«Αξιοποίηση Τυρογάλακτος με Ζύμωση για Παραγωγή Αλκοόλης» Αφοι Σωτ. Ρίζου Ο.Ε.

Transcript

1 «Αξιοποίηση Τυρογάλακτος με Ζύμωση για Παραγωγή Αλκοόλης» Αρ. Κουπονιού: Αφοι Σωτ. Ρίζου Ο.Ε. Υπεύθυνος έργου Δρ. Κων/νος Πετρωτός Εργαστήριο Μηχανικής Μεταποίησης Αγροτικών Προϊόντων Τμήμα Μηχανικής Βιοσυστημάτων Λάρισα, 2010

2 Τίτλος έργου: Αξιοποίηση Τυρογάλακτος με Ζύμωση για Παραγωγή Αλκοόλης 1. Εισαγωγή Στα πλαίσια του παρόντος προγράμματος η επιχείρηση με την βοήθεια του Εργαστηρίου Μηχανικής Μεταποίησης Αγροτικών Προϊόντων και Τροφίμων του Τμήματος Βιοσυστημάτων και του Εργαστηρίου Μικροβιολογίας & Βιοτεχνολογίας Τροφίμων του Τμήματος Τεχνολογίας Τροφίμων του ΤΕΙ Λάρισας πραγματοποίησε μελέτες ζύμωσης του (αποπρωτεϊνωμένου) τυρογάλακτος, που προκύπτει ως απόβλητο της τυροκομίας, για την παραγωγή αιθανόλης από τη ζύμη Kluyveromyces marxianus. H τεχνολογία αυτή που έχει ήδη εφαρμοστεί σε διάφορες χώρες με υψηλή παραγωγή τυρογάλακτος μπορεί να αξιοποιήσει τα σάκχαρα του αποβλήτου αυτού (λακτόζη κυρίως) και να παρέχει ικανοποιητικές (οικονομικά συμφέρουσες και βιώσιμες) συγκεντρώσεις αλκοόλης, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο από τη βιομηχανία ή και για την παραγωγή ελαφρώς αλκοολούχων γαλακτοκομικών ποτών-ροφημάτων. Ταυτόχρονα, η κυτταρική βιομάζα της ζύμης που καλλιεργείται μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διατροφικό συμπλήρωμα (μονοκυτταρική πρωτείνη) πλούσιο σε πρωτείνη, σάκχαρα, βιταμίνες και μέταλλα-ιχνοστοιχεία για την ανθρώπινη διατροφή, ή για συμπλήρωμα ζωοτροφών, ενώ το υγρό απόβλητο που απομένει μετά την αλκοολική ζύμωση και την απομάκρυνση της βιομάζας έχει ελάχιστα σάκχαρα, αμινοξέα και άλατα και πολύ χαμηλό ρυπαντικό φορτίο (χαμηλές τιμές BOD-Βιολογικώς Απαιτούμενου Οξυγόνου και COD-Χημικώς Απαιτούμενου Οξυγόνου), και επιβαρύνει ελάχιστα το περιβάλλον ή το σύστημα βιολογικού καθαρισμού σε σχέση με το αρχικό απόβλητο (τυρόγαλα). 1.1 Παραγωγή τυρογάλακτος To τυρόγαλα αποτελεί υποπροϊόν της γαλακτοβιομηχανίας, και πιο συγκεκριμένα, της τυροκομήσεως (Σχήμα 1). Σύμφωνα με την απόφαση 97/80/ΕΚ το τυρόγαλα, ή ορός γάλακτος, ορίζεται ως το υπολειμματικό προϊόν που παράγεται κατά την παρασκευή τυριού ή καζεΐνης. 1

3 Το τυρόγαλα περιέχει το μεγαλύτερο ποσοστό της λακτόζης και των οροπρωτεϊνών του γάλακτος, και επίσης διάφορα άλατα. Η αναλογία των συστατικών του κυμαίνεται ανάλογα με το είδος του γάλακτος και το είδος του τυριού που παρασκευάζεται (Μάντης, 2000). Μερικά από τα θρεπιτκά που περιέχονται στο τυρόγαλο είναι πρωτεϊνες, πεπτίδια, λιπίδια, βιταμίνες και λακτόζη, η οποία είναι και η πιο άφθονη (4,5-5% w/v) (Guimarães et al., 2010). Γενικά το τυρόγαλα από πρόβειο γάλα αναμένεται να έχει μεγαλύτερες συγκεντρώσεις συνολικών στερεών από το αγελαδινό (Μάντης, 2000). Σχήμα 1. Τυρόγαλα. Το τυρόγαλα παράγεται σε μεγάλες ποσότητες. Κατά κανόνα, η παρασκευή 1 kg τυριού συνεπάγεται την παραγωγή περίπου 9 L τυρογάλακτος (Kosikowski, 1979; Guimarães et al., 2010). Σε ετήσια βάση, η παγκόσμια παραγωγή τυρογάλακτος ξεπερνά τους 160 εκατομμύρια τόνους, ενώ παρατηρείται ετήσιος ρυθμός αύξησης της τάξης του 1-2% (OECD-FAO, 2008). Το τυρόγαλα διαθέτει ισχυρό ρυπαντικό φορτίο. Κυρίως λόγω του γαλακτικού οξέος και των οργανικών συστατικών του παρουσιάζει υψηλό ΒΟD και όταν απορρίπτεται σε υδροφορείς δημιουργεί σημαντικές επιπτώσεις στον αντίστοιχο βιότοπο. Αποτελεί επομένως, ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα Από την άλλη όμως, όπως προαναφέρθηκε, το τυρόγαλα διατηρεί πολλά από τα θρεπτικά στοιχεία του γάλακτος και έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πολλών προϊόντων υψηλής 2

