Βιοαιθανόλη από διατροφικά απορρίμματα. Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, 15780, Αθήνα *

Transcript

1 Βιοαιθανόλη από διατροφικά απορρίμματα Δ. Αλαμάνου 1, Α. Σωτηρόπουλος 2, Θ. Γιαννακοπούλου 1, Δ. Μαλαμής 2, Δ. Μαμμά 1, Μ. Λοϊζίδου 2 & Δ. Κέκος 1 * 1 Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας 2 Μονάδα Περιβαλλοντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, 178, Αθήνα * kekos@chemeng.ntua.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μελετήθηκε η δυνατότητα παραγωγής βιοαιθανόλης από διατροφικά απορρίμματα τα οποία έχουν υποστεί οικιακή ξήρανση, με εφαρμογή της τεχνολογίας ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης (SSF) Εξετάστηκαν παράμετροι που επηρεάζουν την διεργασία βιομετατροπής όπως η προκατεργασία της πρώτης ύλης, το ενζυμικό φορτίο, η συγκέντρωση του στερεού κατα τη βιομετατροπή καθώς και το είδος της διεργασίας (διαλείποντος ή ημιδιαλείποντος έργου. Τα αποτελέσματα συγκρινόμενα με τις θεωρητικά αναμενόμενες τιμές με βάση τα μη δομικά σάκχαρα και την κυτταρίνη κυμαίνονται σε υψηλά επίπεδα (στην πλειοψηφία των περιπτώσεων μεγαλύτερα του 6%). Η παραγωγικότητα της διεργασίας κυμαίνεται από g/l.h με εξάρτηση κυρίως από την συγκέντρωση του υλικού και την προκατεργασία. Ειδικότερα, η προκατεργασία του υλικού ευνοεί την παραγωγή βιοαιθανόλης, καθώς παρατηρείται αύξηση στην παραγωγή αιθανόλης κατά 22-24% έναντι του ακατέργαστου υλικού ενώ το εν λόγω ποσοστό ανέρχεται στο 27% στην περίπτωση προσθήκης μικρής ποσότητας θειικού οξέος κατά τη διάρκεια της προκατεργασίας. Ο διπλασιασμός του ενζυμικού φορτίου από τα στα FPU/g ξηρού υλικού δεν επηρεάζει σημαντικά την παραγωγή βιοαιθανόλης. Η αύξηση της συγκέντρωσης του υλικού από 2 σε 3% (β/ο) αυξάνει την παραγόμενη βιοαιθανόλη από g/l σε 3.32 g/l. Με εφαρμογή της διεργασίας ημιδιαλείποντος έργου μπορεί να αξιοποιηθεί αποτελεσματικότερα το υλικό, καθώς το ποσοστό της παραγόμενης με τον τρόπο αυτό βιοαιθανόλης ανέρχεται στο 7% της θεωρητικά αναμενόμενης απόδοσης. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σύμφωνα με την οδηγία της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας που εκδόθηκε τον Ιανουάριο του 27 τίθεται υποχρεωτικός στόχος συμμετοχής κατά 2% ενέργειας που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές (Α.Π.Ε.) στο συνολικό μίγμα ενέργειας της Ε.Ε. μέχρι το 22. Τον Απρίλιο του 29 η Ε.Ε. υιοθέτησε την οδηγία 29/28/EC η οποία θέτει στόχους για κάθε κράτος-μέλος ξεχωριστά. Σύμφωνα με την οδηγία αυτή, η Ελλάδα δεσμεύεται να επιτύχει ένα στόχο της τάξεως του 18% συμμετοχής ενέργειας από ΑΠΕ στο συνολικό μίγμα ενέργειας της χώρας, ποσοστό το οποίο αυξήθηκε από την Ελληνική Κυβέρνηση σε 2% στο σχετικό Νόμο 381/2 [1]. Παρ όλα αυτά καμία μονάδα παραγωγής βιοαιθανόλης δεν έχει κατασκευαστεί ακόμη. Το 29 έγινε προσπάθεια από την Ελληνική Εταιρία Ζάχαρης να παράγει βιοαιθανόλη στις δύο υπάρχουσες μονάδες παραγωγής ζάχαρης (1.m 3 βιοαιθανόλης /έτος σε κάθε μονάδα παραγωγής) με την ταυτόχρονη παραγωγή ζωοτροφής υψηλής διατροφικής αξίας, ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Η πρώτη ύλη που χρησιμοποιήθηκε ήταν ζαχαρότευτλα σιτάρι και καλαμπόκι. Μετά από διαγωνισμό που προκηρύχτηκε το 27, δύο επενδυτές εκδήλωσαν ενδιαφέρον το 28, αλλά το έργο δυστυχώς ακυρώθηκε το Νοέμβριο του 2 [2]. Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα 23-2//213

