Μελέτη της ενζυμικής μετατροπής της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας σε φρουκτόζη

Χαμπεσή, Πηνελόπη; Champesi, Pinelopi

dc.contributor.author	Χαμπεσή, Πηνελόπη	el
dc.contributor.author	Champesi, Pinelopi	en
dc.date.accessioned	2020-09-29T10:33:25Z
dc.date.available	2020-09-29T10:33:25Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51193
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18891
dc.rights	Default License
dc.subject	Lignocellulosic biomass	en
dc.subject	Biobased polymers	en
dc.subject	Fructose	en
dc.subject	Enzymatic hydrolysis	en
dc.subject	Cellulose	en
dc.title	Μελέτη της ενζυμικής μετατροπής της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας σε φρουκτόζη	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βιοτεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-02-24
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της παραγωγής φρουκτόζης από λινγινοκυτταρινούχο βιομάζα με διαφορετικές συστάσεις κυτταρίνης. Σε πρώτο στάδιο, μελετήθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες ενζυμικής υδρόλυσης της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας. Για την μελέτη αυτή έγιναν δύο σειρές πειραμάτων σε καθαρή πηγή κυτταρίνης σε ίδιες συνθήκες θερμοκρασίας και pH. Η πρώτη σειρά ήταν για διαφορετικό ενζυμικό φορτίο, από 5 έως 30 mg/g DM, και σταθερή συγκέντρωση στερεών (10% w/w), ενώ η δεύτερη για σταθερό ενζυμικό φορτίο (15 mg/g DM) και διαφορετική συγκέντρωση στερεών, από 6% w/w έως 16% w/w. Από τα παραπάνω πειράματα, η μεγαλύτερη τιμή που προέκυψε για την γλυκόζη ήταν 100.3 g/L για το ενζυμικό φορτίο 30 mg/g DM, όμως από τις αποδόσεις και την τιμή του ενζύμου θεωρήθηκε ως βέλτιστη τιμή ενζυμικού φορτίου η 15 mg/g DM. Όσον αφορά τη δεύτερη σειρά υδρολύσεων, η μέγιστη μετατροπή κυτταρίνης σε γλυκόζη βρέθηκε να είναι 72.9% και προέκυψε για 10% w/w συγκέντρωση στερεών με 15 mg/g DM συγκέντρωση ενζύμου . Ακολούθησαν πειράματα υδρόλυσης σε λιγνινοκυτταρινούχο βιομάζα διαφορετικής περιεκτικότητας σε κυτταρίνη, στις βέλτιστες συνθήκες που βρέθηκαν από την προηγούμενη μελέτη. Η μεγαλύτερη μετατροπή κυτταρίνης σε γλυκόζη προέκυψε για το υλικό Νο.17, που περιείχε κυτταρίνη σε ποσοστό 68.99% και επιτεύχθηκε μετατροπή ποσοστού 93.3% αλλά και το υλικό Νο.18, που περιείχε κυτταρίνη σε ποσοστό 76.6%, και επιτεύχθηκε μετατροπή ποσοστού 92.8%. Ωστόσο, καλύτερο όλων των υλικών θεωρήθηκε το Νο.25 διότι το ποσοστό κυτταρίνης που περιείχε ήταν περισσότερο από τα δύο παραπάνω υλικά (81.3%) και η μετατροπή της κυτταρίνης σε γλυκόζη που επιτεύχθηκε ήταν 84.3%. Όσον αφορά τα υλικά που είχαν υποστεί υδροθερμική προκατεργασία με 0.3% v/v οξικό οξύ (CH3COOH) και προκατεργασία με μίγμα ακετόνη-νερό σε θερμοκρασία 220 οC για 15 min, με νερό στους 170 οC για 180 min και με νερό στους 220 οC για 15 min δεν υδρολύθηκαν σε μεγάλο βαθμό, το οποίο θα μπορούσε να αποδοθεί στον τύπο προκατεργασίας που είχαν υποβληθεί. Στη συνέχεια, όσα υλικά είχαν μια ικανοποιητική απόδοση στο πείραμα της υδρόλυσης οδηγήθηκαν για ισομερείωση της γλυκόζης σε φρουκτόζη. Όμοια με παραπάνω, αν και τα υλικά Νο.17 και Νο.18, με προκατεργασία νερό-ΤΗF στους 160 οC και νερό-ακετόνη στους 160 οC αντίστοιχα, εμφανίζουν την μεγαλύτερη ποσοστιαία μετατροπή της κυτταρίνης σε φρουκτόζη (74.8% και 74.1% αντίστοιχα), περιέχουν λιγότερη κυτταρίνη συγκριτικά με το υλικό Νο.25, που έχει υποστεί προκατεργασία με νερό-αιθανόλη στους 175 οC, και η μετατροπή του σε φρουκτόζη είναι αρκετά ικανοποιητική (64%). Γι΄αυτό και το υλικό Νο.25 επιλέχθηκε για το πείραμα της υδρόλυσης σε μεγάλη κλίμακα, όπου η συγκέντρωση της γλυκόζης έφτασε την τιμή 162.3 g/L. Σε δεύτερο στάδιο, παράχθηκε μέσω ετερόλογης έκφρασης στη μεθυλότροφη ζύμη Pichia pastoris, μια ξυλανάση της οικογένειας 11 των γλυκοζιδικών υδρολασών από το μύκητα Fusarium oxysporum, με σκοπό να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ξυλοολιγοσακχαριτών από προκατεργασμένη βιομάζα. Μετά την παραγωγή του ενζύμου ακολούθησε υδρόλυση των προκατεργασμένων στελεχών και το υγρό κλάσμα που ήταν εμπλουτισμένο με τους ξυλοολιγοσακχαρίτες οδηγήθηκε σε σύστημα χρωματογραφίας εναλλαγής ανιόντων, όπου επαληθεύτηκε και η ύπαρξη τους.	el