4 προστιθέμενης αξίας, επιτρέποντας έτσι στην βιομηχανία να το αντιμετωπίσει σαν πόρο, και όχι σαν απόβλητο. 1.2 Διαχείριση του τυρογάλακτος H διαχείριση του τυρογάλακτος αποτελεί εδώ και χρόνια πρόκληση για τη γαλακτοβιομηχανία. Η αύξηση της παραγωγής του τυριού είχε σαν αποτέλεσμα την αύξηση και του όγκου του παραγόμενου τυρογάλακτος, το οποίο συνήθως διατίθονταν ακατέργαστο σε γειτονικά ρέματα (για αυτό άλλωστε παρατηρήθηκε και η κατασκευή των αντίστοιχων τυροκομικών μονάδων κοντά σε υδροφορείς), με αποτέλεσμα τη σοβαρότατη ρύπανση των υδάτων. Άλλες παλαιότερες μέθοδοι διαχερισης του τυρογάλακτος αφορούσαν στην εφαρμογή του τυρόγαλκτος στο έδαφος, την τροφοδοσία των μηρυκαστικών, την οξείδωση σε δεξαμενές αερόβιας κατεργασίας (lagoons), ή εναλλακτικά, τη διάθεση στο δίκτυο του δημοτικού βιολογικού καθαρισμού. Με τις παραπάνω μεθόδους, όμως, δεν επιτυγχάνοταν η αξιοποίηση των θρεπτικών συστατικών του τυρογάλακτος, ενώ παράλληλα υψηλά κόστη βάρυναν την γαλακτοβιομηχανία λόγω κυρίως του υψηλού κόστους μεταφοράς, ή συνέβαινε σημαντική επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Επιπλέον, σήμερα, οι κανονισμοί απαγορεύουν τη διάθεση του τυρογάλκτος στους υδροφορείς, αλλά ακόμα και στο δίκτυο του βιολογικού καθαρισμού λόγω της σημαντικής επιβάρυνσης της λειτουργίας του τελευταίου εξαιτίας του υψηλού ρυπαντικού φορτίου του τυρογάλακτος. Προκειμένου λοιπόν να αναπτυχθούν ολοκληρωμένες λύσεις για το πρόβλημα του τυρογάλακτος, θα πρέπει να αντιμετωπιστεί ως πόρος, και όχι ως λύμα, για την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Περίπου ένα ποσοστό της τάξης του 50% της παγκόσμιας παραγωγής τυρογάλακτος μετατρέπεται σε διάφορα προϊόντα διατροφής, με πιο κοινό προϊόν τη σκόνη τυρογάλακτος, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως ως ζωοτροφή, αλλά και ως συστατικό ανθρώπινων τροφίμων (ανάλογα με την ποιότητα της), όπως για παράδειγμα παγωτών, σαλτσών, προψημένων προϊόντων κ.α. Ένα άλλο σημαντικό τμήμα του τυρογάλακτος χρησιμοποιείται για την παραγωγή πολύτιμων προϊόντων με ζύμωση. Τέτοια προϊόντα είναι η αιθανόλη, το βιοαέριο, οργανικά οξέα, αμινοξέα, βιταμίνες, 3

5 πολυσακχαρίτες, ένζυμα, κ.α., τα οποία παράγονται με ζύμωση της λακτόζης του τυρογάλακτος (Μάντης, 2000; Guimarães et al., 2010). 1.3 Το παρόν ερευνητικό έργο Η εταιρεία ΑΦΟΙ ΣΩΤ. ΡΙΖΟΥ Ο.Ε. δραστηριοποιείται στην παραγωγή φέτας και άλλων τυριών ποιότητας στην περιοχή του Τυρνάβου της Λάρισας. Όπως και άλλες επιχειρήσεις του κλάδου αντιμετωπίζει πρόβλημα με την διαχείριση του τυρογάλακτος που παράγεται σαν υποπροϊόν της τυροκόμησης. Στα πλαίσια της παρούσας ερευνητικής πρότασης η εταιρεία με την βοήθεια του εργαστηρίου Μηχανικής μεταποίησης αγροτικών προϊόντων και τροφίμων του Τμήματος Μηχανικής Βιοσυστημάτων του ΤΕΙ Λάρισας πρόκειται να δοκιμάσει μία καινοτόμο ιδέα παραγωγής βιοαιθανόλης με απευθείας ζύμωση της λακτόζης του τυρογάλακτος σε βιοαντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης τύπου CSTR. Mε τον παραπάνω τρόπο θα μπορέσει η επιχείρηση να αντιμετωπίσει το πρόβλημα του αποβλήτου της και μεταφέροντας σε βιομηχανική κλίμακα τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης θα λύσει με ορθολογιστικό τρόπο το πρόβλημα του τυρογάλακτος κερδίζοντας προστιθέμενη αξία από την πώληση της παραγόμενης αλκοόλης και από την διακοπή λειτουργίας του βιολογικού καθαρισμού που επί του παρόντος επιβαρύνει την επιχείρηση με μεγάλα λειτουργικά κόστη. 1.4 Μελέτη διεθνούς βιβλιογραφίας σχετικά με την παραγωγή βιοαιθανόλης από τυρόγαλα. Το Τυρόγαλα ως απόβλητο και υπόστρωμα ζύμωσης Το τυρόγαλα είναι ένα απόβλητο πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά, αλλά και με υψηλό ρυπαντικό φορτίου, αφού περιέχει σάκχαρα (λακτόζη) σε ποσοστό %, πρωτεΐνες ορού σε ποσοστό % και λίπος σε ποσοστό %, ενώ περιέχει και μεγάλη ποικιλία ανόργανων και άλλων οργανικών ουσιών. Στις αζωτούχες ενώσεις του τυρογάλακτος ανήκουν οι αλβουμίνες και γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνιση του. Επιπλέον υπάρχουν πρωτεόζεςπεπτόνες και άλλες υδατοδιαλυτές αζωτούχων ουσιών που δεν πήζουν ούτε με την (ήπια) θέρμανση του τυρογάλακτος. Τέλος, το τυρόγαλα έχει πλήθος αλάτων και 4

