Διαχείριση βιοαποβλήτων για παραγωγή βιοαιθανόλης 2ης γενιάς

Παππά, Ζωή; Pappa, Zoi

dc.contributor.author	Παππά, Ζωή	el
dc.contributor.author	Pappa, Zoi	en
dc.date.accessioned	2018-02-05T11:37:31Z
dc.date.available	2018-02-05T11:37:31Z
dc.date.issued	2018-02-05
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46400
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.7539
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
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	Βιοαπόβλητα	el
dc.subject	Βιοθανόλη 2ης γενιάς	el
dc.subject	Ενζυμική υδρόλυση	el
dc.subject	Προεπεξεργασία	el
dc.subject	Ζύμωση	el
dc.subject	Biowaste	en
dc.subject	Bioethanol 2nd generation	el
dc.subject	Enzymatic hydrolysis	el
dc.subject	Pretreatment PRETREATMENT	el
dc.subject	Fermentation	el
dc.title	Διαχείριση βιοαποβλήτων για παραγωγή βιοαιθανόλης 2ης γενιάς	el
dc.contributor.department	ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-10-24
heal.abstract	Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η βιβλιογραφική διερεύνηση της διαχείρισης των βιοαποβλήτων και η βελτιστοποίηση της ενζυμικής υδρόλυσης οικιακών βιοαποβλήτων, σε εργαστηριακή κλίμακα, για την παραγωγή βιοαιθανόλης 2ης γενιάς. Η διεργασία παραγωγής βιοαιθανόλης από οικιακά απορρίμματα περιλαμβάνει δύο κύρια στάδια, την υδρόλυση και την ζύμωση. Από τα δύο αυτά στάδια, η υδρόλυση του βιοαποβλήτου σε ζυμώσιμα σάκχαρα αποτελεί το στάδιο που καθορίζει την απόδοση της διεργασίας, δηλαδή την παραγωγή της αιθανόλης 2ης γενιάς. Για τον λόγο αυτό, η βελτιστοποίηση της ενζυμικής υδρόλυσης σε εργαστηριακή κλίμακα είναι απαραίτητη προκειμένου να αριστοποιηθεί η διεργασία παραγωγής βιοαιθανόλης. Ως πρώτη ύλη για την ενζυμική υδρόλυση χρησιμοποιήθηκαν προξηραμένα οικιακά ΒΑ, αφού πρώτα αλέστηκαν και στην συνέχεια χαρακτηρίστηκαν με βάση τις φυσικοχημικές τους παραμέτρους, όπως το pH, την υγρασία, τα ολικά πτητικά στερεά, τον ολικό άνθρακα, το ολικό άζωτο, τις πρωτεϊνες, τα λίπη και έλαια, τα ολικά διαλυτά στερεά (ολικά αναγωγικά σάκχαρα, γλυκόζη) και τους υδατάνθρακες (κυτταρίνη, ημικυτταρίνη, ολικό άμυλο). Τα προξηραμένα οικιακά ΒΑ παρουσιάζουν pH 4,88 ± 0,10, υγρασία 9,1 ± 0,3 % w/w, ολικά πτητικά στερεά 86,83 ± 2,60 % w/w, ολικό άνθρακα 53,36 ± 1,20 % w/w, ολικό άζωτο 2,16 ± 0,03 % w/w, πρωτεϊνες 13,50 ± 0,18 % w/w, λίπη και έλαια 11,65 ± 1,50 % w/w, ολικά διαλυτά στερεά με μέση σύσταση 35,01 ± 3,30 % w/w, εκ των οποίων, 7,83 ± 0,90 % w/w σε ολικά αναγωγικά σάκχαρα, 1,40 ± 0,08 % w/w σε ελεύθερη γλυκόζη, υδατάνθρακες με μέση σύσταση 39,84 ± 3,30 % w/w, εκ των οποίων, 7,82 ± 0,20 % w/w σε κυτταρίνη, 11,91 ± 0,65 % w/w σε ημικυτταρίνη και 8,06 ± 0,30 % w/w σε όλικο άμυλο. Εν συνεχεία, έλαβαν χώρα τρεις κύκλοι πειραμάτων ενζυμικής υδρόλυσης, μελετήθηκαν τρεις μέθοδοι προεπεξεργασίας και στη συνέχεια στις βέλτιστες συνθήκες πραγματοποιήθηκε εφαρμογή της μη ισοθερμοκρασιακής ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης για την παραγωγή βιοαιθανόλης από οικιακά απορρίμματα. Μελετήθηκαν ενζυμικά σκευάσματα με κυτταρινολυτική και αμυλολυτική δράση. Τα συγκεκριμένα ενζυμικά σκευάσματα αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της