2 Βάσει της ετήσιας κατανάλωσης βενζίνης στη Ελλάδα (περίπου εκατ. m 3 το 2) [3], η μέγιστη ποσότητα βιοαιθανόλης που πρέπει να παράγει η Ελλάδα ώστε να βρίσκεται σε συμμόρφωση με τον Ελληνικό νόμο υπολογίζεται σε. 1. εκατ. m 3 ετησίως. Τόσο η διαθεσιμότητα πρώτων υλών όσο και η τιμή τους αποτελούν σημαντική τροχοπέδη για την παραγωγή βιοαιθανόλης. Εξαρτώνται από την εποχή, τη γεωγραφική περιοχή και τις συνθήκες της αγοράς [4]. Έτσι το κόστος πρώτων υλών ξεπερνά το 1/3 του κόστους παραγωγής βιοαιθανόλης. Για το λόγο αυτό είναι πολύ σημαντική η εξέταση πιθανών εναλλακτικών πρώτων υλών, όπως τα βιοαποδομήσιμα απορρίμματα. Τα βιοαποδομήσιμα απορρίμματα, όπως ορίζονται από την Ευρωπαϊκή Κοινοτική Οδηγία- Πλαίσιο για τα απόβλητα, περιλαμβάνουν τα απόβλητα κήπων και πάρκων, τα οικιακά διατροφικά απορρίμματα, τα διατροφικά απορρίμματα χώρων εστίασης και σχετικά απόβλητα μονάδων επεξεργασίας τροφίμων. Τα βιοαποδομήσιμα απορρίμματα, είναι ένα σημαντικό κομμάτι της συνολικής ποσότητας των παραγόμενων απορριμμάτων διεθνώς []. Αποτελούν το 3% έως 4% της συνολικής ποσότητας των αστικών απορριμμάτων σε Ευρωπαϊκό επίπεδο [6].Τα βιοαπόβλητα που παράγονται στην Ευρωπαϊκή Ένωση (Ε.Ε), σε επίπεδο οικίας, υπολογίζονται σε τόνους ετησίως και είναι κυρίως διατροφικά απορρίμματα. Τα απορρίμματα αυτού του τύπου, είναι υπεύθυνα για την παραγωγή 17 Mt CO 2 στην Ε.Ε κάθε χρόνο [7]. Η περιεχόμενη υγρασία των διατροφικών αποβλήτων κυμαίνεται από έως 9% της συνολικής τους μάζας. Η μείωση της υγρασίας έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της μάζας και του όγκου τους. Η οικιακή ξήρανση των διατροφικών αποβλήτων αποτελεί μια καινοτόμο και ταχύτατα αναπτυσσόμενη τεχνολογία διαχείρισης και προκατεργασίας των διατροφικών απορριμμάτων στην πηγή. Η απομάκρυνση της περιεχόμενης στα τρόφιμα υγρασίας, σε επίπεδο οικίας, έχει ως αποτέλεσμα την διατήρηση του ποσοστού υδατανθράκων του υλικού λόγω αναστολής της μικροβιακής δραστηριότητας μέχρι την τελική τους διάθεση. Η επεξεργασία και διάθεση της ξηρής πρώτης ύλης για τις ανάγκες της πειραματικής διαδικασίας έγινε από τη Μονάδα Περιβαλλοντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Σχολής Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Ανάλυση της σύστασης των διατροφικών απορριμάτων Ο προσδιορισμός υγρασίας, τέφρας, λιπαρών, ολικού αζώτου πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τις μεθόδους της AOAC [8]. Τα ποσοστά πηκτίνης, κυτταρίνης, ημικυτταρίνης και αδιάλυτης σε οξύ λιγνίνης εκτιμήθηκαν σύμφωνα με τη μέθοδο που περιγράφεται από τους Mamma et al. [9] Υδροθερμική προκατεργασία διατροφικών απορριμάτων Η υδροθερμική κατεργασία ή υδροθερμόλυση (hydrothermolysis, liquid hot-water