6 βιταμινών. Βεβαίως, η σύσταση του τυρογάλακτος ποικίλει ανάλογα με τη σύσταση και την προέλευση του γάλακτος από το οποίο προέρχεται (αγελαδινό/αιγοπρόβειο), τις επεξεργασίες και τη θερμική μεταχείριση που έχει δεχτεί το γάλα πριν την τυροκόμηση (αποκορύφωση, παστερίωση), τον τρόπο πήξης του (ένζυμα, βιολογική οξίνιση, προσθήκη οξέων), το βαθμό διαίρεσης του τυροπήγματος και τον τρόπο και τη θερμοκρασία τυχόν αναθέρμανσης του τυροπήγματος (Ζερφυρίδης 1983). Μια ενδεικτική μέση τιμή οξυγόνου που απαιτείται για τη χημική οξείδωση του τυρογάλακτος (COD) ανέρχεται σε 60 g/l, με αποτέλεσμα το τυρόγαλα να προκαλεί σημαντική ρύπανση όταν απορρίπτεται στο περιβάλλον. Η απόρριψη του στο αποχετευτικό δίκτυο των πόλεων απαγορεύεται αν δεν έχει προηγηθεί βιολογική επεξεργασία, αλλά η δυνατότητα μείωσης της οργανικής του ουσίας είναι δύσκολη ακόμα και μέσα από τα συστήματα βιολογικού καθαρισμού των βιομηχανιών, πολλές από τις οποίες δεν διαθέτουν τέτοια συστήματα και απορρίπτουν παράνομα το απόβλητο στο περιβάλλον. Σήμερα παράγονται περίπου 120 εκατομμύρια τόνοι τυρογάλακτος σε όλο τον κόσμο (Peters 2006). Από την παραγωγή αυτή αξιοποιείται μόνο το 55% περίπου. Το υπόλοιπο απορρίπτεται ως απόβλητο. Όμως οι δυνατότητες ποιοτικής αξιοποίησης του τυρογάλακτος είναι πολλές και συνεχώς αυξάνουν. Έτσι, το τυρόγαλα χρησιμοποιείται για ζωοτροφή, ως λίπασμα, σε αρτοπαρασκευάσματα, στη ζαχαροπλαστική-μαγειρική, για την παρασκευή τυριών τυρογάλακτος, για παραγωγή σκόνης τυρογάλακτος, αφαλατωμένου τυρογάλακτος, πρωτεϊνών τυρογάλακτος καθώς και για την παραγωγή λακτόζης. Επίσης, η αξιοποίηση του τυρογάλακτος μπορεί να συνδυαστεί με μικροβιακές ζυμώσεις ή ενζυμικές επεξεργασίες (από μικροοργανισμούς ή/και ένζυμα που αποικοδομούν τη λακτόζη) με σκοπό την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως γαλακτικό οξύ, αιθανόλη, βιταμίνες, β-γαλακτοσιδάση, ξύδι, βιομάζα-μονοκυτταρική πρωτείνη, κλπ) (Αγγελής 2007, Mahmoud and Kosikowski 1982). Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την ανάπτυξη μικροοργανισμών, (π.χ. γένη Kluyveromyces, Candida, Trichosporum, Torula), που δίδουν βιομάζα υψηλής βιολογικής αξίας, με συγκέντρωση πρωτείνης που μπορεί να φτάσει μέχρι 80% επί της ξηρού βάρους της βιομάζας, έπειτα από μόλις λίγες ημέρες ζύμωσης. Η βιομάζα αυτή καλείται μονοκυτταρική πρωτεΐνη (single cell protein) (Αγγελής 2007). Για 5

7 παράδειγμα, στη Γαλλία η Εταιρεία «Fromageries Le Bel» παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη από τη ζύμη Kluyveromyces fragilis έπειτα από ζύμωση τυρογάλακτος σε βιομηχανική κλίμακα, η οποία χρησιμοποιείται ως συμπλήρωμα (ανθρώπινης) διατροφής (Αγγελής 2007). Η μετατροπή της λακτόζης του τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία, οι Η.Π.Α και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία, όπου το 50 % του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson, 1994). Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό, καθώς διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη, και έχουν τη δυνατότητα βιοσύνθεσης αλκοόλης. Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-batch, ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K. fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95 % της λακτόζης του τυρογάλακτος, με αποτελεσματικότητα μετατροπής % της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0,538 Kg αιθανόλης / Kg λακτόζης) (Mawson, 1994, Barba et al, 2001). Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al, 2002). Γενικά η παραγωγή αιθανόλης από μη συμπυκνωμένα διαλύματα τυρογάλακτος δεν είναι συνήθως οικονομικά συμφέρουσα, διότι τα επίπεδα της αιθανόλης που παράγονται αγγίζουν μόλις το 2-2,5 % (Tin and Mawson, 1993, Zafar and Owais, 2006), κυρίως λόγο της αναστολής του μικροοργανισμού εξ αιτίας της συσσώρευσης αιθανόλης στο υπόστρωμα ζύμωσης, και των μη βέλτιστων συνθηκών αλκοολικής ζύμωσης. Η αναστολή αυτή περιορίζεται μερικώς με τη χρήση υψηλού ποσοστού εμβολίου και κυττάρων προσαρμοσμένων σε υπόστρωμα λακτόζης και στις συνθήκες της επακολουθούμενης ζύμωσης. Υπάρχουν ωστόσο αρκετοί μικροοργανισμοί (και επιμέρους στελέχη αυτών) έχουν επιλεγεί ή μεταλλαχθεί εργαστηριακά, ώστε να μπορούν να μετατρέψουν πάνω από το 90 % της λακτόζης συμπυκνωμένων διαλυμάτων σε αιθανόλη (Castillo, 1990, Giumaraez et al, 2008, Sanom et al, 2008). To κόστος της ζύμωσης μειώνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης της λακτόζης πάνω από g/ l λακτόζης (υπερδιπλασιασμό της αρχικής συγκέντρωσης σακχάρων στο υπόστρωμα ζύμωσης), με άλλα λόγια έπειτα από συμπύκνωση του τυρογάλακτος. Για τη συμπύκνωση αυτή (της λακτόζης) μπορεί να γίνει υπερδιήθιση 6

