Major substratesforbiotechnologicalproductionof Biopolymers, biofuels and biochemicals: Industrial producersof Wastestreams: Dairy Industry: Whey

Transcript

1 Βασικές επισηµάνσεις Ύπαρξη σηµαντικών οικολογικών επιχειρηµάτων για την προώθηση της «Λευκής Βιοτεχνολογίας» (Global Warming, Greenhouse effect) Η διακήρυξη του Ρίο για το Περιβάλλον και την Ανάπτυξη (Ιούνιος 1992) αναφέρεται στην αναγκαιότητα υιοθέτησης εναλλακτικών αειφόρων προσεγγίσεων Άρθρο 4: «Για να επιτευχθεί αειφόρος ανάπτυξη θα πρέπει η προστασία του περιβάλλοντος να αποτελέσει βασικό τµήµα της αναπτυξιακής πορείας και δεν µπορεί να πραγµατοποιείται ανεξάρτητα από αυτήν» Οι ολοένα αυξανόµενες τιµές των ορυκτών καυσίµων εγείρουν το ζήτηµα της οικονοµικής αναγκαιότητας για την προώθηση τεχνολογιών που θα οδηγήσουν στη σταδιακή απεξαρτοποίηση από τη χρήση τους Βασικός περιορισµός για την εφαρµογή της «Λευκής Βιοτεχνολογίας» είναι το κόστος των πρώτων υλών Λύση αποτελεί η αξιοποίηση των γεωργικών, δασικών και αγρο-διατροφικών αποβλήτων και παραπροϊόντων για την παραγωγή προϊόντων προστιθέµενης αξίας (π.χ. τροφίµων, βιοπολυµερών, βιοχηµικών, βιοκαυσίµων)

2 Πιθανά τελικά προϊόντα από τη βιοµετατροπή γεωργικών, δασικών και αγρο-βιοµηχανικών αποβλήτων και παραπροϊόντων µέσω διαδικασιώ ιών «Λευκής Βιοτεχνολογίας» (Koller et al. 2008) Polyhydroxyalkanoates or PHAs are linear polyesters produced in nature by bacterial fermentation of sugar or lipids Poly(lactic acid) or polylactide (PLA) is a thermoplastic aliphatic polyester derived from renewable resources by bacterial fermentation Major substratesforbiotechnologicalproductionof Biopolymers, biofuels and biochemicals: Industrial producersof Wastestreams: Biopolymers (PHA, PLA) Biofuels (Bioethanol, Biodiesel) Biochemicals (Fine chemicals, Organic acids, Antibiotics, Aromatics, Surfactants, Solvents, Chiral Synthons) Catalytically active BiomassforProductionof Biopolymers, Biofuelsand Biochemicals Monosaccharides:Glucose, Galactose, Fructose, Xylose, Arabinose Disaccharides:Sucrose, Lactose, Maltose, Cellobiose Polysaccharides:Starch, Cellulose, Lignocellulose Organic acids Alkohols: Glycerol, Methanol Lipids Proteinaceous materials (Peptides) Dairy Industry: Whey Sugar cane industry: Molasses, Bagasse Wood processingindustry, Paper Industry Additional agricultural branches (e.g. straw from rice, mais etc., olive oil production, palm oil industry, sugar beet industry) Biodiesel production: raw glycerol phase, low-quality biodiesel fractions Slaughterhouses and Rendering Industry: Meat- and Bone Meal, slaughter wastes 2

