Βιοχημικές τεχνολογίες μετατροπής

Transcript

1 Βιοχημικές τεχνολογίες μετατροπής Κούκιος Εμμανουήλ Καθηγητής ΕΜΠ Σχολή Χημικών Μηχανικών, ΕΜΠ

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Μικροοργανισμοί Μήκυτες (παράγουν ένζυμα) Βακτήρια... 3

4 Παραδείγματα 4

5 Βιοχημική μετατροπή σε αιθανόλη Πολλοί υδατάνθρακες Πολλά στερεά (Λίγο νερό) 5

6 Fundamentals The chemical equations below summarize the fermentation of sucrose (C 12 H 22 O 11 ) into ethanol (C 2 H 5 OH). Alcoholic fermentation converts one mole of sucrose into two moles of ethanol and two moles of carbon dioxide. The overall chemical formula for alcoholic fermentation is: C 6 H 12 O 6 + Zymase 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 Sucrose is a dimer of glucose and fructose molecules. In the first step of alcoholic fermentation, the enzyme invertase cleaves the glycosidic linkage between the glucose and fructose molecules. C 12 H 22 O 11 + H 2 O + invertase Wikipedia 2 C 6 H 12 O 6 6

7 H ιδέα: 1) υδρόλυση & ζύμωση ξεχωριστά ή 2) υδρόλυση & ζύμωση μαζί (απευθείας) Πολυσακχαρίτες -Κυτταρίνη -Ημικυτταρίνη Υδρόλυση (όξινη ή ενζυμική) Μονομερή (ή ολιγομερή) σάκχαρα Αιθανόλη Αλκοολική Ζύμωση -Με ζύμη (εάν μονομερές/διμερές) -Με μικροοργανισμό (εάν πολυμερές) 7

8 Θεωρητικές Αποδόσεις (όρια) 162 g (ξηρή) κυτταρίνη 180 g γλυκόζη 180 g γλυκόζη 92 g (2Χ46) αιθανόλη 8

9 Ζαχαρότευτλο (sugar beet) Wikipedia 9

10 Sugar Production & Co-products (Greek Sugar Industry) Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July

11 Παράδειγμα: Πολτός σακχαρότευτλου 11

12 Sugar Beet Pulp (SBP) Direct Bioconversion Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) to Bioethanol By Fusarium oxysporum, strain F4 12

13 Component Chemical composition (%) SBP Cellulose 24.6±0.4 Hemicellulose 27.9±0.3 Lignin 2.6±0.2 Ash 3.5±0.2 Crude fibres 23.5±0.2 Fat 1.5±0.3 Total insoluble sugars 65.0±0.5 Total pectines 10.5±0.3 Chemical composition of untreated sugar beet pulp (SBP) in % dry weight basis (Average of 4 replications ±SD) Moisture content = 10% Total proteins (N 2 x6.25) 9.6±0.2 Δ. Οικονόμου et al., Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum, 13 ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

14 Δ. Οικονόμου et al., Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum, 14 ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007 SBP bioconversion The SSF process SBP Sterilization C-source Medium Fungus Aerobic phase Anaerobic phase Solid Residue Ethanol

15 Δ. Οικονόμου et al., Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum, 15 ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007 Materials & methods Substrate Oven dried sugar beet pulp from Greek Sugar Industry Milled to pass through 1mm sieve To compare: sucrose, glucose, cellobiose, xylose Aerobic phase C-source: Cellulose 123

16 Δ. Οικονόμου et al., Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum, 16 ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007 Materials & methods Direct Fermentation (in 2 phases) Fungus: Fusarium oxysporum strain F4 Shaking flasks (150 rpm), 30 o C C-source for aerobic phase: Cellulose 123 C-source for anaerobic phase: SBP pre-sterilized at 120 o C for 30 min

17 Sugar beet pulp bioconversion results 17

18 Determination of ph optimum combination in aerobic and anaerobic culture of Fusarium oxysporum, max. ethanol production (g/l) and max. ethanol yield as % of the theoretical value. (Average of 3 replications) Aerobic culture ph Anaerobic culture Results Max. ethanol production (g/l) ,35 Ethanol yield % of the theoretical Ethanol yield g ethanol/100g sugar beet pulp Δ. Οικονόμου et al., Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum, 18 ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

19 Δ. Οικονόμου et al., Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum, 19 ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007 Results Ethanol - CMCase 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 CMCase IU/ml Ethanol g/l Avicellase IU/ml β-glucosidase IU/ml Sugars g/l 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 Sugars-β-glucosidase-aviselase 0,00 0, days Aerobic conditions // Anaerobic conditions Evolution in time of the activity of cellulase CMCase (IU/mL) and the produced ethanol (g/l) during the aerobic phase (ph=5 and substrate 1% cellulose) and anaerobic phase (ph=6 and substrate 6% sugar-beet pulp) of the culture of Fusarium oxysporum F4

