Αξιοποίηση λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας για την παραγωγή φρουκτόζης και 5-υδροξυμεθυλοφουρφουράλης

Αποστολοπούλου, Μαρία-Δάφνη; Apostolopoulou, Maria-Dafni

dc.contributor.author	Αποστολοπούλου, Μαρία-Δάφνη	el
dc.contributor.author	Apostolopoulou, Maria-Dafni	en
dc.date.accessioned	2022-01-18T19:30:15Z
dc.date.available	2022-01-18T19:30:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54360
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22058
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	Λιγνινοκυτταρινούχος βιομάζα	el
dc.subject	Φρουκτόζη	el
dc.subject	5-υδροξυμεθυλοφουρφουράλη	el
dc.subject	Βιοκαταλυτικές μέθοδοι	el
dc.subject	Βιοπολυμερή	el
dc.subject	Lignocellulosic biomass	en
dc.subject	Fructose	en
dc.subject	5-hydroxymethylfurfural	en
dc.subject	Biocatalytic methods	en
dc.subject	Biopolymers	en
dc.title	Αξιοποίηση λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας για την παραγωγή φρουκτόζης και 5-υδροξυμεθυλοφουρφουράλης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βιομηχανική Βιοτεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-10-07
heal.abstract	Ο σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η αξιοποίηση της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας για την βιοχημειοκαταλυτική παραγωγή φρουκτόζης και 5-υδροξυμεθυλοφουρφουράλης (HMF), τα οξειδωτικά παράγωγα της οποίας μπορούν να λειτουργήσουν ως βασικές δομικές ενώσεις για την παραγωγή σημαντικών προϊόντων, μεταξύ των οποίων και βιοπολυμερών. Αρχικά, μελετήθηκε η αποδοτικότητα της ήπιας οξειδωτικής προκατεργασίας λιγνινοκυτταρινούχων υλικών με οργανικούς διαλύτες ως προς τη χρήση διαφορετικών διαλυτών/καταλυτών και διαφορετικών συνθηκών. Γι΄αυτόν τον λόγο πραγματοποιήθηκαν αρχικά πειράματα ενζυμικών υδρολύσεων προκειμένου από την κυτταρίνη των υλικών να παραχθεί γλυκόζη και στη συνέχεια πειράματα ενζυμικών ισομερειώσεων ώστε η παραγόμενη γλυκόζη να μετατραπεί σε φρουκτόζη. Με βάση τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων συγκρίθηκαν τα προκατεργασμένα υλικά και αξιολογήθηκε η αποδοτικότητα της κάθε προκατεργασίας. Ειδικότερα, μεταξύ των προκατεργασμένων υλικών οι υψηλότερες μετατροπές κυτταρίνης σε γλυκόζη και τα υψηλότερα κλάσματα g φρουκτόζης ανά 100 g προκατεργασμένης βιομάζας επιτεύχθηκαν από υλικά οξιάς που είχαν προκατεργαστεί με ισοβουτανόλη σε υψηλότερη θερμοκρασία (175 ℃) για 60 και 120 min και παρουσίασαν 87.5% και 84.2% μετατροπή κυτταρίνης σε γλυκόζη και παραγωγή 61.2 και 65.7 g φρουκτόζης ανά 100 g προκατεργασμένης βιομάζας, αντίστοιχα. Η προκατεργασία στην επίσης υψηλή θερμοκρασία των 160 ℃ για 120 min με χρήση ισοβουτανόλης, επέφερε και αυτή υψηλή μετατροπή κυτταρίνης σε φρουκτόζη (81.2%) και παραγωγή 57.0 g φρουκτόζης ανά 100 g προκατεργασμένης βιομάζας. Επίσης, σε χαμηλότερη θερμοκρασία (150 ℃) και απουσία κάποιου στερεού μεταλλικού καταλύτη ξεχώρισε για την αποδοτικότητά του ως διαλύτης της προκατεργασίας το τετραϋδροφουράνιο και από τους στερεούς μεταλλικούς καταλύτες ο καταλύτης Fe3MO12OP με τον οποίο πραγματοποιήθηκαν υψηλές μετατροπές κυτταρίνης σε γλυκόζη (80.3 % με χρήση ακετόνης και 81.0% με χρήση ισοβουτανόλης ως διαλύτη). Η χρήση του καταλύτη Cu3MO12OP επέφερε κάποια ικανοποιητικά αποτελέσματα στην αποδοτικότητα της προκατεργασίας, ενώ ο καταλύτης POM αποδείχτηκε λιγότερο αποδοτικός. Επίσης, επιχειρήθηκε να προκατεργαστούν στελέχη αραβοσίτου με τη χρήση μικροκυμάτων και νερού ή οργανικών διαλυτών σε διαφορετικές θερμοκρασίες και για διαφορετικούς χρόνους προκατεργασίας. Τα αποτελέσματα των υδρολύσεων για αυτά τα υλικά έδειξαν χαμηλές τελικές