Αξιοποίηση υγρού κλάσματος προκατεργασίας λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας προς την παραγωγή ολιγοσακχαριτών με πρεβιοτική δράση

Αθανασόπουλος, Θεόδωρος; Athanasopoulos, Theodoros

dc.contributor.author	Αθανασόπουλος, Θεόδωρος	el
dc.contributor.author	Athanasopoulos, Theodoros	en
dc.date.accessioned	2020-10-26T14:40:52Z
dc.date.available	2020-10-26T14:40:52Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51631
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19329
dc.rights	Default License
dc.subject	Λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα	el
dc.subject	Lignocellulosic biomass,	en
dc.subject	Πρεβιοτικά	el
dc.subject	Ημικυτταρίνη	el
dc.subject	Οργανολυτική προκατεργασία	el
dc.subject	Ολιγοσακχαρίτες	el
dc.subject	Hemicellulose
dc.subject	Prebiotics	en
dc.subject	Organosolv pretreatment	en
dc.subject	Oligosaccharides	en
dc.title	Αξιοποίηση υγρού κλάσματος προκατεργασίας λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας προς την παραγωγή ολιγοσακχαριτών με πρεβιοτική δράση	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βιοτεχνολογία	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-10-07
heal.abstract	Lignocellulosic biomass is the most abundant and renewable carbon source on the planet. Its main components are cellulose, hemicellulose and lignin, with their amount varying depending on its main source. Cellulose consists of glucose monomers, while hemicellulose sugars comprise of a mixture of hexoses and pentoses. Significant progress has been made towards the utilization of lignocellulosic biomass for the production of biofuels, mostly ethanol, and many added value products from fermenting microorganisms, which are able to metabolize the monomeric sugars from the enzymatic hydrolysis of cellulose and hemicellulose. Recent studies focus on utilization of pretreatment liquid fraction of lignocellulosic biomass for the isolation of prebiotic substances that promote the growth of beneficial gut microbiota. However, due to lignocellulosic biomass’ complex structure, a pretreatment step is required in order to achieve efficient fractionation. Among the various pretreatment methods, organosolv pretreatment, that is pretreatment using organic solvents, gathers a lot of interest, since it’s able to efficiently separate the main components of lignocellulosic biomass while producing minimum amounts of toxic inhibitors. The main purpose of this diploma thesis is to evaluate the liquid fraction of the organosolv pretreatment for the presence of prebiotic oligosaccharides. At a time when health is a priority for most people, utilization of the abundant and cheap lignocellulosic biomass for the production of prebiotic oligosaccharides is of great importance. In the context of this thesis, the conditions of the organosolv pretreatment of beech wood and pine wood, i.e. the use of different organic solvents, pressure, temperature and reaction time, were evaluated in terms of the components of the liquid fraction. More specifically, monosaccharide and oligosaccharide amounts as well as oligosaccharides’ degree of polymerization were determined, along with the concentration of phenolic substances, acetic acid and glucuronic acid. Beech wood pretreatment that was carried out using a tetrahydrofurane and water mixture in a ratio of 1:1 for 120 minutes at a temperature of 150 oC under a pressure of 16 bar O2, led to maximum oligosaccharide production equal to 97.8 mg/g of initial biomass. Among pine wood samples, the highest oligosaccharide yield is equal to 60.9 mg/g of initial biomass and it was achieved using an ethanol and water mixture in a ratio of 1:1 for 120 minutes at a temperature of 175 oC under a pressure of 16 bar O2. Subsequently, xylanase GH30 enzymes (EC 3.2.1.8) were used in the liquid fraction that resulted from beech wood ethanol pretreatment to reduce the oligosaccharides’ degree of polymerization so they can be used for prebiotic tests in probiotic bacteria. The enzymatic reaction reduced xylotriose, xylotetraose, xylopentaose and xylohexaose concentrations, while significantly increasing xylobiose concentration after the first two hours.	en