20 Δ. Οικονόμου et al., Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum, 20 ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007 Results 8,00 Ethanol (g/l) & CMCase(IU/ml) 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 Ethanol g/l 0,00 Aerobic conditions // Anaerobic conditions days Evolution in time of the activity of cellulase CMCase (IU/mL) and the produced ethanol (g/l) during the aerobic phase (ph=5 and substrate 1% cellulose) and anaerobic phase (ph=6 and substrate 6% sugar-beet pulp) of the culture of Fusarium oxysporum F4

21 Overall results of the culture of Fusarium oxysporum F4 strain on different substrates, the max. values of ethanol produced (g/l) and the max. yield as % of the theoretical value, as well as reference data of the culture of the F3 strain Substrates of Fusarium oxysporum F4 culture Results Max. ethanol produced (g/l)** Max. yield as % of the theoretical (%)** Reference data with Fusarium oxysporum F3*** Glucose* Xylose * , Cellobiose * Ethanol yield g ethanol/100g sugar beet pulp* Cellulose 123 * Sugar beet pulp (6% w/v) Sugar beet pulp (10% w/v) * 3% w/v, ** Average of 3 replications, ***2% w/v Δ. Οικονόμου et al., Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum, 21 ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

22 Δ. Οικονόμου et al., Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum, 22 ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007 Concluding remarks It is possible to convert SBP to bioethanol with a minimal pretreatment Ethanol concentration varies 8,5-13 g/l from 6-10 % (w/v) SBP suspensions Almost 50% of the theoretical ethanol yield is achieved > 14 g bioethanol/100 g dry SBP is produced Cellulose and hemicellulose are both fermented NB: level-off phenomenon Further research is necessary on the processing and biochemical system (complexity) ACTUALLY BIOREFINING! SUGAR PRODUCTION + ETHANOL PRODUCTION

23 LHC example: STRAW 23

24 Role of SSA 272 Enzyme Microb. Technol., 1991, vol. 13, March 24

25 Size-SSA-Crystallinity 272 Enzyme Microb. Technol., 1991, vol. 13, March 25

26 Role of Crystallinity/order 272 Enzyme Microb. Technol., 1991, vol. 13, March 26

27 Effect of lignin - Ethanol Bioresource Technology 35 (1991)

28 Effect of lignin - Sugars Bioresource Technology 35 (1991)

29 Sugar crop cellulosic: SWEET SORGHUM 29

30 Wikipedia 30

31 EtOH from Sweet sorghum Process Biochemistry Vol. 31, No. 4, pp ,

32 Αριστοποιήσεις;;; Να μην ζυμώνουμε το σακχαρούχο σόργο (υψηλή υγρασία, αραιώνουν τα σάκχαρα/αιθανόλη, υπερδιαστασιολόγηση, κτλ...) Να παραλάβω οικονομικά ένα πυκνό σε σάκχαρα χυμό και να το ζυμώσω με ζύμη γρήγορα, εύκολα, οικονομικά Να παραλάβω (διαχωρισμός) στερεά και να τα ζυμώσω σχετικά αργότερα Να ελαττώσω τις ποσότητες κάθε φορά 32

33 Πώς;; Θερμή εκχύλιση (εξάτμιση) κενό κοστίζουν ή αλλοιώνουν Ψυχρή μηχανική συμπίεση φαίνεται ελκυστική 33

34 Κλασμάτωση σόργου σε υγρό χυμό και στερεή πίττα (νωπή) Σακχαρούχο Σόργο (αποφυλλωμένο και κομμένο) Μηχανική Συμπίεση Χυμός Πίττα 34

35 SS fractionation (juice-cake) 35

36 Why fractionate SS? Juice fermented in 1,5 d very rich in sucrose good yields and EtOH conc. Smaller fermentors etc. for cake (better dimensioning saving money and resources) Minimizing inhibitions, accidental damages, etc. Improved overall yields 36

37 Ethanol from juice 37

38 Ethanol from cake 38

39 Βιοχημική μετατροπή σε αιθανόλη Πολλοί υδατάνθρακες και πολλά στερεά (Λίγο νερό) + υψηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης, για ελάττωση κόστους διαχωρισμού από το νερό - Ζύμωση σε στερεή φάση (δύσκολη) 39

