Αξιοποίηση λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας για την παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας

Βαραμογιάννη-Μαματσή, Δέσποινα; Varamogianni-Mamatsi, Despoina

dc.contributor.author	Βαραμογιάννη-Μαματσή, Δέσποινα	el
dc.contributor.author	Varamogianni-Mamatsi, Despoina	en
dc.date.accessioned	2020-04-15T12:24:03Z
dc.date.available	2020-04-15T12:24:03Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50190
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17888
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	Λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα	el
dc.subject	Lignocellulosic biomass	en
dc.subject	Προϊόντα προστιθέμενης αξίας	el
dc.subject	Γαλακτικό οξύ	el
dc.subject	Ωμέγα-3 λιπαρά οξέα	el
dc.subject	Προκατεργασία	el
dc.subject	High-added value products	en
dc.subject	Lactic acid	en
dc.subject	Omega-3 fatty acids	en
dc.subject	Pretreatment	en
dc.title	Αξιοποίηση λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας για την παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας	el
dc.title	Utilization of lignocellulosic biomass for the production of high-added value products	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βιοτεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-09-30
heal.abstract	Η λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα, η πιο άφθονη και ανανεώσιμη πηγή άνθρακα παγκοσμίως, έχει κεντρίσει ιδιαίτερα το ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοκαυσίμων και προϊόντων προστιθέμενης αξίας. Ωστόσο, η πολύπλοκη και σύνθετη δομή της συνιστά εμπόδιο στην άμεση βιομετατροπή και αξιοποίησή της. Η προκατεργασία αποτελεί το πρώτο βήμα για να ξεπεραστεί η πολυπλοκότητα και η ανθεκτικότητα της λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας, καθιστώντας την κυτταρίνη, ευάλωτη στην ενζυμική υδρόλυση. Κατά την ενζυμική υδρόλυση, τα υδατανθρακικά πολυμερή μετατρέπονται με τη δράση εξειδικευμένων ενζύμων σε μονομερή σάκχαρα, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τροφοδοσία για διάφορες ζυμώσεις. Οι ζυμώσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν είτε ταυτόχρονα με την ενζυμική υδρόλυση (SSF) είτε ξεχωριστά (SHF). Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας, όπως γαλακτικό οξύ και ω-3 λιπαρά οξέα μέσω ζύμωσης, από σάκχαρα προερχόμενα από ξύλο οξιάς και πεύκου. Τα δύο αυτά προϊόντα έχουν κεντρίσει ιδιαίτερα το ενδιαφέρον της παγκόσμιας αγοράς, λόγω των δυνητικών τους εφαρμογών στη βιομηχανία των τροφίμων ως συστατικά ή συμπληρώματα διατροφής. Όσον αφορά το γαλακτικό οξύ, πολλά υποσχόμενη είναι η εφαρμογή του ως μονομερές για την παραγωγή ενός βιοδιασπώμενου και βιοσυμβατού πολυμερούς, του πολύ-γαλακτικού οξέος (PLA). Όσον αφορά τα ω-3 λιπαρά οξέα, η παραγωγή εστιάζεται ως προς το εικοσιδυαεξαενοϊκό οξύ (22:6, DHA), λόγω των θεραπευτικών και ευεργετικών του ιδιοτήτων στην ανθρώπινη υγεία. Ως εκ τούτου, η εύρεση φθηνών, ανανεώσιμων πρώτων υλών για την παραγωγή τους καθίσταται μεγίστης σημασίας. Σε πρώτο στάδιο, ξύλο οξιάς και πεύκου υπέστη προκατεργασία με τη μέθοδο της ήπιας οργανολυτικής οξείδωσης, σε ένα εύρος διαλυτών και συνθηκών θερμοκρασίας, πίεσης οξυγόνου και χρόνου. Τα προκατεργασμένα υποστρώματα ελέγχθηκαν ως προς την ικανότητα υδρόλυσής τους, και συσχετίστηκε η επίδραση των διαφόρων συνθηκών προκατεργασίας στην απόδοση της σακχαροποίησης. Από αυτά, επιλέχθηκαν τα καλύτερα, ως δυνητικές πηγές άνθρακα για διεργασίες SSF και SHF, για την παραγωγή γαλακτικού οξέος και ω-3 λιπαρών αντίστοιχα. Σε δεύτερο στάδιο, τα καλύτερα υποστρώματα χρησιμοποιήθηκαν ως στερεή τροφοδοσία για διεργασία SSF παραγωγής γαλακτικού οξέος από το βακτήριο γαλακτικού οξέος Lactobacillus delbrueckii. Ύστερα από 168 ώρες επώασης σε αναερόβιες συνθήκες, 44℃, pH=5.0, συγκέντρωση στερεών 9% w/v, και ενζυμικό φορτίο 9 mg/g υποστρώματος, η υψηλότερη απόδοση γαλακτικού οξέος που επιτεύχθηκε ήταν 74,41% κ.β. από προκατεργασμένο υπόστρωμα οξιάς, με συγκέντρωση γαλακτικού οξέος 63,49 g/L, και 45,57 % κ.β. από προκατεργασμένο υπόστρωμα πεύκου, με συγκέντρωση γαλακτικού οξέος 40,06 g/L. Παράλληλα, σάκχαρα προερχόμενα από τα καλύτερα υποστρώματα χρησιμοποιήθηκαν ως υγρή τροφοδοσία για διεργασία SHF παραγωγής ω-3 λιπαρών οξέων από το ετερότροφο μικροφύκος Crypthecodinium cohnii. Το μικροφύκος ήταν ικανό να παράγει λιπαρά με 29,51% κ.β. DHA, με ανάπτυξη σε σάκχαρα προερχόμενα από υδρόλυση οξιάς. Σε ημιδιαλείποντος έργου διεργασία σε κωνικές φιάλες, παρατηρήθηκε ενίσχυση της παραγωγής του DHA κατά 47,8%, με ποσοστά DHA που άγγιξαν το 43,5% κ.β. των συνολικών λιπαρών. Περαιτέρω, μελετήθηκε η ικανότητα ανάπτυξης και παραγωγής λιπαρών σε καλλιέργειες με καθαρά σάκχαρα, όπου το μικροφύκος έδειξε προτίμηση ως προς τη γλυκόζη, με το DHA να αποτελεί το 34,88 ± 6,93% κ.β. των ολικών λιπαρών. Τα μικροφύκη ήταν ικανά να καταβολίζουν εκτός από τη γλυκόζη και άλλα σάκχαρα που υπάρχουν στη λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα (ξυλόζη, αραβινόζη, μαννόζη), ενώ μικρή ποσότητα λιγνίνης έδειξε να ευνοεί την ανάπτυξη του μικροφύκους. Η παρουσία φουρανίων ανέδειξε παρεμποδιστική δράση στην ανάπτυξη και παραγωγή λιπαρών. Τέλος, η μείωση της συγκέντρωσης του αζώτου στο θρεπτικό μέσο, μείωσε την κυτταρική ανάπτυξη αλλά διέγειρε τη λιποσυσσώρευση, με το DHA να συνιστά το 40,21% κ.β. των λιπαρών.	el