8 στο τυρόγαλα, οπότε επιτυγχάνετε συμπύκνωση μέχρι και 5 φορές, αλλά αυξάνει το κόστος επεξεργασίας (περίπου 50 δολλάρια/m 3 αρχικού τυρογάλακτος). Εναλλακτικά το τυρόγαλα μπορεί να αποξηρανθεί σε σκόνη με θερμική συμπύκνωση, εκνέφωση, κλπ (το οποία επίσης έχει ένα κόστος περίπου δολλάρια/τόνο αρχικού τυρογάλακτος) (Guadix et al, 2004). Ωστόσο αυτά τα επιπλέον κόστη ισοσκελίζονται από το κέρδος που προκύπτει κατά την απόσταξη και τον καθαρισμό της αιθανόλης από τα υπόλοιπα συστατικά της ζύμωσης, καθώς σε συμπυκνωμένα υποστρώματα αυξάνεται η συγκέντρωση της παραγόμενης αιθανόλης (μέχρι βέβαια κάποιο όριο συγκέντρωσης διαλυτών στερεών πέρα από το οποία η υψηλή ωσμωτική πίεση δρα ανασταλτικά), δηλαδή όσο πυκνότερα τα διαλύματα αιθανόλης που παράγονται, τόσο μικρότερο το κόστος ανάκτησης. Η συγκέντρωση αιθανόλης έχει αναφερθεί ότι μπορεί να φτάσει το 10-12% με τη χρήση σκόνης τυρογάλακτος και συγκέντρωση λακτόζης 20%, έπειτα όμως από επαναλαμβανόμενες ζυμώσεις με σταδιακή τροφοδοσία υποστρώματαος (fed-batch), που διαρκούν ωστόσο αρκετές μέρες αυξάνοντας τα λειτουργικά κόστη (Ozmichi and Kargi, 2007). Επίσης, μια άλλη προσέγγιση στην παραγωγή βιοαιθανόλης από τυρόγαλα είναι η παραγωγή από τη ζύμη Saccharomyces cerevisiae (την ζύμη του κρασιού) που παράγει σημαντικές ποσότητες αλκοόλης σε υπόστρωμα γλυκόζης (~15%), αλλά δεν μπορεί να αποικοδομήσει τη λακτόζη. Έτσι, στις περιπτώσεις αυτές γίνεται ακινητοποίηση κυττάρων του Saccharomyces cerevisiae μαζί με το ένζυμο β- γαλακτοσιδάση, το οποίο διασπάει τη λακτόζη σε γλυκόζη και γαλακτόζη, ανοίγοντας το δρόμο για τη αλκοολική ζύμωση από τον S. cerevisiae. Έτσι, μπορεί να παραχθεί αλκοόλη σε συγκέντρωση ~6%, αλλά το κόστος παραγωγής αυξάνεται λόγω της χρήσης ακινητοποιημένων ενζύμων και κυττάρων (Stanizcewski et al, 2007). Η ακινητοποίηση αυξάνει την αντοχή των μικροοργανισμών στην αιθανόλη που συσσωρεύεται στο υγρό της ζύμωσης, με αποτέλεσμα η ζύμωση να συνεχίζεται για περισσότερο χρόνο πριν τα κύτταρα μπουν σε φάση στασιμότητας και θανάτου, με αποτέλεσμα καλύτερη αξιοποίηση των σακχάρων και βελτιωμένη παραγωγή αιθανόλης. Επιπλέον τα ακινητοποιημένα κύτταρα μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν. Η ζύμωση ακινητοποιημένων κυττάρων Kluyveromyces marxianus και Saccharomyces cerevisiae (μαζί) είναι επίσης μια προσέγγιση για την αύξηση της παραγώμενης αλκοόλης κατά 40% σε σχέση με ελεύθερα κύτταρα Kluyveromyces marxianus (Gou et al, 2010). 7

9 Η Αιθανόλη ως καύσιμο Την τελευταία δεκαετία η Ευρωπαϊκή Ένωση ενδιαφέρεται όλο και περισσότερο για την παραγωγή βιοαιθανόλης, δίνοντας σημαντικά κίνητρα (π.χ. φορολογικές απαλλαγές) για τη δημιουργία και την επέκταση των επενδύσεων στους τομείς παραγωγής και χρήσης της βιοαιθανόλης. Άλλωστε έχει θεσπιστεί η οδηγία 2003/30/ΕΚ της Ευρωπαϊκής Ένωσης, σύμφωνα με την οποία όλα τα κράτη-μέλη πρέπει να αντικαταστήσουν σταδιακά τη βενζίνη και το πετρέλαιο κίνησης με βιοκαύσιμα σε ποσοστό 5,7% έως το 2010 [Faaij, 2006]. Η παραγωγή και κατανάλωση αιθανόλης τις τελευταίες δεκαετίες, και κυρίως μετά την πετρελαϊκή κρίση του 1975, αυξάνεται συνεχώς, ενώ τα τελευταία χρόνια η κύρια χρήση της πλέον είναι ως καύσιμη ύλη σε αντίθεση με προηγούμενες δεκαετίες όπου χρησιμοποιούνταν κυρίως σε αλκοολούχα ποτά ή ως οργανικός διαλύτης σε βιομηχανικές εφαρμογές (βαφές, αρώματα, καλλυντικά, φάρμακα, κλπ) (Διάγραμμα 1). Μάλιστα η εταιρία Shell προβλέπει ότι το έτος 2060 η παραγωγή βιοαθανόλης και βιοντίζελ θα έχει ξεπεράσει σε όγκο την παγκόσμια παραγωγή πετρελαίου (Lynd et al, 1999). Κύριος παραγωγός βιοαιθανόλης σε παγκόσμιο επίπεδο είναι η Βραζιλία, η οποία καταναλώνει ετησίως περίπου 4 δισεκατομμύρια γαλόνια αιθανόλης, ακολουθούμενη από τις Η.Π.Α. Για την παραγωγή της βιοαιθανόλης χρησιμοποιούνται καλλιέργειες φυτών πλούσιων σε σάκχαρα όπως ο σόργος, το καλαμπόκι, το σακχαροκάλαμο [ Διάγραμμα 3.1. Παγκόσμια παραγωγή αιθανόλης ανά είδος χρήσης [ Fuel- Ethanol-A&O-2004.html]. 8

