Ενζυμική υδρόλυση υδροθερμικά προακτεργασμένης βαγάσσης σόργου με χρήση μίγματος των εμπορικών συσκευασμάτων Celluclast 1.5 L και Novozyme 188

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των συνθηκών της υδροθερμικής προκατεργασίας βαγάσσης σόργου και η ενζυμική υδρόλυση του προκατεργασμένου υλικού. Το γλυκό σόργο θεωρείται εξαιρετική π’ρωτη ύλη για την παραγωγή βιοαιθανόλης, λόγω των υψηλών αποδόσεών του σε βιομάζα και του υψηλού ποσοστού άμεσα ζυμώσιμων σακχάρων (9-25%) του χυμού του. Το στερεό υπόλειμμα της εκχύλισης των σακχάρων του γλυκού σόργου, η βαγάσση σόργου (SΒ), είναι πλούσιο σε κυτταρίνη (40%) και ημικυτταρίνη. Αρχικά η βαγάσση σόργου προκατεργάστηκε υδροθερμικά σε θερμοκρασία 1800 C για 10 min παρουσία διαφορετικών συγκεντρώσεων NaOH (0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 και 1.0 g/100 g βαγάσσης). Ακολούθησε υδρόλυση (α) της προκατεργασμένης βαγάσσης παρουσία της υγρής φάσης και (β) του στερεού υπολείμματος της προκατεργασίας. Η υδρόλυση έγινε με χρήση μίγματος εμπορικών σκευασμάτων Celluclast 1.5L και Novozyme 188 (ενεργότητα ολικής κυτταρινάσης 10 FPU/g βαγάσσης σόργου) και για συγκέντρωση υποστρώματος 8%, β/ο. Προέκυψε ότι η βέλτιστη συγκέντρωση προσθέτου NaOH είναι 1% β/β και ότι η υδρόλυση του στερεού υπολείμματος της προκατεργασίας είναι πιο αποδοτική από ότι η υδρόλυση προκατεργασμένης βαγάσσης παρουσία υγρής φάσης. Ακολούθησε μελέτη της συνδυασμένης επίδρασης του χρόνου και της θερμοκρασίας προκατεργασίας με τη βοήθεια του Σύνθετου Πειραματικού Σχεδιασμού με Πλαισίωση Αστέρα (Box-Wilson Central Composite Design). To εύρος τιμών θερμοκρασίας ήταν 157-2130 C και οι χρόνοι προκατεργασίας κυμάνθηκαν από 8-22 min . Το στάδιο της ενζυμικής υδρόλυσης για τις συνολικές αναγωγικές ομάδες φαίνεται να επηρεάζεται περισσότερο από την θερμοκρασία προκατεργασίας ενώ η γλυκόζη φαίνεται να επηρεάζεται και τους δυο παράγοντες(χρόνος, θερμοκρασία). Τέλος πραγματοποιήθηκε «συμβατική» αλκαλική προκατεργασία της βαγάσσης σόργου στους 1200 C για 30 min με διαφορετικές συγκεντρώσεις αλκάλεως (1.0, 4.0 και 10.0 g/100 g βαγάσσης), ακολουθούμενη από υδρόλυση του στερεού υπολείμματος. Οι μέγιστες τιμές απελευθέρωσης συνολικών αναγωγικών ομάδων και γλυκόζης επετεύχθησαν για συγκέντρωση NaOH 10% β/β.