συνεργασίας της εταιρείας Novozymes και της Μονάδας Περιβαλλοντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας, της Σχολής Χημικών Μηχανικών του ΕΜΠ για το συγκεκριμένο υπόστρωμα. Μελετήθηκαν δύο κυτταρινολυτικά σκευάσματα με τα κωδικά ονόματα NS22177 και NS22233 και ένα αμυλολυτικό σκεύασμα με το κωδικό όνομα NS22109. Ως προς τις μεθόδους προεπεξεργασίας μελετήθηκαν η υδροθερμική επεξεργασία, η κοσκίνιση και η ελαιο-εξαγωγή με τη μέθοδο Soxhlet. Προέκυψε ότι η βέλτιστη δόση αμυλολυτικού σκευάσματος είναι 2,50 μL ενζύμου NS22109/g προξηραμένου υλικού, όπου επιτυγχάνεται υδρόλυση του αμύλου 55,92 % και ταυτόχρονη παραγωγή ελεύθερης γλυκόζης 93,89 %, ενώ το κυτταρινολυτικό ενζυμικό σκεύασμα NS22177 επιτυγχάνει την υψηλότερη απόδοση στην υδρόλυση της κυτταρίνης (51,39%) όταν προστίθενται 20 μL /g προξηραμένου υλικού. Όσον αφορά τη μελέτη της επίδρασης της προεπεξεργασίας, προέκυψε ότι η εφαρμογή προεπεξεργασίας δεν συνεισφέρει θετικό αποτέλεσμα στην ενζυμική υδρόλυση των προξηραμένων οικιακών απορριμμάτων. Το γεγονός αυτό μπορεί να οφείλεται στο ότι η διαδικασία της προξήρανσης και άλεσης των νωπών οικιακών απορριμμάτων συνιστά από μόνη της ικανοποιητική προεπεξεργασία. Λαμβάνοντας υπόψη τα πειραματικά αποτελέσματα μελέτης της επίδρασης τόσο της προεπεξεργασίας, όσο και του ενζυμικού φορτίου στην υδρόλυση προξηραμένων οικιακών απορριμμάτων, εξήχθη το συμπέρασμα ότι οι βέλτιστες συνθήκες σακχαροποίησης των δομικών σακχάρων (αμύλου και κυτταρίνης) είναι οι ακόλουθες:  Καμία προεπεξεργασία  2,50 μL ενζύμου NS22109 / g προξηραμένου υλικού στους 65oC για 1h  20 μL ενζύμου NS22177 / g προξηραμένου υλικού στους 50oC για 5h Με εφαρμογή της μη ισοθερμοκρασιακής ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης στις ανωτέρω βέλτιστες συνθήκες προέκυψε απόδοση υδρόλυσης αμύλου 91,96 % και υδρόλυσης κυτταρίνης 49,66 %. Ως προς την παραγωγής αιθανόλης προέκυψαν 6,21 g αιθανόλης / 100g ξηρού βιοαποβλήτου, που αντιστοιχεί σε 51 % της θεωρητικής απόδοσης σε αιθανόλη του συγκεκριμένου υποστρώματος.	el
heal.abstract	The aim of this diploma thesis was to perform a literature review on biowaste management and to optimize the enzymatic hydrolysis of household biowaste, on a laboratory scale, for the production of 2nd generation bioethanol. The bioethano l production process from household biowaste involves two main stages, hydrolysis and fermentation. From these two stages, the hydrolysis of biowaste in fermentable sugars is the stage deter mining the yield of the process that is the production of 2nd gene ration ethanol. For this reason, the optimization of enzymatic hydrolysis on a laboratory scale is essential in order to optimize the bioethanol production process. Pre - dried household biowaste was as a feedstock to enzymatic hydrolysis after grinding and characterization based on their physicochemical parameters such as pH, humidity, total volatile solids, total carbon, total nitrogen, proteins, fats and oils, total soluble solids (total reducing sugars, glucose) and carbohydrates (cellulose, hemicellulose , total starch). The pre - dried household biowaste had the following