10 Η αιθανόλη ως καύσιμο έχει πολλά πλεονεκτήματα έναντι συμβατικών ορυκτών καυσίμων με κυριότερο ίσως την μείωση των ατμοσφαιρικών ρύπων και του φαινομένου του θερμοκηπίου. Πιο συγκεκριμένα τα πλεονεκτήματα της είναι τα εξής [ - Είναι μη ορυκτό καύσιμο του οποίου η παρασκευή και η καύση δεν αυξάνουν το φαινόμενο του θερμοκηπίου, ενώ μπορεί να μειώσει σημαντικά τις εκπομπές CO αλλά και CO από ορυκτά καύσιμα [Wyman, 1994]. 2 - Είναι βιοαποικοδομήσιμη, μη τοξική και διαλυτή στο νερό, με αποτέλεσμα να μην προκαλεί αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον σε περίπτωση διαρροής (αντίστοιχο των πετρελαιοκηλίδων). - Η υψηλή περιεκτικότητα της σε οξυγόνο, μειώνει τα επίπεδα του μονοξειδίου του άνθρακα και μάλιστα κατά %. Εκτιμάται πως η μείωση των εκπομπών των οξειδίων του άνθρακα με τη χρήση βιοαιθανόλης σε ποσοστό 5 %, ισοδυναμεί με την απομάκρυνση από την κυκλοφορία αυτοκινήτων [ - Με την χρήση μιγμάτων αιθανόλης μειώνονται δραστικά οι εκπομπές υδρογονανθράκων, οι οποίοι αποτελούν μια από τις κύριες αιτίες για την «τρύπα του όζοντος. Ομοίως, τα μίγματα υψηλής συγκέντρωσης αιθανόλης μειώνουν τις εκπομπές μονοξειδίου του αζώτου σε ποσοστό μεγαλύτερο του 20%. - Τα υψηλής συγκέντρωσης αιθανόλης μίγματα μπορούν να μειώσουν κατά 30 % τις εκπομπές των πτητικών οργανικών συστατικών. - Σαν ενισχυτής των αριθμών οκτανίων, μπορεί να μειώσει κατά 50% ή και περισσότερο, τις εκπομπές του βενζενίου και του βουταδιενίου, τα οποία είναι καρκινογόνα ενώ αντικαθιστά άλλα επιβλαβή πρόσθετα, όπως τον μόλυβδο. - Μειώνει επίσης σημαντικά τις εκπομπές του διοξειδίου του θείου αλλά και της σωματιδιακής ουσίας (Particulate matter). - Σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα των οποίων τα αποθέματα είναι πεπερασμένα, η αιθανόλη είναι ανανεώσιμη. - Αυξάνει των αριθμό των οκτανίων της βενζίνης με μικρό κόστος. - Μειώνεται η εξάρτηση των κρατών από το πετρέλαιο. 9

11 - Παράγεται εύκολα ακόμα και σε οικογενειακή κλίμακα και αποδίδει 34% περισσότερη ενέργεια από αυτή που απαιτείται για την παραγωγή της. Ωστόσο, η βιοαιθανόλη έχει και ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα: - Η παραγωγή της με τη χρήση ενεργειακών φυτών μειώνει τα αποθέματα σε σιτηρά, και σακχαρούχα φυτά, με αποτέλεσμα την αύξησης της διαθεσιμότητας και της τιμής των τροφίμων και την επιδείνωση του υποσιτισμού σε ορισμένες χώρες του κόσμου. - Η απόδοση της αιθανόλης σαν καύσιμο είναι χαμηλότερη από αυτή του πετρελαίου ή της βενζίνης (Το ενεργειακό περιεχόμενο της αιθανόλης, ισοδυναμεί με τα 2/3 του αντίστοιχου της βενζίνης [Lynd, 1996]), άρα απαιτείται περισσότερο καύσιμο για την ίδια ενεργειακή απαίτηση. - Η παραγωγή της βιοαιθανόλης έχει μεγαλύτερο κόστος από το αντίστοιχο της βενζίνης (ωστόσο, η παραγωγή βιοαιθανόλης, τουλάχιστον για την ώρα, επιδοτείται στην Ευρωπαϊκή Ένωση) Τα μειονεκτήματα αυτά θα μπορούσαν να ξεπεραστούν με τη χρήση οργανικών αποβλήτων όπως το τυρόγαλα, αντί των ενεργειακών φυτών, ώστε να μην μειώνεται η παραγωγή τροφίμων και να αντίθετα να μειώνεται το κόστος παραγωγής καθώς τα γεωργικά απόβλητα έχουν πρακτικά μηδενικό κόστος ως α ύλη για την μικροβιακή ζύμωση. Βέβαια, λόγω της εποχικής διαθεσιμότητας του τυρογάλακτος και της διασποράς των τυροκομείων, ιδίως σε χώρες όπως η Ελλάδα, η δημιουργία μεγάλων μονάδων παραγωγής βιοαιθανόλης σε εθνική κλίμακα έχει κάποιες δυσκολίες, ωστόσο η δημιουργία μικρών τοπικών μονάδων σε περιοχές με έντονη κτηνοτροφική και τυροκομική δραστηριότητα (όπως η Θεσσαλία) αποκτά ιδιαίτερη σημασία, καθώς θα μπορούσε να προσφέρει μια λύση στο ενεργειακό κόστος αυτών παραγωγικών μονάδων και ταυτόχρονα να βελτιώσει τις περιβαλλοντικές επιδόσεις αυτών των βιομηχανιών σε σχέση με τα απόβλητά τους. 10