treatment) περιλαμβάνει την κατεργασία σε νερό σε υψηλές θερμοκρασίες και μπορεί ενισχυθεί με την προσθήκη ενός καταλύτη, συνήθως οξέος. Η υδροθερμόλυση των διατροφικών αποριμμάτων πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τη μέθοδο που περιγράφεται από τους Dogaris et al. [] Οι συνθήκες προκατεγασίας ήταν: συγκέντρωση του στερεού 3% (β/ο), θερμοκρασία 12 o C, χρόνος προκατεργασίας 1 min. Η προκατεργασία πραγματοποιήθηκε απουσία και παρουσία θειικού οξέος (1 g Η 2 SO 4 ανά g στερεού). Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα 23-2//213

3 Ενζυμική υδρόλυση προκατεργασμένων και μη διατροφικών απορριμάτων Για την υδρόλυση των υδροθερμικά προκατεργασμένων και μη διατροφικών απορριμμάτων χρησιμοποιήθηκε το μίγμα των εμπορικών ενζυμικών σκευασμάτων Celluclast 1.L και Novozym 188 σε αναλογία :1 (ο/ο) έτσι η ολική ενεργότητα κυτταρινασών να είναι, και 2 FPU/g ξηρού υλικού. Η θερμοκρασία της υδρόλυσης ήταν ο C και σε κάθε μίγμα προστέθηκε αζίδιο του νατρίου (τελική συγκέντρωση.1% w/v) με σκοπό την αποτροπή μικροβιακής μόλυνσης. Σε τακτά χρονικά διαστήματα λαμβάνονταν δείγματα προκειμένου να μετρηθούν οι αναγωγικοί υδατάνθρακες και η γλυκόζη. Παραγωγή βιοαιθανόλης από διατροφικά απορρίμματα Η ζύμωση του υδροθερμικά προκατεργασμένου και ακατέργαστου υλικού πραγματοποιήθηκε σε κωνικές φιάλες τύπου Εrlenmeyer, όγκου ml στις οποίες τοποθετήθηκε ποσότητα προκατεργασμένου ή μη υλικού, κατάλληλη ποσότητα αποστειρωμένου ρυθμιστικού διαλύματος κιτρικών-φωσφορικών mm ph=., έτσι ώστε η συγκέντρωση στερεών να είναι 2%, και 3% (β/ο), κατάλληλη ποσότητα μίγματος :1 (ο/ο) Celluclast 1.L και Novozyme 188 έτσι η ολική ενεργότητα κυτταρινασών να είναι, και 2 FPU/g ξηρού υλικού και 1 mg ξηρής μαγιάς αρτοποιίας/g αρχικού ξηρού υλικού (Yiotis, Athens, Greece). Οι φιάλες τοποθετήθηκαν σε θερμοστατούμενο αναδευτήρα (8±2 rpm) θερμοκρασίας 3±. o C. Όλες οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν εις τριπλούν. Σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές λαμβάνονταν δείγματα από τις καλλιέργειες και μετρούνταν η αιθανόλη και τα εναπομείναντα σάκχαρα. Αναλύσεις Η απελευθέρωση των αναγωγικών σακχάρων προσδιορίστηκε με την μέθοδο του 3,- δινιτροσακυλικού οξέως (DNS) [11]. Τα αναγωγικά σάκχαρα εκφράστηκαν μέσω καμπύλης αναφοράς σε ισοδύναμα γλυκόζης. Η γλυκόζη προσδιορίστηκε με τη χρήση εμπορικού ενζυμικού σκευάσματος αντιδραστηρίων (Biosis, Ελλάς). Η αιθανόλη προσδιορίστηκε με Υγρή Χρωματογραφία Υψηλής Απόδοσης (HPLC) με εφαρμογή της μεθόδου που περιγράφεται από τους Dogaris et al. []. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Σύσταση διατροφικών απορριμμάτων Η σύσταση των διατροφικών απορριμμάτων παρουσιάζεται στον Πίνακα 1. Πίνακας 1. Σύσταση διατροφικών απορριμμάτων Συστατικό Περιεκτικότητα (%, β/β, ξηρή βάση) Υδατοδιαλυτά 31.81±.42 Λιπαρά 11.91±.68 Πρωτεϊνη.1±.37 Πηκτίνη 3.92±.33 Κυτταρίνη 18.3±.19 Ημικυτταρίνη 7.±.39 Τέφρα 11.3±.42 Λιγνίνη Klason (αδιάλυτη σε οξύ λιγνίνη) 2.16±.2 * Υγρασία 1.3±.2 % (β/β) Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα 23-2//213