heal.abstract	The aim of this diploma thesis is to examine the production of fructose from lignocellulosic biomass with different cellulose compositions. At first, two series of experiments were performed on pure cellulose source in order to find the optimum conditions for enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass. The first series was for different enzyme concentrations, from 5 to 30 mg/g DM, and specific solids concentration (10% w/w), while the second one was for specific enzyme concentration (15 mg/g DM) and different solids concentrations, from 6% w/w to 16% w/w. From the above experiments, the highest glucose concentration was 100.3 g/L for the enzyme concentration 30 mg/g DM. However, based on the hydrolysis yield and the cost of the enzyme, it is considered that the best enzyme concentration is 15 mg/g DM. For the second series, the maximum conversion of cellulose to glucose was found to be 72.9% and achieved when solids concentration was 10% w/w and enzyme concentration was 15 mg/g DM. Afterwards, enzymatic hydrolysis experiments were performed on lignocellulose biomass of different cellulose content, in the optimum conditions found from the previous study. The highest conversion of cellulose to glucose was 93.9% and occurred for material No. 17, which contained 69.0% cellulose, and also for the material No. 18, which contained 76.6% cellulose, was 92.8%. However, the best material was found to be No.25 as it contains higher percentage of cellulose (81.3%) and the conversion of cellulose to glucose was 84.3%. For the materials that were hydrothermally pretreated with 0.3% v/v acetic acid (CH3COOH) and with a mixture of acetone-water at 220 °C for 15 min, with water at 170 °C for 180 min and with water at 220 °C for 15 min the results of enzymatic hydrolysis were not satisfying, and it could be attributed to the type of pretreatment they have been submitted. The materials that had a satisfactory enzymatic hydrolysis yield was led to isomerization of glucose to fructose. Similar to the above, although materials No.17 and No.18, with water-THF pretreatment at 160 °C and water-acetone at 160 °C respectively, exhibit the highest percentage conversion of cellulose to fructose (74.8% and 74.1%, respectively) , they contain less cellulose than material No. 25, which has been pretreated with water-ethanol at 175 °C, and its conversion to fructose is satisfactory (64%). Therefore, material No.25 was found to be the best and selected for large-scale hydrolysis experiment, where the glucose concentration reached to 162.3 g/L. In a second step, a xylanase of the glycosidic hydrolase family 11 from Fusarium oxysporum (GH11) was produced by heterologous expression in Pichia pastoris, in order to be used for the production of xyloligosaccharides by pretreated biomass. After the production of the enzyme was finished, the pretreated corn stover underwent hydrolysis step. The xylooligosaccharides present it the liquid fraction were verified and identified by high performance anion exchange chromatography.	en
heal.advisorName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κέκος Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Παππά Αθηνά	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	110 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false