12 2. Ζύμωση της λακτόζης του τυρογάλακτος προς αιθανόλη 2.1 Γενικές πληροφορίες Η ζύμωση της λακτόζης του τυρογάλακτος σε αιθανόλη με τη χρήση ζυμομυκήτων είναι μια γνωστή διαδικασία. Η αντίδραση της ζύμωσης της λακτόζης (C 12 H 22 O 11 ) προς αιθανόλη (C 2 H 5 OH) περιγράφεται στην Εξίσωση 1. C 12 H 22 O 11 + H 2 O (Εξ. 1) yeast 4C 2 H 5 OH + 4CO 2 Συνοπτικά, κατά την αλκοολική ζύμωση, η προσθήκη του ζυμομύκητα στη λακτόζη έχει ως αποτέλεσμα τις δύο ακόλουθες αντιδράσεις: αρχικά η λακτόζη διασπάται σε δύο σάκχαρα (γαλακτόζη και γλυκόζη), από τα οποία και αποτελείται (Εξ. 2), και έπειτα τα δύο αυτά σάκχαρα ζυμώνονται προς αιθανόλη (Εξ. 3). Επομένως, η ολική αντίδραση έχει ως αποτέλεσμα την μετατροπή 1 mol λακτόζης σε 4 mol αιθανόλης, με αποτέλεσμα η θεωρητική απόδοση της αντίδρασης να είναι 0,538 g αιθανόλης για κάθε g λακτόζης που καταναλώνεται (Sansonetti et al., 2010). λακτόζη + H 2 O γαλακτόζη + γλυκόζη (Εξ. 2) γαλακτόζη + γλυκόζη 4 αιθανόλη + 4CO 2 3) (Εξ. Η μετατροπή της λακτόζης του τυρογάλακτος σε αιθανόλη δεν είναι το ίδιο ανταγωνιστική από οικονομικής άποψης, σε σχέση με τη χρήση ζαχαροκάλαμου ή άμυλου καλαμποκιού. Η αιθανόλη, όμως, που προκύπτει από το τυρόγαλο, είναι πόσιμη και για αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή τροφίμων, αναψυκτικών, καθώς και στην φαρμακοβιομηχανία και την βιομηχανία καλλυντικών. Επιπλέον, η χρήση της λακτόζης του τυρογάλακτος για παραγωγή αιθανόλης είναι πλεονεκτική από την άποψη ότι για τη ζύμωση χρησιμοποιείται/αξιοποιείται ένα παραπροϊόν (απόβλητο) και όχι ένα προϊόν το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τροφή (Guimarães et al., 2010). 11

13 Παράδειγμα επιτυχούς και εκτεταμένης παραγωγής αιθανόλης από τη λακτόζης του τυρογάλακτος αποτελεί η Νέα Ζηλανδία. Με παραγωγή περίπου L αιθανόλης από τη ζύμωση της λακτόζης του τυρογάλακτος ετησίως, καλύπτει τις ανάγκες της σε αιθανόλη και προβαίνει και σε εξαγωγή περισσότερης της μισής παραγωγής σε ποικίλες αγορές, όπως η Σρι Λάνκα και η Ιαπωνία, με την κύρια ποσότητα του παραγόμενου προϊόντος να χρησιμοποιείται στη βιομηχανία αναψυκτικών. Άλλες χρήσεις ενδεικτικά αναφέρονται: βιομηχανικοί διαλύτες, λευκό ξύδι, φάρμακα, χειρουργικό οινόπνευμα, χρωστικές και αρωματικά τροφίμων, υψηλής ποιότητας αποσμητικά και αρώματα, αεροζόλ-ειδικά για προϊόντα μαλλιών, μπογιές, μελάνι εκτύπωσης, κ.α. (NZIC, 2010). Άλλες χώρες με ανεπτυγμένη βιομηχανική παραγωγή αιθανόλης από τη λακτόζη του τυρογάλακτος είναι η Ιρλανδία, οι ΗΠΑ και η Δανία. Η ζύμωση της λακτόζης του τυρογάλακτος, συνήθως δεν λαμβάνει χώρα απευθείας στο τυρόγαλο που προκύπτει από την παρασκευή τυριού (π.χ. φέτας), αλλά μετά την απομάκρυνση των πρωτεϊνών από το τυρόγαλο, ή μετά από επαναχρησιμοποίηση του τυρογαλάκτος για παραγωγή άλλων τύπων τυριών, π.χ. μυζήθρας. Η ανάκτηση των πρωτεϊνών του τυρογάλακτος γίνεται συνήθως με υπερδιήθηση και παράγονται συμπυκνώματα πρωτεϊνών τα οποία χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων και φαρμάκων. Παραπροϊόν της διαδικασίας αυτής αποτελεί το πλούσιο σε λακτόζη διήθημα, (με περισσότερο από το 70% ολικά στερεά του τυρογάλακτος) το οποίο χρησιμοποιείται στην ζύμωση για παραγωγή αιθανόλης. Από το τυρόγαλα παρασκευάζονται επίσης ορισμένα είδη τυριών. Στην Ελλάδα, από το τυρόγαλα παρασκευάζονται η μυζήθρα, ο ανθότυρος και το μανούρι (Ανυφαντάκης 1993; Μάντης, 2000). Η μυζήθρα παρασκευάζεται από τυρόγαλα, που προέρχεται από γάλα πρόβειο, ή γίδινο, ή αγελαδινό, ή μίγματα αυτών (Μάντης, 2000). Η παραγωγή των τυριών αυτών από το τυρόγαλα έχει σαν αποτέλεσμα την «κατακράτηση» των πρωτεϊνών στη μυζήθρα, αλλά και κάποιου ποσοστού της λακτόζης, ενώ το διήθημα που παράγεται ως παραπροϊόν της διαδικασίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ζύμωση προς αιθανόλη. 12