4 Η ανάλυση του δείγματος των υδατοδιαλυτών συστατικών οδήγησε στην ταυτοποίηση και ποσοτικοποίηση των κάτωθι μόνο- και δι-σακχαριτών: γλυκόζη σε περιεκτικότητα 4.39±.2% (β/β, ξηρή βάση), φρουκτόζη σε περιεκτικότητα 3.47±.12 % (β/β, ξηρή βάση) και σακχαρόζη σε περιεκτικότητα 4.38±. % (β/β, ξηρή βάση). Επιπλέον, το συγκεκριμένο δείγμα περιείχε πρωτεΐνη σε περιεκτικότητα.4±.1 (β/β, ξηρή βάση). Με βάση τη σύσταση του υλικού και τον θεωρητικό συντελεστή Y αιθανόλης/σακχάρου =.11 η θεωρητική απόδοση αιθανόλης βάση τα άμεσα διαθέσιμα σάκχαρα (μη δομικά σάκχαρα) ανέρχεται σε 6.2 g/ g ξηρού υλικού, ενώ η αντίστοιχη με βάση τα μη δομικά σάκχαρα και την κυτταρίνη ανέρχεται σε g/ g ξηρού υλικού. Ενζυμική υδρόλυση διατροφικών απορριμμάτων Το υλικό προκατεργάστηκε υδροθερμικά παρουσία και απουσία οξέος όπως περιγράφεται παραπάνω και υδρολύθηκε ενζυμικά με χρήση του μίγματος εμπορικών σκευασμάτων Celluclast 1. L και Novozyme 188 σε αναλογία :1 (ο/ο) έτσι ώστε η τελική ενεργότητα ολικής κυτταρινάσης να είναι:, και 2 FPU/g ξηρού υλικού. Οι μέγιστες τιμές αναγωγικών ομάδων και γλυκόζης που επετεύχθησαν ανάλογα με την προκατεργασία και το επιβαλλόμενο ενζυμικό φορτίο παρουσιάζονται στον πίνακα 2. Πίνακας 2. Μέγιστες τιμές συνολικών αναγωγικών ομάδων και γλυκόζης κατά την υδρόλυση των διατροφικών απορριμμάτων. Είδος προκατεργασίας Ενζυμική ενεργότητα Συνολικές αναγωγικές ομάδες (g/l) Γλυκόζη (g/l) Καμμία 9.9± ±1.28 Υδροθερμική 63.6± ±1.1 Υδροθερμική+οξύ 7.8± ±1.48 Καμμία 64.13± ±.71 Υδροθερμική 67.42± ±2. Υδροθερμική+οξύ 69.93± ±.2 Καμμία ± ±2.6 Υδροθερμική ± ±.43 Υδροθερμική+οξύ ± ±1.19 Η προκατεργασία των διατροφικών απορριμμάτων ευννοεί την υδρόλυση (Πίνακας 2). Η αύξηση του ενζυμικού φορτίου οδηγεί σε αύξηση των παραγόμενων σακχάρων. Το ποσοστό αύξησης των σακχάρων κατα την αύξηση του ενζυμικού φορτίου από τα στα 2 FPU/g ξηρού υλικού είναι μικρότερο συγκριτικά με το αντίστοιχο ποσοστό λόγω αύξησης του ενζυμικού φορτίου από τα στα FPU/g ξηρού υλικού. Στις διεργασίες βιομετατροπής λιγνινοκυτταρινούχων υλικών σε αιθανόλη σημαντική συνεισφορά στο συνολικό κόστος παραγωγής έχει και η χρησιμοποιηθείσα ενζυμική ενεργότητα. Ως εκ τούτου είναι επιθυμητές οι χαμηλότερες δυνατές ενζυμικές ενεργότητες. Παραγωγή βιοαιθανόλης Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές βιομετατροπής των ακατέργαστων και μη διατροφικών απορριμμάτων προκειμένου να ευρεθούν οι συνθήκες που μεγιστοποιούν την παραγωγή βιοαιθανόλης με εφαρμογή της τεχνολογίας ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης (SSF). Εξετάστηκε η επίδραση του ενζυμικού φορτίου (, και 2 FPU/g ξηρού υλικού), της αρχικής συγκέντρωσης υλικού (2, 3%, β/ο), το είδος της διεργασίας (διαλείποντος και ημιδιαλείποντος έργου). Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στα Σχήματα 1-4. Σε όλες τις εξετασθείσες περιπτώσεις (Σχήματα 1-4) εκτός της διεργασίας ημιδιαλείποντος έργου η Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα 23-2//213

