Βελτιστοποίηση της ταυτόχρονης υδρόλυσης και ζύμωσης (SSF) του υδροθερμικά κατεργασμένου και ρευστοποιημένου αχύρου σίτου με χρήση του μύκητα Fusarium oxysporum

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Βιοτεχνολογίας, της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου από τον Φεβρουάριο του 2013 έως και τον Ιούνιο του 2013. Σκοπός της εργασίας ήταν η μελέτη της επίδρασης των κυττάρων και των ενζύμων του μύκητα Fusarium οxysporum στην ζύμωση του προϋδρολυμένου και προκατεργασμένου αχύρου(PPWS) 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 από τη βιβλιογραφία 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) 27-35 g/L αναγωγικά σάκχαρα. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ζύμωση με ταυτόχρονη υδρόλυση (SSF) του προϋδρολυμένου αχύρου με χρήση κυττάρων και ενζύμων του F. οxysporum, εμπορικών ενζύμων Celluclast 1,5L – Novozyme 188 και ζύμης Saccharomyces cerevisiae σε διαφορετικά ποσοστά ξηρής μάζας και με διαφορετικό ενζυμικό φορτίο σε κάθε πείραμα. Τα ένζυμα προστέθηκαν προκειμένου να βοηθήσουν στην περαιτέρω υδρόλυση της κυτταρίνης ώστε ο εκάστοτε μικροοργανισμός (ζύμη ή μύκητας) να έχει τη δυνατότητα να μεταβολίσει περισσότερα σάκχαρα σε αιθανόλη. Η δράση των ενζύμων του F. οxysporum βρέθηκε ικανοποιητική και σε κάποια πειράματα προσέγγισε την δράση των εμπορικών ενζύμων Celluclast 1,5L – Novozyme 188. Τα κύτταρα του F. οxysporum παρήγαγαν μέχρι 2% w/w αιθανόλη, ενώ ζυμώσεις σε υψηλό ποσοστό ξηρής μάζας με ταυτόχρονη παρουσία κυττάρων S. cerevisiae και F. οxysporum παρουσίασαν τη μέγιστη παραγωγή αιθανόλης, ίση με 3,5% w/w. Συνολικά, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η παραγωγή αιθανόλης αυξάνεται με αύξηση του ποσοστού της ξηρής μάζας του μίγματος που πρόκειται να ζυμωθεί, αύξηση του ενζυμικού φορτίου και συνεργιστική δράση της ζύμης S. cerevisiae και του μύκητα F. οxysporum.

This thesis was carried out in the Biotechnology laboratory of the Faculty of Chemical Engineering, in the National Technical University of Athens, between February and June 2013. The scope of this thesis is to study the effects of cells and enzymes of the fungus F. oxysporum on fermentation of liquefied pretreated wheat straw (PPWS) for bioethanol production. The fungus growth took place in a 20L batch bioreactor with operational volume of 16 litres and the maximum activities of lignocellulosic enzymes produced were equal to the expected ones. Commercial enzymes were used, during the liquefaction of lignocellulosic biomass, to perform the hydrolysis of cellulose and hemicellulose, in order to release additional sugars available for fermentation (27-35g/L reducing sugars). After the liquefaction of wheat straw, a process of simultaneous saccharification and fermentation (SSF) of pentoses and hexoses took place. The SSF was performed by fungus F. oxysporum and yeast S. cerevisiae separately, using two kinds of enzymes: a) F. oxysporum enzymes and b) commercial enzymes Celluclast 1,5L – Novozyme 188 in different rates of dry matter content. The purpose of the use of lignocellulosic enzymes was to release sugars for further fermentation. The performance of F. oxysporum enzymes was comparable to that of commercial ones. F. οxysporum cells produced up to 2% w/w bioethanol, whereas SSF with higher dry matter and both F. οxysporum and S. cerevisiae, resulted in higher bioethanol production equal to 3,5% w/w. Overall results showed that higher dry matter along with higher enzymatic content and cooperation of yeast and fungus lead to higher bioethanol production.