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των συνθηκών της υδροθερμικής προκατεργασίας βαγάσσης σόργου και η ενζυμική υδρόλυση του προκατεργασμένου υλικού. Το γλυκό σόργο θεωρείται εξαιρετική π’ρωτη ύλη για την παραγωγή βιοαιθανόλης, λόγω των υψηλών αποδόσεών του σε βιομάζα και του υψηλού ποσοστού άμεσα ζυμώσιμων σακχάρων (9-25%) του χυμού του. Το στερεό υπόλειμμα της εκχύλισης των σακχάρων του γλυκού σόργου, η βαγάσση σόργου (SΒ), είναι πλούσιο σε κυτταρίνη (40%) και ημικυτταρίνη. Αρχικά η βαγάσση σόργου προκατεργάστηκε υδροθερμικά σε θερμοκρασία 1800 C για 10 min παρουσία διαφορετικών συγκεντρώσεων NaOH (0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 και 1.0 g/100 g βαγάσσης). Ακολούθησε υδρόλυση (α) της προκατεργασμένης βαγάσσης παρουσία της υγρής φάσης και (β) του στερεού υπολείμματος της προκατεργασίας. Η υδρόλυση έγινε με χρήση μίγματος εμπορικών σκευασμάτων Celluclast 1.5L και Novozyme 188 (ενεργότητα ολικής κυτταρινάσης 10 FPU/g βαγάσσης σόργου) και για συγκέντρωση υποστρώματος 8%, β/ο. Προέκυψε ότι η βέλτιστη συγκέντρωση προσθέτου NaOH είναι 1% β/β και ότι η υδρόλυση του στερεού υπολείμματος της προκατεργασίας είναι πιο αποδοτική από ότι η υδρόλυση προκατεργασμένης βαγάσσης παρουσία υγρής φάσης. Ακολούθησε μελέτη της συνδυασμένης επίδρασης του χρόνου και της θερμοκρασίας προκατεργασίας με τη βοήθεια του Σύνθετου Πειραματικού Σχεδιασμού με Πλαισίωση Αστέρα (Box-Wilson Central Composite Design). To εύρος τιμών θερμοκρασίας ήταν 157-2130 C και οι χρόνοι προκατεργασίας κυμάνθηκαν από 8-22 min . Το στάδιο της ενζυμικής υδρόλυσης για τις συνολικές αναγωγικές ομάδες φαίνεται να επηρεάζεται περισσότερο από την θερμοκρασία προκατεργασίας ενώ η γλυκόζη φαίνεται να επηρεάζεται και τους δυο παράγοντες(χρόνος, θερμοκρασία). Τέλος πραγματοποιήθηκε «συμβατική» αλκαλική προκατεργασία της βαγάσσης σόργου στους 1200 C για 30 min με διαφορετικές συγκεντρώσεις αλκάλεως (1.0, 4.0 και 10.0 g/100 g βαγάσσης), ακολουθούμενη από υδρόλυση του στερεού υπολείμματος. Οι μέγιστες τιμές απελευθέρωσης συνολικών αναγωγικών ομάδων και γλυκόζης επετεύχθησαν για συγκέντρωση NaOH 10% β/β.

The purpose of this thesis is to study the conditions of the hydrothermally pretreatment of sorghum bagasse and the enzymatic hydrolysis of this pretreated material. The sweet sorghum is considered an excellent raw material for producing bioethanol because of its high yields of biomass and for the high percentage of directly fermentable sugars (9-25%) of its juice. The solid residue of the extraction of the sugars from the sweet sorghum is bagasse sorghum (SB), which is rich in cellulose and hemicellulose. Initially, sorghum bagasse pretreated hydrothermally at temperature of 1800 C for 10 min, in the presence of different concentrations of NaOH. This procedure followed by the hydrolysis of (a)the pretreated sorghum bagasse in the presence of liquid phase and (b) the hydrolysis of the solid residue of the pretreatment. The hydrolysis carried out using a mixture of commercial formulations of Celluclast 1.5 L and Novozyme 188 (total activity of cellulose 10 FPU/g bagasse sorghum) and the concentration of the substrate was 8% w/w. Appeared that the best concentration of the NaOH is 1% w/w and that the hydrolysis of the solid residue of the pretreatment is more efficient than the hydrolysis of the pretreated sorghum bagasse with the presence of liquid phase. Furthermore, took place the study of the combined effect of time and temperature of the pretreatment, with the help of the Box-Wilson Composite Design. The temperature ragne was 157-2130 C and the time ranged was 8-22 minutes. The process of the enzymatic hydrolysis of the total reductive sugar groups appear to be affected more by the pretreatment temperature while glucose appear to be affected by both factors (time, temperature). Finally, was held a «conventional» alkaline pretreatment of sorghum bagasse at temperature of 1200C for 30 minutes, with different concentrations of alkali, followed by hydrolysis of the solid residue. The maximum release of total reductive sugar groups and glucose was achieved for concentration of NaOH 10% w/w.