of the maximum theoretical yield.	en
heal.advisorName	Κέκκος, Δημήτρης	el
heal.committeeMemberName	Κέκκος, Δημήτρης	el
heal.committeeMemberName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	true