Αξιολόγηση της κυτταρικής βιομάζας και του ενζυμικού συστήματος του μύκητα Fusarium oxysporum στην ενοποιημένη διεργασία παράγωγης βιοαιθανόλης από υδροθερμικά προκατεργασμένο άχυρο

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο βιοτεχνολογίας, της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου από τον Μάρτιο του 2011 έως και τον Νοέμβριο του 2011. Σκοπός της εργασίας ήταν η ανάπτυξη του μύκητα Fusarium oxysporum σε αντιδραστήρα βυθισμένης καλλιέργειας και η ταυτόχρονη παραγωγή λιγνινοκυτταρινολυτικών ενζύμων, η παραγωγή κυττάρων του καθώς και η μελέτη της επίδρασης του μύκητα στην ζύμωση του προϋδρολυμένου και προκατεργασμένου αχύρου(PPWS) (με τη χρήση ενζύμων ή κυττάρων ή και των δύο μαζί) για την παραγωγή αιθανόλης. Η ανάπτυξη του μύκητα έγινε σε αναδευόμενο βιοαντιδραστήρα βυθισμένης καλλιέργειας 20 λίτρων (λειτουργικός όγκος 16 λίτρα). Οι ενεργότητες των λιγνινοκυτταρινούχων ενζύμων που παράχθηκαν από την καλλιέργεια ήταν στα αναμενόμενα επίπεδα. Πραγματοποιήθηκε προϋδρόλυση του αχύρου σιταριού με τη χρήση εμπορικών ενζύμων με σκοπό την διάσπαση της δομής της κυτταρίνης και της ημικυτταρίνης του αχύρου ώστε να επιτευχθεί η απελευθέρωση σακχάρων (ολιγοσακχαριτών).Έγινε μέτρηση του ιξώδες του αρχικού και του τελικού μίγματος και παρατηρήθηκε μείωση από τα 10000cP στα 3000 cP . Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ζύμωση του προϋδρολυμένου αχύρου με τη χρήση των ενζύμων από τον αντιδραστήρα και τον μύκητα Fusarium oxysporum. Τα ένζυμα βοήθησαν στην περαιτέρω υδρόλυση της κυτταρίνης ώστε η ζύμη (Saccharomyces cerevisiae ) και ο Fusarium oxysporum να έχουν τη δυνατότητα να μεταβολίσουν περισσότερα σάκχαρα σε αιθανόλη. Τα αποτελέσματα παραγωγής αιθανόλης ήταν ικανοποιητικά σε αντίθεση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα του επόμενου πειράματος που διεξήχθη με την ακριβώς ίδια πειραματική διαδικασία αλλά αντί για τα ένζυμα από τον αντιδραστήρα χρησιμοποιήθηκαν τα κύτταρα του Fusarium oxysporum. Τέλος διεξήχθη η μελέτη του μύκητα Fusarium oxysporum στη ζύμωση του PPWS με τη χρήση ενζύμων και κυττάρων και έγινε δύο παραγόντων-δύο επιπέδων επιφανειακή ανάλυση και παρατηρήθηκε μια γραμμική θετική επίδραση στη ζύμωση και αύξηση της παραγωγής αιθανόλης με κύριο παράγοντα συμβολής σε αυτό τα ένζυμα. Αυτή η ανάλυση εκπροσωπείται από μία εξίσωση της μορφής: EtOH (g/L)= 43,3475 + 1,3285*FPU/g DM + 0,1179*Cells (mg/gDM).

The thesis research was conducted in the Laboratory of Biotechnology, in the School of Chemical Engineering, National Technical University from March 2011 until November 2011. The purpose of this study was the development of the fungus Fusarium oxysporum in submerged culture reactor and the simultaneous production of lignocellulosic enzymes and cells and the study of the effect of the fungus in fermentation of pretreated and prohydrolysed straw (PPWS) (using enzymes or cells or both) to produce ethanol. The development of the fungus was conducted in a submerged culture shaking bioreactor of 20 liters (16 liters operating volume). The activity of lignocellulosic enzymes produced by the crop was at expected levels. The aim of th prohydolisis of wheat straw by using commercial enzymes was to break the structure of cellulose and hemicellulose of the straw and to obtain the release of sugars. By measuring the viscosity of the initial and the final mixture we commented the decrease from 10000cP to 3000 cP. Then the fermentation of prohydrolysed straw was placed by using enzymes from the reactor and the fungus Fusarium oxysporum. Enzymes help to a further hydrolysis of cellulose to the yeast (Saccharomyces cerevisiae) .Fusarium oxysporum has the ability to metabolise more sugar into ethanol. The results of ethanol production were satisfactory in contrast with the corresponding results of subsequent experiments based on the identical experimental procedure but instead of the enzymes from the reactor we used the cells of Fusarium oxysporum. In the study of the fungus Fusarium oxysporum during the fermentation of PPWS using enzymes and cells ,we applied the two-factor-two-level response surface analysis (Factorial Experimental Design)and we observed positive linear effects on growth and fermentation of ethanol production with the main contributor,the enzymes. This analysis is represented by the following equation: EtOH (g / L) = 43,3475 + 1,3285 * FPU / g DM + 0,1179 * Cells (mg / gDM)