40 Παραγωγή βιοαερίου Λίγοι υδατάνθρακες και λίγα στερεά (πολύ νερό) 40

41 Παραγωγή βιοαερίου Tί είναι; Το βιοαέριο, παράγεται από την αναερόβια χώνευση κτηνοτροφικών κυρίως αποβλήτων (λύματα από χοιροστάσια, βουστάσια),αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων και λυμάτων, καθώς και από αστικά οργανικά απορρίμματα. Αποτελείται από 65% μεθάνιο και 35% διοξείδιο του άνθρακα και μπορεί να αξιοποιηθεί ενεργειακά, μέσω της τροφοδοσίας του σε μηχανές εσωτερικής καύσης, σε καυστήρες αερίου ή σε αεροστρόβιλο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Tο βιοαέριο, με την κατάλληλη επεξεργασία και αναβάθμιση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως καύσιμο μεταφορών, με ιδιαίτερα ανταγωνιστική τιμή. Στη Σουηδία ήδη αρκετά οχήματα κινούνται με μεθάνιο και λειτουργούν σταθμοί διανομής βιοαερίου. Eλληνικός Σύνδεσμος Βιοαερίου 41

42 Η αναερόβια χώνευση αναφέρεται στην αποσύνθεση οργανικής ύλης παρουσία μικροοργανισμών, τα οποία αναπτύσσονται σε περιβάλλον «απουσία οξυγόνου» και αποτελεί μια από τις παλαιότερες μεθόδους βιολογικής επεξεργασίας. Το προερχόμενο από την διεργασία της αναερόβιας χώνευσης βιοαέριο περιέχει μεθάνιο (CH4) σε ποσοστό 50-70%, διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε ποσοστό που κυμαίνεται από 30-50% καθώς και ίχνη H2,, O2, H2S, N2 και υδρατμών. Eλληνικός Σύνδεσμος Βιοαερίου 42

43 Η διεργασία της Αναερόβιας Χώνευσης είναι µια αρκετά γνωστή και δοκιµασµένη τεχνολογία για την επεξεργασία των οργανικών αποβλήτων. Η ιστορία της χρονολογείται από το 1630 όταν επιστήµονες αντιλήφθηκαν ότι από αποσύνθεση οργανικής ύλης αναπτύσσονται καύσιµα αέρια. Το 1776 ο Α. Volta κατέληγε στο συµπέρασµα ότι υπάρχει ποσοτική σχέση µεταξύ του ποσού της οργανικής ύλης και του αερίου που παράγεται, συλλέγοντας αέριο σε ελώδεις περιοχές της λίµνης Κόµο στην Ιταλία. Το 1794 ο J. Dalton θα αποδείξει ότι το αέριο το οποίο παράγεται σε ελώδεις περιοχές είναι το µεθάνιο καθορίζοντας και την πυκνότητα του. Το 1808 από την αναερόβια χώνευση κοπριάς αγελάδων οριστικοποιείται ότι το αέριο το οποίο παράγεται είναι το µεθάνιο. Η πρώτη εφαρµογή αναερόβιας χώνευσης πραγµατοποιήθηκε στο Exeter στην Αγγλία το 1895 και συγκεκριµένα οι λάµπες του δηµοτικού φωτισµού της πόλης λειτουργούσαν από καύση βιοαερίου που προερχόταν από τα αστικά λύµατα. Eλληνικός Σύνδεσμος Βιοαερίου 43

44 Σήμερα, και με βάση την διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης, έχει δημιουργηθεί ένας τεράστιος κλάδος στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, ο κλάδος της παραγωγής βιοαερίου απο αναερόβια χώνευση οργανικών αποβλήτων. Τα τελευταία χρόνια, οι κυβερνήσεις ανά την Ευρώπη έχουν επενδύσει πάνω από 90 Δισεκατομμύρια $ στην βιομηχανία των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Οι σύγχρονες Κοινωνίες έχουν πλέον ως βασικό στόχο την προστασία του περιβάλλοντος και το τέλος της κλιματικής αλλαγής. Σε συνέχεια των παραπάνω τόσο οι Ευρωπαϊκές όσο και οι χώρες της Αμερικής χρησιμοποιούν όλο και μεγαλύτερο ποσοστό των δημοσίων δαπανών σε ΑΠΕ. Παρά τις πολλές προκλήσεις, που παρουσιάζει η αγορά του βιοαερίου, προσελκύει τόσο δημόσιες όσο και ιδιωτικές επενδύσεις, έχοντας ως βασικό πλεονέκτημα το γεγονός ότι η αναερόβια χώνευση είναι η καλύτερη δυνατή λύση διαχείρισης των επικίνδυνων για το περιβάλλον αποβλήτων, προστατεύοντας τις φυσικές πηγές ενέργειας, αντιμετωπίζοντας την κλιματική αλλαγή και ταυτόχρονα παράγοντας ενέργεια. Eλληνικός Σύνδεσμος Βιοαερίου 44