3 Βραζιλία: Ενσωµάτωση της παραγωγής βιοκαυσίµων και βιοπολυµερών στη βιοµηχανία παραγωγής ζάχαρης: Τρέχουσα και µελλοντική αξιοποίηση των σχετικών αποβλήτων και παραπροϊόντων (Koller et al. 2008) Sugar Cane 2, t/a Milling Extraction t/a Bagasse Fibers potential filler for PHA-based materials?! Combustion Steamand electrical power 32,4 GW/h / a t steam/ a Bioethanol m 3 /a Higher Alcohols (Butanol, Pentanols) Raw Juice Crystallization Molasses ConvertibleSugars (Glucose, Xylose, Arabinose) t/a Saccharose Selection of production strain! to Glucose and Fructose t/a PHA Biopolymer Production to peptides and amino acids Biofuel Production 1.) Productionof catalytically active Biomass Destillation 2.) Productionof PHA biopolyesters Residual Biomass Fermentative Conversionto Bioethanol Extraction solvents! Downstream Processing: Extraction of PHA from biomass PHA 3 Biopolymers t/a

4 Αξιοποίηση αποβλήτων και παραπροϊόντων από την παραγωγή βιοκαυσίµων µε στόχο την παραγωγή βιοπολυµερών (Koller et al. 2008) e.g. Waste Cooking Oils, waste animal fats MeOH(EtOH) WASTE LIPIDS OH - Some lipids: direct application as feedstock! 1.) Productionof catalytically active Biomass 2.) Productionof PHA biopolyesters Transesterification Mixture Biodiesel - Glycerolphase BiotechnologicalProductionof PHA Biopolyesters Demethanolization YieldPHA/C-source= 0,33 g/g: ca t/a PHAin EU from surplus GLP possible!! Downstream Processing Separation Degreasing PHA Biopolyesters Residual Biomass (Proteins, Lipids) Washing, Dewatering BIODIESEL (RME) GLYCEROL LIQUID PHASE (GLP) Low-qualitybiodieselfractions: excellentfeedstockforpha production! typically 2-4 wt.-% of biomass

5 Λιγνινοκυτταρινούχα υλικά και παραπροϊόντα Occurence of lignocellulosic waste: wood residues(including sawmill and paper mill discards) municipal paper waste agricultural residues(including corn stover, rice straw and sugarcane bagasse) special energy crops Amounts:non-wood lignocellulosicstraw alone is estimated with 2,5*10 9 t/a Composition of Lignocellulose: Carbohydrates + Lignin (Methoxyphenylpropane) Cellulose fraction Hemicellulose fraction Monomer: Glucose (Hexose) Monomers: Xylose, Arabinose(Pentoses)

6 Βιοτεχνολογική αξιοποίηση των λιγνινοκυτταρινούχων παραπροϊόντων Εµπόδιο: Οι λιγνινοκυτταρινούχες ενώσεις είναι ανθεκτικές στην αποδόµηση έτσι ώστε να εξασφαλίζουν την απαραίτητη δοµική συνοχή στα κυτταρικά τοιχώµατα των φυτών µέσω της σύνδεσης των σύµπλοκων υδατανθράκων και της λιγνίνης µε εστερικούς και αιθερικούς δεσµούς Η έρευνα εστιάζεται στη βελτίωση της διάσπασης των λιγνινοκυτταρινούχων ενώσεων µέσω της αξιοποίησης αποδοτικών ενζυµατικών µηχανισµών

7 Σύνθεση διαφόρων λιγνινοκυτταρινούχων υλικών Cellulose [wt.-%] Hemicellulose [wt.-%] Lignin [wt.-%] Corn cobs Corn stover Wheat straw Hemp straw Rice straw Bagasse Beech wood Fir wood Poplar wood

8 Μετατροπές λιγνινοκυτταρινούχων σε προϊόντα προστιθέµενης αξίας (Petschacher 2001) High energy input needed! Alternatives have to be developed! e.g.: Solid State Fermentation! Plant Biomass Steam Explosion Extraction with water Development of efficient hydrolysis methods required!! Lignin Hemicellulose Pentoses(Xylose, Arabinose) Fermentation to Bioethanol (enzymatic or chemical) Alkaline extraction Cellulose Adhesives (enzymatic or chemical) Energy Glucose Biotechnological Production of Biopolyesters