5 παραγωγή αιθανόλης ολοκληρώνεται σε διάστημα 24 ωρών. Η γλυκόζη αφομοιώνεται ταχύτατα από τη ζύμη και εξαντλείται εντός 8 ωρών καλλιέργειας (α) (β) (γ) Σχήμα 1. Χρονική μεταβολή αιθανόλης ( ),γλυκόζης ( ) και ( ) συνολικών αναγωγικών σακχάρων κατά τη ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση (SSF), (α) ακατέργαστων, (β) υδροθερμικά προκατεργασμένων και (γ) υδροθερμικά προκατεργασμένων παρουσία θειικού οξέος διατροφικών απορριμμάτων. Συνθήκες: συγκέντρωση διατροφικών απορριμμάτων 2% (β/ο), ενζυμικό φορτίο FPU/g ξηρού υλικού, είδος διεργασίας διαλείποντος έργου (α) Προσθήκη υλικού Προσθήκη υλικού (β) Προσθήκη υλικού (γ) Σχήμα 2. Χρονική μεταβολή αιθανόλης ( ),γλυκόζης ( ) και ( ) συνολικών αναγωγικών σακχάρων κατά τη ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση (SSF), (α) ακατέργαστων, (β) υδροθερμικά προκατεργασμένων και (γ) υδροθερμικά προκατεργασμένων παρουσία θειικού οξέος διατροφικών απορριμμάτων. Συνθήκες: συγκέντρωση διατροφικών απορριμμάτων 2% (β/ο), ενζυμικό φορτίο FPU/g ξηρού υλικού, είδος διεργασίας διαλείποντος έργου μέχρι τις 24 ώρες όπου και έγινε προσθήκη υλικού (η συνολική διεργασία χαρακτηρίζεται ως ημιδιαλείποντος έργου) (α) (β) Σχήμα 3. Χρονική μεταβολή αιθανόλης ( ), γλυκόζης ( ) και ( ) συνολικών αναγωγικών σακχάρων κατά τη ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση (SSF), (α) ακατέργαστων, (β) υδροθερμικά προκατεργασμένων και (γ) υδροθερμικά προκατεργασμένων παρουσία θειικού (γ) Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα 23-2//213

6 οξέος διατροφικών απορριμμάτων. Συνθήκες: συγκέντρωση διατροφικών απορριμμάτων 2% (β/ο), ενζυμικό φορτίο 2 FPU/g ξηρού υλικού, είδος διεργασίας διαλείποντος έργου (α) (β) (γ) Σχήμα 4. Χρονική μεταβολή αιθανόλης ( ),γλυκόζης ( ) και ( ) συνολικών αναγωγικών σακχάρων κατά τη ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση (SSF), (α) ακατέργαστων, (β) υδροθερμικά προκατεργασμένων και (γ) υδροθερμικά προκατεργασμένων παρουσία θειικού οξέος διατροφικών απορριμμάτων. Συνθήκες: συγκέντρωση διατροφικών απορριμμάτων 3% (β/ο), ενζυμικό φορτίο FPU/g ξηρού υλικού, είδος διεργασίας διαλείποντος έργου. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα αναγωγικά σάκχαρα τα οποία παραμένουν στην καλλιέργεια είναι κυρίως πεντόζες οι οποίες προέρχονται από την υδρόλυση του κλάσματος της ημικυτταρίνης του υλικού. Η αύξηση της συγκέντρωσης αυτών με το χρόνο (όπως φαίνεται στα Σχήματα 1-4) οφείλεται στην συνεχή υδρόλυση του υλικού από το χρησιμοποιηθέν ενζυμικό σύστημα. Το πλεονέκτημα της διεργασίας SSF όπως έχει ήδη αναφερθεί είναι η συνεχή υδρόλυση του υλικού και η ταυτόχρονη απομάκρυνση των προϊόντων υδρόλυσης από το μικροοργασνιμό που επιτελεί τη ζύμωση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την άρση της παρεμπόδισης των κυτταρινολυτικών ενζύμων από τα προϊόντα υδρόλυσης. Τα αποτελέσματα συνολικά παρουσιάζονται στον Πίνακα 3. Ο διπλασιασμός του ενζυμικού φορτίου από τα στα FPU/g ξηρού υλικού δεν επηρεάζει σημαντικά την παραγωγή αιθανόλης. Η προκατεργασία του υλικού ευνοεί την παραγωγή αιθανόλης. Η υδροθερμική προκατεργασία σε