Αξιοποίηση στελεχών αραβοσίτου για την παραγωγή βιοαιθανόλης και βιοενεργών ουσιών

Δέδες, Γρηγόριος; Dedes, Grigorios

dc.contributor.author	Δέδες, Γρηγόριος	el
dc.contributor.author	Dedes, Grigorios	en
dc.date.accessioned	2018-01-17T10:15:39Z
dc.date.available	2018-01-17T10:15:39Z
dc.date.issued	2018-01-17
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46214
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14752
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Αραβόσιτο	el
dc.subject	Βιοαιθανόλη	el
dc.subject	Υδρόλυση	el
dc.subject	Βιοκαύσιμα	el
dc.subject	Πρεβιοτικά	el
dc.subject	Corn Stover	en
dc.subject	Bioethanol	en
dc.subject	Biofuels	en
dc.subject	Prebiotics	en
dc.subject	Hydrolysis	en
dc.title	Αξιοποίηση στελεχών αραβοσίτου για την παραγωγή βιοαιθανόλης και βιοενεργών ουσιών	el
dc.contributor.department	Τόμεας IV: Σύνθεσης και ανάπτυξης βιομηχανικών διαδικασιών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/17d26c7ad4b1baa3e1976533f499eef793ef5338
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-10-03
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της παραγωγής βιοαιθανόλης από προκατεργασμένα με υγρή οξείδωση στελέχη αραβόσιτου, καθώς και της δράσης μιας ξυλανάσης της οικογένειας GH11, για την παραγωγή ξυλοολιγοσακχαριτών. Αρχικά, στο πρώτο μέρος μελετήθηκε η παραγωγή βιοαιθανόλης από στελέχη αραβόσιτου, τα οποία υπέστησαν προκατεργασία υγρής οξείδωσης με τη χρήση μείγματος ακετόνης/νερού. Σε αυτό το πλαίσιο πραγματοποιήθηκαν πειράματα ανάλυσης σύστασης της βιομάζας και πειράματα υδρόλυσης και ζύμωσης με σκοπό την παραγωγή αιθανόλης και τη βελτιστοποίηση των επιμέρους σταδίων. Τα πειράματα ανάλυσης σύστασης έδειξαν απομάκρυνση μεγάλου μέρους της λιγνίνης και της ημικυτταρίνης και μικρού μέρους της κυτταρίνης, ενώ η τελική περιεκτικότητα της προκατεργασμένης βιομάζας σε κυτταρίνη, ημικυτταρίνη και λιγνίνη βρέθηκε ίση με 79,8%, 9,7% και 7,7% αντίστοιχα. Ακολούθησαν σειρές πειραμάτων ενζυμικής υδρόλυσης της βιομάζας σε μικρή κλίμακα. Η πρώτη σειρά πειραμάτων περιλάμβανε υδρόλυση σε διαφορετικές συγκεντρώσεις ενζύμου (mg/g ξηρής βιομάζας) για συγκεκριμένη συγκέντρωση στερεών (10% w/w), ενώ η δεύτερη σειρά πειραμάτων περιλάμβανε υδρόλυση σε διαφορετικές συγκεντρώσεις στερεών (% w/w) για συγκεκριμένη συγκέντρωση ενζύμου (9 mg ενζύμου/g ξ. β.). Και οι δυο σειρές πειραμάτων πραγματοποιήθηκαν σε κωνικές φιάλες στις ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και pH. Η πρώτη σειρά πειραμάτων πραγματοποιήθηκε σε συγκεντρώσεις ενζύμου από 3 έως 18 mg ενζύμου/g ξηρής βιομάζας και η μέγιστη συγκέντρωση γλυκόζης που παρατηρήθηκε ήταν 88,1 g/L για συγκέντρωση ενζύμου 18 mg/g ξ. β.. Βάσει των αποδόσεων επιλέχθηκε η συγκέντρωση των 9 mg ενζύμου/g ξ. β. ως η καταλληλότερη για τη διεξαγωγή της υδρόλυσης. Η δεύτερη σειρά πειραμάτων πραγματοποιήθηκε για συγκεντρώσεις στερεών από 8% έως 16% w/w και η μέγιστη συγκέντρωση γλυκόζης που παρατηρήθηκε ήταν 118,5 g/L για συγκέντρωση στερεών 16% w/w, με τις αποδόσεις των υδρολύσεων να κυμαίνονται στο διάστημα 70-86%. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ζύμωσης για την παραγωγή αιθανόλης σε μικρή κλίμακα. Σε πρώτο στάδιο πραγματοποιήθηκαν δύο ζυμώσεις σε σύστημα διαλείποντος έργου έπειτα από ένα στάδιο προϋδρόλυσης διάρκειας 12 h. Η πρώτη ζύμωση εκτελέστηκε σε συγκεντρώσεις στερεών 10% έως 14% για 120 h, ενώ η δεύτερη ζύμωση σε συγκεντρώσεις στερεών 16% έως 20% για 24 h. Σε δεύτερο στάδιο πραγματοποιήθηκε ζύμωση σε σύστημα ημιδιαλείποντος έργου σε συγκεντρώσεις στερεών από 16% έως 20% w/w, όπου στο στάδιο της προϋδρόλυσης πραγματοποιήθηκε η τροφοδοσία της βιομάζας ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Για τις ζυμώσεις σε σύστημα διαλείποντος έργου η μέγιστη συγκέντρωση αιθανόλης για την πρώτη ζύμωση βρέθηκε ίση με 39,7 g/L και η μέγιστη απόδοση αιθανόλης ίση με 63,2% για το δείγμα συγκέντρωσης στερεών 14% w/w, ενώ για τη δεύτερη ζύμωση η μέγιστη συγκέντρωση αιθανόλης βρέθηκε ίση με 38,8 g/L για συγκέντρωση στερεών 20% με μέγιστη απόδοση αιθανόλης ίση με 36,6%. Για τη ζύμωση σε σύστημα ημιδιαλείποντος έργου η μέγιστη συγκέντρωση αιθανόλης βρέθηκε ίση με 57,1 g/L και η μέγιστη απόδοση αιθανόλης ίση με 71,7% για το δείγμα συγκέντρωσης στερεών 20% w/w. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε παραγωγή μιας ξυλανάσης της οικογένειας 11 των γλυκοζιδικών υδρολασών από το μύκητα Fusarium oxysporum με σκοπό να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ξυλοολιγοσακχαριτών από προκατεργασμένη βιομάζα. Η παραγωγή του ενζύμου πραγματοποιήθηκε μέσω ετερόλογης έκφρασης στη μεθυλότροφη ζύμη Pichia pastoris και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για την υδρόλυση της εναπομείνουσας ημικυτταρίνης των προκατεργασμένων στελεχών αραβοσίτου. Το στερεό κλάσμα της αντίδρασης οδηγήθηκε για περαιτέρω υδρόλυση με χρήση κυτταρινολυτικού σκευάσματος σε αρχικές συγκεντρώσεις στερεών 10% και 16% και μετά το τέλος της διεργασίας οι συγκεντρώσεις γλυκόζης υπολογίστηκαν σε 73,2 g/L και 83,6 g/L αντίστοιχα. Τέλος, το υγρό κλάσμα της αντίδρασης οδηγήθηκε σε σύστημα χρωματογραφίας εναλλαγής ανιόντων, όπου και επαληθεύτηκε ποιοτικά η ύπαρξη ξυλοολιγοσακχαριτών ως προϊόντα της αντίδρασης της βιομάζας με την ξυλανάση.	el