συγκεντρώσεις γλυκόζης μέχρι 35.4 g/L με τη χρήση νερού και 14.5 g/L με τη χρήση αιθανόλης. Από τη μία, η επιλογή του νερού ως διαλύτη αναμενόταν να επιφέρει χαμηλές συγκεντρώσεις γλυκόζης καθώς με το νερό δεν απομακρύνεται το κλάσμα της λιγνίνης, από την άλλη η χρήση αιθανόλης ως διαλύτη δεν πέτυχε υψηλές συγκεντρώσεις γλυκόζης πιθανόν εξαιτίας της απώλειας διαλύτη από το φιαλίδιο (vial) κατά την προκατεργασία και των μικρών χρόνων προκατεργασίας που επιλέχτηκαν. Στη συνέχεια, εξετάστηκε η αφυδάτωση της φρουκτόζης σε HMF με τη χρήση όξινων ομογενών καταλυτών. Για τη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκε προκατεργασμένο λιγνινοκυτταρινούχο υλικό από ξύλο οξιάς και πραγματοποιήθηκαν δύο στάδια υδρολύσεων, μια μεγαλύτερης και μια μικρότερης κλίμακας, για την παραγωγή υψηλής συγκέντρωσης γλυκόζης, ακολουθούμενα από ένα στάδιο ισομερείωσης της παραγόμενης γλυκόζης. Μετά το πέρας των πειραμάτων αυτών παράχθηκαν 129.6 g/L αναγωγικών σακχάρων (104.5 g/L φρουκτόζης και 25 g/L γλυκόζης). Για την αποτελεσματική χημική αφυδάτωση της παραγόμενης φρουκτόζης χρησιμοποιήθηκαν όξινοι ομοιογενείς καταλύτες, από τους οποίους ξεχώρισε το φορμικό οξύ με τη μεγαλύτερη απόδοση HMF (44.6%). Τέλος, επιχειρήθηκε να παραχθεί το ένζυμο οξειδάση της γαλακτόζης από τον Fusarium oxysporum προκειμένου να μελετηθεί η οξειδωτική του δράση στο HMF για την παραγωγή σημαντικών προϊόντων, όπως DFF, HMFCA, FFCA και FDCA. Το πρώτο στάδιο αυτής της διαδικασίας δεν ολοκληρώθηκε επιτυχώς, καθώς κατά τον μετασχηματισμό των κυττάρων E.coli με το πλασμίδιο έκφρασης pPICZ(alpha) C που έφερε το γονίδιο της οξειδάσης της γαλακτόζης, οι καλλιέργειες των κυττάρων στα τρυβλία δεν αναπτύχθηκαν. Δοκιμάστηκαν πολλοί διαφορετικοί τρόποι αντιμετώπισης αυτού του προβλήματος, εστιάζοντας περισσότερο σε τροποποιήσεις κατά τη διαδικασία της πέψης (digestion) και του ligation, μεταξύ των οποίων ήταν η αντικατάσταση των περιοριστικών ενζύμων και της λιγάσης με καινούργια, η χρήση διαφορετικών αναλογιών περιοριστικών ενζύμων κατά το στάδιο της πέψης και η σταδιακή προσθήκη τους, η αύξηση του χρόνου πέψης και η εφαρμογή τη μεθόδου λυοφιλίωσης (freeze-drying) για την παραλαβή υψηλότερης συγκέντρωσης πλασμιδίου και γονιδίου. Παρά τις διάφορες δοκιμές δεν κατέστη εφικτό σε καμία περίπτωση να προχωρήσει η διαδικασία, οπότε η αιτία του προβλήματος πιθανόν να οφείλεται σε κάποια μετάλλαξη στα άκρα του γονιδίου που δημιουργείται από το προηγούμενο στάδιο του μετασχηματισμού των κυττάρων E.coli με το πλασμίδιο πολλαπλασιασμού PCR Blunt που έφερε το γονίδιο.	el
heal.abstract	The purpose of this diploma thesis is the valorization of lignocellulosic biomass for the bio- and chemo-catalytic production of fructose and 5-hydroxymethylfurfural (HMF), whose oxidative derivatives can function as bio-based platform chemicals for the production of important compounds, including biopolymers. The first part of the thesis examined the efficiency of mild oxidative pretreatment of lignocellulosic materials with organic solvents in terms of different solvents / catalysts and different conditions used. For this reason, experiments of enzymatic hydrolysis were carried out for the production of glucose from the cellulose of lignocellulosic materials and then experiments of enzymatic isomerizations were performed in order to convert the produced glucose into fructose. Each pretreatment was evaluated for its efficiency based on the results of these experiments. In particular, the highest conversions of cellulose to glucose and the highest fructose production were obtained from pretreated beechwood materials with