θερμοκρασία 12 o C για 1 min αυξάνει την παραγωγή αιθανόλης κατά 22-24% έναντι του ακατέργαστου υλικού ενώ το εν λόγω ποσοστό ανέρχεται στο 27% στην περίπτωση προσθήκης μικρής ποσότητας θειικού οξέος κατά την υδροθερμική προκατεργασία στις προαναφερθείσες συνθήκες. Αναφορικά με την συγκέντρωση του υλικού στην διεργασία παρατηρείται ότι η αύξηση της συγκέντρωσης του υλικού από 2 σε 3% (β/ο) αυξάνει την παραγόμενη αιθανόλη μειώνοντας όμως την απόδοση ανά ξηρό υλικό. Με εφαρμογή της διεργασίας διαλείποντος έργου (προσθήκη νέου υλικού στην υπάρχουσα καλλιέργεια) μπορεί να αξιοποιηθεί αποτελεσματικότερα το υλικό. Η παραγωγικότητα της διεργασίας κυμάνθηκε από g/l.h με εξάρτηση από την προκατεργασία και τη συγκέντρωση του υλικού. Στην ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση η παραγωγικότητα εξαρτάται κατά κύριο λόγω από τη διαθεσιμότητα των άμεσα μεταβολίσιμων σακχάρων και κατ επέκταση από το ρυθμό υδρόλυσης του υλικού, ο οποίος είναι επηρεάζεται από τη θερμοκρασία που πραγματοποιείται η ζύμωση (3 o C). Αυτό αποτελεί και το βασικό μειονέκτημα της ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης η διαφορά δηλαδή στις βέλτιστες θερμοκρασίες δράσης των ενζύμων και παραγωγής αιθανόλης από το μικροοργανισμό. Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα 23-2//213

7 Πίνακας 3. Αποτελέσματα παραγωγής βιοαιθανόλης από διατροφικά απορρίμματα με ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση. Προκατεργασία Φορτίο ενζύμου a Είδος διεργασίας/ Συγκέντρωση υλικού b Παραγωγή αιθανόλης (g/l) Παραγωγικότητα αιθανόλης (g/l h) % της μέγιστης θεωρητικής απόδοσης c % της μέγιστης θεωρητικής απόδοσης d Ακατέργαστο Δ.Ε. e /2% 16.19±.38.67± ± ±3.1 Υδροθερμική Δ.Ε./2% 21.36±.3.89± ± ±2.41 Υδροθερμική+οξύ Δ.Ε./2% 21.98±.8.92±. 66.1± ±.6 Ακατέργαστο Δ.Ε./2% 16.74±.12.7±.1.29± ±.96 Υδροθερμική Δ.Ε./2% 21.6±.6.9± ± ±4.4 Υδροθερμική+οξύ Δ.Ε./2% 23.12±1.7.96± ± ±3.9 Ακατέργαστο 2 Δ.Ε./2% 19.26±.12.4±. 7.86± ±.96 Υδροθερμική 2 Δ.Ε./2% 2.11±..1± ±. 2.73±. Υδροθερμική+οξύ 2 Δ.Ε./2% 26.27±.8 1.9±. 78.9± ±.6 Ακατέργαστο Ημ.Δ.Ε. f /24% 23.±.9.32±. 7.83± ±.6 Υδροθερμική Ημ.Δ.Ε./24% 26.9±.3.4±.1 6.3± ±3.1 Υδροθερμική+οξύ Ημ.Δ.Ε./24% 28.32±1..87± ± ±1.2 Ακατέργαστο Δ.Ε./3% 22.73±.3.9±.1 4.1± ±1.84 Υδροθερμική Δ.Ε./3% 29.7± ±.1 9.7± ±1.4 Υδροθερμική+οξύ Δ.Ε./3% 3.32± ± ± ±4.73 a σε FPU/g ξηρού υλικού, b %,( β/ο) c Με βάση τη μέγιστη θεωρητική απόδοση αιθανόλης από τη βιομετατροπή των μη δομικών σακχάρων και της κυτταρίνης (Y αιθανόλης/σακχάρου =.11) d Με βάση τη μέγιστη παραγόμενη αιθανόλη από τα μη δομικά σάκχαρα e Δ. Ε.: Διαλείποντος έργου, f Ημ.Δ.Ε.: Ημιδιαλείποντος έργου Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα 23-2//213