45 ΘΔ = ~22 MJ/Nm3 ή 19 ΜJ/kg 1 t org -> m3 Eλληνικός Σύνδεσμος Βιοαερίου 45

46 Παραγωγή βιοντίζελ Από χρησιμοποιημένα έλαια (π.χ. τηγανέλαια, κτλ.) καθαρισμός, εκχυλίσεις, κτλ. Από ελαιούχα φυτά (π.χ. ελαιοκράμβη) εκχυλίσεις Από ΛΚ - πυρόλυση Από υδάτινα οικοσυστήματα, (π.χ. μικροφύκη) καλλιέργεια, διαχωρισμοί 46

47 Σ. Δαμήλος, Διατριβή ΔΠΜΣ,

48 Παραγωγή βιοντίζελ According to the US microalgal species program ASP five groups of microalgae are considered having high priority for biofuel production: diatoms (Class Bacillariophyceae), green algae (Class Chlorophyceae), golden brown algae (Class Chrysophyceae), prymnesiophytes or haptophytes (Class Prymnesiophyceae), and eustigmatophytes (Class Eustigmatophyceae). 48

49 Συνθήκες καλλιέργειας μικροφυκών [ a ] CO [ b] θρεπτικά + ηλίακήενέργεια [ c O ] 2 (Θρεπτικά: Ν, Ρ,...) βιοµ άζα Είδος Μικροφυκών Ένταση Ακτινοβολίας (μmol/m 2 /s) Θερμοκρασία ( o C) ph Botrycoccus braunii 150 ± ,3 Schizochytrium limacinum 25 7,5 8,0 Nannochloropis sp ,0 8,0 Nitzischia laevis UTEX ,2 Chlorella vulgaris ,0 Chlorella emersonii ,0 Chlorella minutissima UTEX Chlorella protothecoides UTEX ,8 Σ. Δαμήλος, Διατριβή ΔΠΜΣ,

50 Καταναλώσεις CO 2 και παραγωγή βιομάζας μικροφυκών Μικροφύκη CO 2 (%) Θερμοκρασία ( o C) Παραγωγικότητα Βιομάζας (g/lt ημέρα) Ρυθμός δέσμευσης CO 2 (L ημέρα) Chlorococcum littorale Ν/Α 1 Chlorella kessleri a Chlorella sp. UK Ν/Α >1 Chlorella vulgaris 15 Ν/Α Chlorella vulgaris Air a Chlorella vulgaris Air a Chlorella sp N/A 1 Dunaliella a Haematococcus pluvialis Scenedesmus obliquus Air Scenedesmus obliquus Air Botryococcus braunii >1.0 Scenedesmus obliquus Spirulina sp a aυπολογισμένο βάση της παραγωγής της βιομάζας μέσω της εξίσωσης: Ρυθμός δέσμευσης CO 2 = 1,88 παραγωγή βιομάζας, η οποία προέρχεται από την τυπική μοριακή σύνθεση της βιομάζας των μικροφυκών, CO 0.48 H 1.83 N 0.11 P 0.01 Σ. Δαμήλος, Διατριβή ΔΠΜΣ,

51 Ανοικτές Δεξαμενές (open raceway ponds) 51

52 Photo Bioreactor (PBR) Wikipedia 52

53 Lipid content of various microalgae 53

54 Chemical composition of selected microalgae 54

55 Processing microalgae biomass 55

56 Comparison of types of sources for the oil production 56

57 Comparison of algal biodiesel with iesel and EN biodiesel standard 57

58 Comparison of algal biodiesel with iesel and EN biodiesel standard 58

59 Τransesterification Οι α ύλες περιέχουν τριγλυκερίδια Triglycerides (1) are reacted with an alcohol such as ethanol (2) to give ethyl esters of fatty acids (3) and glycerol (4): Wikipedia 59

60 Flow chart of direct transesterification method Methanol Acid catalyst Acetyl chloride Sulfuric Acid Microalgal Biomass (Dried powder) FAME Methanol Glycerol Reformed Acid Catalyst Un-transesterified lipids Cell Debris FAME 60

61 Comparison of transesterification technologies 61

62 Μικροφύκη: - Παράγονται βιοχημικά - down-stream διεργασίες (παραλαβή λιπαρών, τρανσεστεροποίηση, αναβάθμιση, κτλ...) 62

63 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.