14 2.2 Είδη ζυμομυκήτων για ζύμωση λακτόζης προς αιθανόλη Τα πιο κοινά είδη ζυμομυκήτων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή αιθανόλης από τη λακτόζη του τυρογάλακτος ανήκουν στην οικογένεια Saccharomycetaceae και στο γένος Kluyveromyces spp. (είδη: K. marxianus, K. fragilis, Κ. lactis) ή στο γένος Saccharomyces (είδος: S. cerevisiae). Επίσης, χρησιμοποιείται και το είδος C. pseudotropicalis (Candida pseudotropicalis). Σχήμα 2. Ζυμομύκητες αναπτυσσόμενοι σε άγαρ K. lactis O ζυμομύκητας K. lactis δεν προτιμάται για την παραγωγή αιθανόλης, παρόλο που έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για άλλες βιοτεχνολογικές εφαρμογές, όπως η παραγωγή ετερόλογων πρωτεϊνών. Η ικανότητα του συγκεκριμένου ζυμομύκητα να μεταβολίζει τη λακτόζη προέρχεται από την παρουσία μιας περμεάσης της λακτόζης και μιας β- γαλακτοσιδάσης. Η τελευταία υδρολύει τη λακτόζη σε γλυκόζη και γαλακτόζη. Η ενδοκυττάρια γλυκόζη συμμετέχει στη γλυκόλυση, ενώ η γαλακτόζη ακολουθεί την οδό Leloir (Guimarães et al., 2010). Επιπλέον, ο ζυμομύκητας K. lactis παρουσιάζει χαμηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης σε σύγκριση με τον K. marxianus, με αποτέλεσμα ο τελευταίος να προτιμάται για την παραγωγή αιθανόλης (Fonseca et al., 2008) K. marxianus Ο ζυμομύκητας K. marxianus αποτελεί συγγενές είδος του K. fragilis (ο ζυμομύκητας K. fragilis πλέον εμπεριέχεται στο είδος K. Marxianus (Guimarães et al., 2010), και είναι ο συνηθηστέρα χρησιμοποιούμενος μήκυτας του γένους Kluyveromyces για αλκοολική ζύμωση. O K. marxianus έχει την ικανότητα της απευθείας ζύμωσης της λακτόζης σε αιθανόλη (Christensen et al., 2010). Στελέχη του ζυμομύκητα K. 13

15 marxianus προέρχονται από ποικίλα ενδιαιτήματα, με αποτέλεσμα την ευρεία μεταβολική ποικιλότητα του είδους και τη συνακόλουθη μεγάλη ποικιλία των βιοτεχνολογικών εφαρμογών. Πολλοί ερευνητές έχουν παρατηρήσει ανασταλτικές επιδράσεις και επομένως προβλήματα στη ζύμωση της πυκνής λακτόζης/τυρογάλακτος με τη χρήση των προαναφερθέντων ζυμομυκήτων που ανήκουν στο γένος Kluyveromyces spp. Ειδικότερα, έχει παρατηρηθεί επιβράδυνση της ζύμωσης και υψηλά ποσοστά σακχάρου στο κατάλοιπο, όταν η αρχική συγκέντρωση της λακτόζης ξεπερνά τα 100 ή 200 g L -1. Αυτά τα προβλήματα συνήθως αποδίδονται σε ωσμωτική ευαισθησία, στη χαμηλή ανθεκτικότητα στη λακτόζη, καθώς και σε ανασταλτικές διεργασίες λόγω υψηλής συγκέντρωσης αλάτων. Επίσης σημαντικό ρόλο παίζει και η διαθεσιμότητα οξυγόνου και θρεπτικών. Η διαθεσιμότητα του οξυγόνου πρέπει να είναι επαρκής για να καλύψει τις ανάγκες της βιοσύνθεσης των μεμβρανικών λιπιδίων, χωρίς να προκαλείται υπερβολική ανάπτυξη του ζυμομήκυτα, η οποία μπορεί να προκαλέσει μείωση της παραγομένης αιθανόλης. Οι χαμηλές συγκεντρώσεις οξυγόνου ευνοούν τον μεταβολισμό της ζύμωσης, και επομένως μεγαλύτεροι όγκοι αιθανόλης παράγονται σε ανοξικά ή υποξικά περιβάλλοντα, παρά σε αερόβια (Castrillo and Ugalde, 1993, Guimarães et al., 2010). Ένα ιδιαίτερα σημαντικό πλεονέκτημα του K. marxianus είναι η ικανότητά του να αναπτύσσεται και να ζυμώνει σε υψηλές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα σημαντικά οικονομικά οφέλη στην επιχείρηση, κυρίως λόγω του μειωμένου κόστους παραγωγής αιθανόλης που προκύπτει από τις μειωμένες ανάγκες ψύξης του τυρογάλακτος πριν τη ζύμωση (Fonseca et al., 2008). Θερμοανθεκτικά στελέχη του ζυμομύκητα K. marxianus έχουν βρεθεί ικανά να αναπτύσσονται αερόβια σε υπόστρωμα λακτόζης ή διήθημα τυρογάλακτος σε υψηλές θερμοκρασίες έως και 52 C (Banat and Marchant, 1995). Ειδικά το στέλεχος (IMB3) είναι ικανό να παράγει αιθανόλη σε θερμοκρασίες έως και 45 C (Brady et al., 1994; Kourkoutas et al., 2002) C. pseudotropicalis Ορισμένες μελέτες έχουν επιλέξει το ζυμομύκητα Candida pseudotropicalis ως τον πιο ικανό οργανισμό για την μετατροπή της λακτόζης του τυρογάλακτος σε αιθανόλη (Ghaly and El-Taweel, 1995b; Szczodrak et al., 1997). Όπως όμως έχει παρατηρηθεί 14