8 Τα ποσοστά επί των θεωρητικών αποδόσεων με βάση τα μη δομικά σάκχαρα και την κυτταρίνη κυμάνθηκαν σε υψηλά επίπεδα (στην πλειοψηφία των περιπτώσεων σε ποσοστά μεγαλύτερα του 6%) με εξάρτηση κυρίως από την συγκέντρωση του υλικού και την προκατεργασία (Πίνακας 3). Τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης είναι ικανοποιητικά συγκρινόμενα με αυτά της διεθνούς βιβλιογραφίας. Oι Kim et al. [12] εφάρμοσαν την τεχνολογία της διακριτής υδρόλυσης και ζύμωσης (SHF) σε διατροφικά απορρίμματα. Τα απορρίμματα αρχικά αναμίχτηκαν σε αναλογία 1:1 (ο/ο) με νερό και υπέστησαν μηχανική θραύση (μέγεθος σωματιδίων 1-2 mm). Ακολούθως αραιώθηκαν εκ νέου με νερό (1:1, ο/ο) και υδρολύθηκαν με χρήση εμπορικού σκευάσματος αμυλογλυκοζιδάσης. Η διάρκεια της υδρόλυσης ήταν 4 h. Ελήφθη η υγρή φάση στην οποία βρίσκονται τα αναγωγικά σάκχαρα και χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή αιθανόλης με τη ζύμη Sacchromyces cerevisiae KA4. Η παραγωγή αιθανόλης ανήλθε σε 7.g/L από 12.1g/L συνολικά αναγωγικά σάκχαρα τα οποία προέκυψαν από την υδρόλυση. Ρευστοποίηση και ζύμωση εφαρμόστηκε από τους Moon et al. [13]. Ρευστοποίησαν διατροφικά απορρίμματα με χρήση carbohydrases και αμυλογλυκοζιδασών. Η ρευστοποίηση διήρκεσε 3 ώρες και η παραγόμενη αιθανόλη ανήλθε στα 29,1g/L τιμή η οποία είναι χαμηλότερη από αυτή που επιτεύχθηκε στην παρούσα μελέτη. Οι Man et al. [14], ανέφεραν παραγωγή αιθανόλης της τάξης των g/l από τη ζύμη Kluyveromyces marxianus σε εκπλύματα διατροφικών αποβλήτων. Οι Wang et al. [1], ανάφεραν παραγωγή αιθανόλης της τάξης των 33. g/l από οικιακά απορρίμματα (kitchen waste) όπου βέβαια η αρχική περιεκτικότητα σε ολικά σάκχαρα ήταν πολύ υψηλή (63.88 % β/β). Από την άλλη πλευρά οι Walker et al. [16], χρησιμοποίησαν απορρίμματα τροφών με υψηλή περιεκτικότητα σε άμυλο αλλά η παραγόμενη αιθανόλη ήταν εξαιρετικά χαμηλή (8 g/l). ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η οικιακή ξήρανση των διατροφικών αποβλήτων αποτελεί μια καινοτόμο και ταχύτατα αναπτυσσόμενη τεχνολογία διαχείρισης και προκατεργασίας των διατροφικών απορριμμάτων στην πηγή η οποία έχει αναπτυχθεί από τη Μονάδα Περιβαλλοντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Σχολής Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π.. Η απομάκρυνση της περιεχόμενης στα τρόφιμα υγρασίας, σε επίπεδο οικίας, έχει ως αποτέλεσμα την διατήρηση του ποσοστού υδατανθράκων του υλικού λόγω αναστολής της μικροβιακής δραστηριότητας μέχρι την τελική τους διάθεση καθώς και την τη σημαντική μείωση της μάζας και του όγκου τους. Τα διατροφικά απορρίμματα περιέχουν μία σημαντική ποσότητα μη δομικών (ελεύθερων) σακχάρων καθώς και δομικών πολυσακχαριτών (κυτταρίνης). Ενώ τα σάκχαρα μπορούν να βιομετραπούν άμεσα σε αιθνόλη, η κυτταρίνη θα πρέπει αρχικά να υδρολυθεί προς γλυκόζη με τη χρήση κατάλληλου ενζυμικού συστήματος. Σημαντική επίσης παράμετρος στην υδρόλυση της κυτταρίνης είναι και η προκατεργασία του υλικού. Η χρήση στην παρούσα εργασία του μίγματος Celluclast 1.L και Novozyme 188 (δύο εμπορικών κυτταρινολυτικών σκευασμάτων) σε συνδυασμό με την υδροθερμική προκατεργασία του υλικού οδήγησε σε ποσοστά άνω του 7% αποικοδόμησης των δομικών πολυσακχαριτών. Επιπλέον, με δεδομένο ότι σημαντική συνεισφορά στο συνολικό κόστος παραγωγής αιθανόλης έχει και το χρησιμοποιηθέν ενζυμικό φορτίο, η υδρόλυση των διατροφικών απορριμμάτων είναι αποτελεσματική και σε χαμηλά ενζυμικά φορτία (< FPU/g ξηρού υλικού). Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα 23-2//213