heal.abstract	Η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα αποτελεί την πιο άφθονη και ανανεώσιμη πηγή άνθρακα στον πλανήτη. Τα βασικά συστατικά της είναι η κυτταρίνη, η ημικυτταρίνη και η λιγνίνη, με τις ποσότητές τους να ποικίλουν ανάλογα με την προέλευσή της. Η κυτταρίνη αποτελείται από μόρια γλυκόζης, ενώ η ημικυτταρίνη από ένα μίγμα εξοζών και πεντοζών. Σημαντικά βήματα έχουν γίνει για την αξιοποίηση της λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας προς την παραγωγή βιοκαυσίμων, κυρίως αιθανόλης, και διάφορων προϊόντων προστιθέμενης αξίας από ζυμωτικούς μικροοργανισμούς, οι οποίοι μεταβολίζουν τα σάκχαρα που έχουν προκύψει από την ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης και της ημικυτταρίνης. Τελευταία, μελετάται η εκμετάλλευση τόσο του στερεού, όσο και του υγρού κλάσματος της προκατεργασίας, για την παραγωγή πρεβιοτικών ουσιών που συμβάλλουν στην ανάπτυξη ευεργετικών μικροοργανισμών του εντέρου. Ωστόσο, λόγω της πολύπλοκης δομής της λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας, πρέπει να προηγηθεί προκατεργασία της, ώστε να επιτευχθεί αποδοτική κλασματοποίησή της στα τρία βασικά συστατικά. Μεταξύ των διαφόρων μεθόδων προκατεργασίας, η οργανολυτική προκατεργασία, δηλαδή η προκατεργασία με χρήση οργανικών διαλυτών, κατέχει ιδιαίτερη θέση, αφού διαχωρίζει αποτελεσματικά τα βασικά συστατικά της λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας, ενώ παράγονται μικρές ποσότητες τοξικών παρεμποδιστών. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αξιολόγηση του υγρού κλάσματος που έχει προκύψει από την οργανολυτική προκατεργασία λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας για την παρουσία ολιγοσακχαριτών με πιθανή πρεβιοτική δράση. Σε μια εποχή που η υγεία αποτελεί προτεραιότητα για την πλειονότητα των ανθρώπων, η εκμετάλλευση της άφθονης και φθηνής λιγνοκυτταρινούχου βιομάζας για την παραγωγή πρεβιοτικών ουσιών έχει μεγάλη σημασία. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, αξιολογήθηκαν οι συνθήκες της οργανολυτικής προκατεργασίας ξύλων οξιάς και πεύκου, δηλαδή η χρήση διαφορετικών οργανικών διαλυτών, πιέσεων, θερμοκρασιών και χρόνων αντίδρασης, ως προς τα συστατικά του υγρού κλάσματος. Πιο συγκεκριμένα, προσδιορίστηκε η ποσότητα των μονοσακχαριτών και των ολιγοσακχαριτών, ενώ το υγρό κλάσμα ελέγχθηκε για την παρουσία φαινολικών ενώσεων, οξικού οξέος και ουρονικών οξέων. Η προκατεργασία ξύλου οξιάς για 120 λεπτά με τη χρήση μίγματος τετραϋδροφουρανίου/νερού αναλογίας 1:1, σε θερμοκρασία 150 oC και σε πίεση 16 bar O2, οδήγησε στην απελευθέρωση της υψηλότερης ποσότητας ολιγοσακχαριτών στο υγρό κλάσμα, ίσης με 97.8 mg/g αρχικής βομάζας. Στα δείγματα πεύκου, η υψηλότερη ποσότητα προέκυψε από την προκατεργασία για 120 λεπτά με τη χρήση μίγματος αιθανόλης/νερού αναλογίας 1:1, σε θερμοκρασία 175 oC και σε πίεση 16 bar O2 και είναι ίση με 60.9 mg/g αρχικής βιομάζας. Στο υγρό κλάσμα που προέκυψε από την προκατεργασία ξύλου οξιάς με αιθανόλη, επιχειρήθηκε επιπλέον ενζυμική τροποποίηση με ξυλανάση (EC 3.2.1.8) της οικογένειας GH30 των γλυκοζυλ-υδρολασών για μείωση του βαθμού πολυμερισμού των περιεχόμενων ολιγοσακχαριτών, ώστε σε επόμενη φάση να χρησιμοποιηθούν για πρεβιοτικά τεστ σε προβιοτικά βακτήρια. Η δράση του ενζύμου οδήγησε στη μείωση των ολιγοσακχαριτών με βαθμό πολυμερισμού από 2 έως 6 μονάδες ξυλόζης και στη σημαντική αύξηση της συγκέντρωσης της ξυλοβιόζης μετά τις πρώτες δύο ώρες αντίδρασης.	el
heal.advisorName	Topakas, Evangelos	en
heal.committeeMemberName	Topakas, Evangelos	en
heal.committeeMemberName	Krokida, Magdalini	en
heal.committeeMemberName	Mamma, Diomi	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	84 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false