characteristics: pH 4,88 ± 0,10, humidity 9,1 ± 0,3% w/w, total volatile solids 86,83 ± 2,60% w/w, total carbon 53,36 ± 1,20% w/w, total nitrogen 2,16 ± 0,03% w/w, proteins 13,50 ± 0,18% w /w, fats and oils 11,65 ± 1,50% w/w, total soluble solids with an average composition of 35,01 ± 3,30% w/w, of which; 7,83 ± 0,90% w/w were total reducing sugars; and 1,40 ± 0,08% w/w was free glucose , carbohydrates with an average composition of 39,84 ± 3,30% w/w, of which 7,82 ± 0,20% w/w was cellulose, 11,91 ± 0,65% w/w was hemicellulose and 8,06 ± 0,30% w/w was total starch. Three sets of experiments of enzymatic hydrolysis were carried out, three pretreatment methods were studied, and then non - isother mal simultaneous saccharification and fermentation was carried out to optimize the conditions for the production of bioethanol from household biowaste. Enzyme preparations with cellulolytic and amylolytic activity were studied. These enzyme formulations we re developed, for this specific substrate, in the framework of the collaboration of Novozymes company with the Unit of Environmental Science and Technology (UEST) which is an educational and research unit at the School of iv Chemical Engineering of the NTUA. Two cellulolytic formulations, coded NS22177 and NS22233, and an amylolytic formulation coded NS22109 were studied. Hydrothermal pretreatment, sieving and oil extraction using the Soxhlet method were studied as the pretreatment methods. The optimal dose of amylolytic formulation was found to be 2,50 μL of enzyme NS22109 / g of pre - dried material, achieving 55,92% starch hydrolysis and 93,89% glucose production at the same time, while the cellulolytic enzyme NS22177 achieves the highest yield on hydrolysis o f cellulose (51,39%) when 20 μL / g of pre - dried material are added. With regard to the study of the effect of pre - treatment, it became clear that the pre - treatment application does not contribute a positive effect to the enzymatic hydrolysis of pre - dried household biowaste. This may be due to the fact that the process of pre - drying and grinding of fresh household biowaste is itself a sufficient pre - treatment. Considering the experimental results of the effect of both pre - treatment and the enzyme loading on the hydrolysis of pre - dried household biowaste, it was concluded that the optimal conditions for the saccharification of structural sugars (starch and cellulose) are as follows:  No pretreatment  2,50 μL of enzyme NS22109 / g of pre - dried material at 65°C f or 1h  20 μL of enzyme NS22177 / g of pre - dried material at 50°C for 5h Applying non - isothermal simultaneous saccharification and fermentation to the above optimal conditions resulted in 91,96% hydrolysis of starch and 49,66% hydrolysis of cellulose. Ethano l production resulted in 6,21 g of ethanol / 100 g of dry bio - waste, corresponding to 51% of the theoretical ethanol yield for the particular substrate.	en
heal.advisorName	Λοϊζίδου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Μακρόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	120 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true