9 Η βιομετατροπή των διατροφικών απορριμμάτων σε αιθανόλη πραγματοποιήθηκε με εφαρμογή της τεχνολογίας ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης. Το πλεονέκτημα της εν λόγω τεχνολογίας είναι η συνεχή υδρόλυση του υλικού και η ταυτόχρονη απομάκρυνση των προϊόντων υδρόλυσης από το μικροοργανισμό που επιτελεί τη ζύμωση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την άρση της παρεμπόδισης των κυτταρινολυτικών ενζύμων από τα προϊόντα υδρόλυσης. Η παραγόμενη αιθανόλη ανήλθε σε ικανοποιητικά επίπεδα, συγκρινόμενη και με αντίστοιχα αποτελέσματα της διεθνούς βιβλιογραφίας. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα ποσοστά επί των θεωρητικών αποδόσεων με βάση τα μη δομικά σάκχαρα και την κυτταρίνη κυμάνθηκαν σε υψηλά επίπεδα (στην πλειοψηφία των περιπτώσεων σε ποσοστά μεγαλύτερα του 6%) με εξάρτηση κυρίως από την συγκέντρωση του υλικού και την προκατεργασία. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Τα αποτελέσματα της εργασίας βασίζονται σε έρευνα η οποία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του LIFE+ έργου με τίτλο: «Ανάπτυξη και επίδειξη μιας καινοτόμου μεθόδου μετατροπής των απορριμμάτων σε βιοαιθανόλη» Waste2Bio, (LIFE 11 ENV/GR/949, ), το οποίο συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Οι συγγραφείς θα ήθελαν να ευχαριστήσουν την εταιρεία Novozymes A/S (Δανία) για την προσφορά των ενζυμικών σκευασμάτων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Voumvoulakis E, Asimakopoulou G, Danchev S, Maniatis, Tsakanikas A. Energy Policy, : (212). [2] Rizopoulou, N. Biofuels Production in Greece, (211). [3] YPEKA Ministry of Environment, Energy and Climate Change. [4] Yoosin S, Sorapipatana C. Thammasat Int. J. Sci. Technol.12:69-8 (27). [] GREEN PAPER on the management of bio-waste in the European Union, Brussels, COM(28) 811 final, {SEC(28) 2936} on line available on: (28) [6] Position paper of the Bio-waste alliance, on line available on: (29). [7] Galbe M., Zacchi G., Biotechnology 8, (27), pp [8] AOAC, 1th ed. AOAC Inc., USA (199). [9] Mamma D., Kourtoglou E., Christakopoulos P. Bioresource Technology, 99 (7), (28) pp [] Dogaris I., Karapati S., Mamma, D., Kalogeris, E. & Kekos, D., Bioresource Technology,, (29), pp [11] Miller, G. L., Anal. Chem. 31, 199, pp [12] Kim, J.K., Oh, B.R., Shin, H.-J., Eom, C.-Y., Kim W.S., Process Biochemistry 43, (28) pp [13] Moon H.C., Song I.S., Kim J.C., Shirai, Y., Lee, D.H., Kim, J.K., Chung, S.O., Kim, D.H., Oh, K.K., Cho, Y.S., Int. J. of Energy Research 33, (29), pp [14] Man H.L., Behera S.K., Park H.S., Int. J. of Env. Sci. and Tech. 7, (2) pp [1] Wang Q., Ma H., Xu W., Gong, L., Zhang, W., Zou, D. Biochem. Eng. J. 39 (1), (28) pp [16] Walker K., Vadlani P., Madl R., Ugorowski P., Hohn K.L. (212). Environmental Progress and Sustainable Energy, 27, DOI:.2/ep.117 Σχολή Χημικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π., Αθήνα 23-2//213