16 και για το γένος Kluyveromyces spp., στελέχη του C. pseudotropicalis περιορίζονται από υψηλές συγκεντρώσεις λακτόζης και αιθανόλης (Szczodrak et al., 1997). O C. pseudotropicalis αποτελεί συγγενής ζυμομύκητας του K. marxianus (συγκεκριμένα ο C. pseudotropicalis είναι η άμορφη/μη αναπαραγωγική μορφή του K. marxianus) S. cerevisiae Ο ζυμομύκητας Saccharomyces cerevisiae αποτελεί συνήθως την πρώτη επιλογή για βιομηχανική χρήση όταν πρόκειται για αλκοολική ζύμωση. Οι λόγοι για αυτή την προτίμηση είναι οι εξής: α) η καλή ικανότητα ζύμωσης και η αντοχή στην αιθανολή, που επιτρέπει παραγωγή αιθανόλης έως και 20% (v/v), β) θεωρείται γενικά ασφαλές υλικό, γ) η ικανότητά του να αναπτύσσεται γρήγορα υπό αναερόβιες συνθήκες, το οποίο βοηθά στο να αποτρέπονται προβλήματα οξυγόνωσης, τα οποία συναντώνται σε μεγάλου όγκου βιομηχανικές ζυμώσεις, δ) το γεγονός ότι υπάρχει εκτεταμένη επιστημονική και βιομηχανική γνώση, καθώς αποτελεί έναν από τους καλύτερα μελετημένους οργανισμούς, και ε) η πιθανότητα να χρησιμοποιηθεί η βιομάζα του ως ζωοτροφή, που είναι σημαντικό για τα οικονομικά της βιομηχανίας. Tα στελέχη του ζυμομύκητα S. Cerevisiae δεν είναι ικανά να μεταβολίζουν άμεσα τη λακτόζη (Guimarães et al., 2008). Όμως, ο S. Cerevisiae μπορεί να χρησιμοποιήσει τη γαλακτόζη, η οποία λαμβάνεται μέσω της περμεάσης GAL2. Ενδοκυτταρικά, ο καταβολισμός της γαλακτόζης ακολουθεί την οδό Leloir. Για τους παραπάνω λόγους, η αρχική εφαρμογή του S. Cerevisiae στη ζύμωση του τυρογάλακτος συμπεριλάμβανε την προ-υδρόλυση της λακτόζης και την ζύμωση του μείγματος γλυκόζης και γαλακτόζης που προέκυπτε. Το γεγονός αυτό έχει δύο σημαντικά μειονεκτήματα: α) απαιτεί ένα στάδιο υδρόλυσης της λακτόζης, συνηθέστερα ενζυματικά με τη χρήση της β- γαλακτοσιδάσης, και β) επειδή ο συγκεκριμένος ζυμομύκητας καταναλώνει κατά προτίμηση την γλυκόζη από τη γαλακτόζη, η όλη διαδικασία της ζύμωσης γίνεται πιο αργά (Guimarães et al., 2010). Επιπλέον, το στάδιο της υδρόλυσης έχει ως αποτέλεσμα την σημαντική αύξηση του κόστους της διαδικασίας, καθώς απαιτείται η χρήση μεγάλων ποσοτήτων ενζύμων, τα οποία στοιχίζουν πολύ ακριβά 4 διαδικασμώνιο, νιτρική 15

17 (Parrondo et a., 2009). 2.3 Εμπορικές πηγές προμήθειας καθαρών καλλιεργειών ζυμομυκήτων Στην Ελλάδα δύο είναι οι κυριότερες εταιρίες οι οποίες εμπορεύονται ζυμομύκητες: η εταιρία Metrolab ( με έδρα την Αθήνα και η εταιρία Ανάδραση ( με έδρα τη Θεσσαλονίκη. Η Metrolab διαθέτει καλλιέργειες ζυμομυκήτων αποκλειστικά από την NCTC (National Collection of Type Cultures, στη Μ. Βρετανία. Η εταιρία Ανάδραση συνεργάζεται με διάφορους οίκους. Ενδεικτικά αναφέρεται η πολυεθνική εταιρία ATCC ( 2.4 Επιλογή του καταλληλότερου ζυμομήκυτα Με βάση τη βιβλιογραφική ανασκόπηση που προηγήθηκε, αλλά και τη διαθεσιμότητα των καλλιεργειών στην ελληνική αγορά, ως ο πλέον κατάλληλος οργανισμός για την ζύμωση της λακτόζης του τυρογάλακτος για παραγωγή αιθανόλης επιλέχτηκε ο K. marxianus (Kluyveromyces marxianus). Όπως προαναφέρθηκε, ο συγκεκριμένος ζυμομύκητας πλεονεκτεί έναντι των υπολοίπων στο γεγονός ότι είναι ικανός να μεταβολίζει άμεσα τη λακτόζη. Επίσης, το γεγονός ότι ο ζυμομύκητας K. marxianus είναι ανθεκτικός σε υψηλότερες θερμοκρασίες είναι ιδιαίτερα σημαντικό καθώς αυτό συνεπάγεται ότι δεν χρειάζεται να μειωθεί σημαντικά η θερμοκρασία του τυρογάλακτος πριν την έναρξη της ζύμωσης, και επομένως μειώνεται το κόστος της ψύξης του τυρογάλακτος, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση του κόστους παραγωγής αιθανόλης για τη βιομηχανία. Επιπλέον, μελέτες με χρήση του K. marxianus για παραγωγή αιθανόλης από τυρόγαλα, αφού είχε προηγηθεί παρασκευή τυριού τύπου ricotta έδειξαν ότι ο συγκεκριμένος ζυμομύκητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί με μεγάλη επιτυχία (Sansonetti et al., 2009). 16