heal.abstract	Lignocellulosic biomass, the most abundant and renewable carbon source worldwide, has garnered a lot of interest as a raw material for the production of biofuels and other high-added value products through the past years. However, its complex and recalcitrant structure serves as an obstacle to its immediate bioconversion and utilization. Pretreatment stands to be the first step to overcome the complexity and recalcitrance of lignocellulosic biomass, rendering cellulose vulnerable to enzymatic hydrolysis. By this, specialized enzymes convert carbohydrate polymers into monomeric sugars, which can be further utilized as a feedstock for various fermentation processes. Fermentation can be either conducted simultaneously with enzymatic hydrolysis (SSF) or separately (SHF). The main purpose of this diploma thesis is the production of high-added value products, such as lactic acid and omega-3 fatty acids, through fermentation processes, by using softwood and hardwood derived sugars as a carbon source. These two products have been of particular interest to the world market, due to their potential applications in the food industry as ingredients or supplements. As far as lactic acid is concerned, its application as a monomer in the production of a biodegradable and biocompatible poly-lactate polymer, PLA, is highly promising. For omega-3 fatty acids, production is mainly focused on the docosahexaenoic acid (22: 6, DHA), due to its therapeutic and beneficial properties in human health. Therefore, finding cheap, renewable raw materials for their production is of paramount importance. As a first step, beech and pine wood solid pulps, pretreated by a mild oxidative organosolv method in a range of temperature, oxygen pressure and time conditions and in presence of different solvents, were tested for their enzymatic vulnerability. The correlation of various pretreatment parameters and the enzymatic hydrolysis yield was determined. Of these, those exhibiting efficient saccharification were selected as potential candidates to be tested as carbon sources for SSF and SHF processes of lactic acid and omega-3 fatty acid production, respectively. As a second step, the best substrates were used as a solid feedstock for the production of lactic acid by lactic acid bacteria Lactobacillus delbrueckii by employing a SSF process. After 168 hours of incubation under anaerobic conditions, 44 ℃, pH = 5.0, in a substrate concentration of 9% w / v and enzyme loading of 9 mg / g substrate, a yield of 74.41% w/w and a lactic acid concentration of 63.49 g / L was achieved, using pretreated beech wood as a substrate. As far as pretreated pine is concerned, a yield of 45.57 % w/w with a lactic acid concentration of 40.06 g / L was achieved. As a next step, best substrate derived sugars were used as liquid feedstock for the production of omega-3 fatty acids by the heterotrophic microalgae Crypthecodinium cohnii by employing a SHF process. The microalgae cells were able to produce lipids with a DHA content of 29.51% w/w when beech wood derived sugars were used as a carbon source. In a fed-batch process, DHA content of lipids was enhanced by 47.8% w/w, with lipids to consist of 43.5% w/w DHA. Furthermore, the growth and fatty acid production was investigated in batches using pure sugars. Microalgae seemed to prefer glucose as a carbon source, as DHA reached the 34,88 ± 6,93% w/w of total lipids. Except for glucose, the microalgae were capable of catabolizing other sugars present in lignocellulose biomass as well (xylose, arabinose, mannose), while low lignin concentration seemed to promote microalgae growth. Presence of furans seemed to inhibit cell growth and fatty acid production as well. Finally, a decrease in the nitrogen concentration in the medium reduced the cell growth but stimulated lipid accumulation, with DHA accounting for 40,21% w/w of total lipids.	en
heal.advisorName	Τόπακας, Ευάγγελος
heal.committeeMemberName	Κέκος, Δημήτριος
heal.committeeMemberName	Τσόπελας, Φώτιος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	148 σ.
heal.fullTextAvailability	false