heal.abstract	The purpose of this diploma thesis is to examine the production of bioethanol from corn stover pretreated with acetone/water oxidation and the action of a GH11 xylanase for the production of xylooligosaccharides. The first part of the thesis includes the production of bioethanol from corn stover, which was pretreated with the method of the acetone/water liquid oxidation (AWO). In this context experiments of biomass composition analysis and biomass hydrolysis and fermentation were carried out with the purpose of producing bioethanol and improving the stages of the whole process. The biomass composition analysis experiments showed significant removal of the lignin and hemicellulose and smaller removal of cellulose from the material. The final composition of the pretreated material in cellulose, hemicellulose and lignin was 79,8%, 9,7% and 7,7% respectively. Furthermore, small scale enzymatic hydrolysis of the biomass was performed in two series of experiments. The first series included hydrolysis in different enzyme concentrations for a specific solids concentration (10% w/w), while the second series included hydrolysis in different solids concentrations for a specific enzyme concentration (9 mg/g dry biomass). Both series were carried out in a conventional stirring system (shaking flasks) the same conditions of temperature and pH. For the first series the hydrolysis was performed at enzyme concentrations from 3 to 18 mg enzyme/g dry biomass and the maximum glucose concentration was 88,1 g/L for the 18 mg enzyme/g dry biomass concentration. Based on the hydrolysis yields and the cost of the added enzyme, the 9 mg/g DM enzyme concentration was chosen as the optimal for the hydrolysis step. For the second series the hydrolysis was performed at solids concentrations from 8 to 16% w/w and the maximum glucose concentration was 118,5 g/L for solids concentration 16% w/w, while the glucose yield values were between 70 and 86%. Moreover, the production of ethanol was performed by means of small scale fermentation experiments. In the first stage, two fermentation experiments were carried out. The first experiment included fermentation in a batch system from 10% to 14% solids concentration for 120 h, while the second experiment included fermentation in a batch system from 16% to 20% for 24 h. In the second stage, the fermentation was performed in a fed batch feeding system for 16% w/w, 18% w/w and 20% w/w solids concentrations, where the addition of the biomass was periodic. The maximum batch system ethanol concentration after the end of the fermentation in the first experiment was 39,7 g/L for the 14% w/w solids concentration with a maximum of 63,2% ethanol yield for the same solids concentration, while for the second experiment the maximum ethanol concentration was 38,8 g/L for the 20% solids concentration with a maximum ethanol yield of 36,6%. The maximum fed batch ethanol concentration after the end of the fermentation was 57,1 g/L for the 20% w/w solids concentration with a maximum of 71,7% ethanol yield for the same solids concentration. The second part of the thesis includes the production of a xylanase from the 11 family of the glycoside hydrolases (GH) from the fungus Fusarium oxysporum with the purpose of producing xylooligosaccharides from the pretreated biomass. The xylanase was produced in Pichia pastoris cells using liquid cell cultures and was then used for the hydrolysis of the remaining hemicellulose of the pretreated corn stover. The solid fraction of the reaction was further hydrolyzed with a commercial-cellulolytic cocktail in 10% w/w and 16% w/w solids concentrations for 12 h and the glucose concentrations were 73,2 g/L and 83,6 g/L respectively. Finally, the liquid fraction was removed and was examined using high performance anion exchange chromatography equipped with pulsed amperometric detector (HPAEC-PAD), where the presence of xylooligosaccharides was confirmed as products of the reaction between the biomass and the xylanase.	el
heal.advisorName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κέκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	109 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true