isobutanol as solvent at a higher temperature (175 ℃) for 60 min and 120 min and reached 87.5% and 84.2% conversion of cellulose to glucose and production of 61.2 and 65.7 g of fructose per 100 g of pretreated biomass, respectively. The pretreatment at the high temperature of 160 ℃ for 120 min using isobutanol, also resulted in a high conversion of cellulose to fructose (81.2%) and production of 57.0 g of fructose per 100 g of pretreated biomass. Moreover, at a lower temperature (150 ℃) and in the absence of a solid metal catalyst, tetrahydrofuran stood out for its efficiency as a solvent and from the solid metal catalysts the Fe3MO12OP catalyst performed high cellulose conversions (80.3% using acetone and 81.0% using isobutanol as solvent). The use of the Cu3MO12OP catalyst gave some satisfactory results regarding the pretreatment efficiency, while the POM catalyst proved to be less effective. Microwave pretreatment of corn stover materials using water or organic solvents was also attempted at different temperatures and for different pretreatment times. The results of the enzymatic hydrolysis of these materials showed low glucose concentrations up to 35.4 g/L using water and 14.5 g/L using ethanol. On the one hand, the choice of water as a solvent was expected to result in low glucose concentrations as water does not remove the lignin fraction and on the other hand, using ethanol as a solvent did not achieve high glucose concentrations probably due to solvent loss from the vial during pretreatment and the short pretreatment times selected. Dehydration of fructose in HMF was then studied using acid homogeneous catalysts. Pretreated beechwood material was used for a larger scale hydrolysis followed by a smaller hydrolysis to produce high concentration of glucose and a concentrated fructose syrup was obtained from the isomerization of the produced glucose. At the end of the hydrolysis and isomerization steps, 129.6 g/L of reducing sugars (104.5 g/L fructose and 25 g/L glucose) were produced. For the efficient dehydration of fructose, acid homogeneous catalysts were used, from which the formic acid showed the highest HMF yield (44.6%). In the last part of the thesis it was attempted to produce the enzyme galactose oxidase from Fusarium oxysporum in order to study its oxidative activity in HMF for the production of important products, such as DFF, HMFCA FFCA and FDCA. The first stage of this process was not successfully completed, because during the transformation of E.coli cells with the expression plasmid pPICZ(alpha) C carrying the galactose oxidase gene, the cell cultures in the plates did not grow. Many different ways to overcome this obstacle have been tried, focusing on modifications during digestion and ligation, including the replacement of restriction enzymes and ligase with new ones, the use of different proportions of restriction enzymes during the stage of digestion and their gradual addition in the reaction, the increase of digestion time and the application of the freeze-drying method to obtain a higher plasmid and gene concentration. Despite the various tests, it was never possible to proceed from this step, so the problem was probably caused from a mutation in the ends of the gene created by the previous stage of E.coli cell transformation with the PCR Blunt amplification plasmid who carried the gene.	en
heal.advisorName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Μαμμά, Διομή	el
heal.committeeMemberName	Μαρούλης, Ζαχαρίας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	98 σ	el
heal.fullTextAvailability	false