ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΟΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

Τυπική Βιοδιεργασία

Κάθε βιοαντίδραση καταναλώνει αντιδρώντα και παράγει προϊόντα με κάποιους ρυθμούς. Βιοαντιδραστήρας: εξ ορισμού ένα δοχείο στο οποίο λαμβάνει χώρα κάποια βιοαντίδραση (ενζυμική ή περιλαμβάνουσα ανάπτυξη ολόκληρων κυττάρων). Βιοαντιδραστήρες: Προκειμένου να σχεδιάσουμε ένα βιοαντιδραστήρα, χρειαζόμαστε τα ισοζύγια μάζας και πιθανόν ενέργειας που περιγράφουν επαρκώς τις συμβαίνουσες διεργασίες στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. Για να εκφράσουμε τους ρυθμούς κατανάλωσης και δημιουργίας των διαφόρων αντιδρώντων και προϊόντων χρειαζόμαστε να καθορίσουμε την κινητική των βιοαντιδράσεων και (για μη ομοιογενείς) αντιδραστήρες τα φαινόμενα μεταφοράς στα σημεία αντίδρασης.

Μικροβιακή ανάπτυξη

Η μικροβιακή ανάπτυξη ως αντίδραση ΔX ΔΣ1 δεδομένη ΔΣ2 κυτταρική ΔΠ1 μάζα ΔΠ2 ΔΣn ΔΠn

Πολλές διαφορετικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των κυττάρων Αντιδράσεις για ενέργεια Αντιδράσεις για βιοσύνθεση Αντιδράσεις πολυμερισμού Μεταβολικά προϊόντα Μεταφορά Αντιδράσεις συναρμολόγησης Υποστρώ ματα Υποστρώ ματα Αντιδράσεις για ενέργεια Πρόδρομες ενώσεις Αντιδράσεις για βιοσύνθεση Δομικά στοιχεία Μακρομόρια Αντιδράσεις πολυμερισμού Μικροβιακό κύτταρο Έκκριση Πρωτεΐνες Αντιδράσεις συναρμολόγησης Βιομάζα (νέα κύτταρα)

Τυπική καμπύλη ανάπτυξης (1) Λανθάνουσα φάση (2) Φάση εκθετικής ανάπτυξης (3) Στάσιμη φάση (4) Φάση απόκλισης (θανάτου)

Η μικροβιακή ανάπτυξη ως συνολική αντίδραση a CH x O y + b O 2 + c H l O m N n CH α O β N δ + d H 2 O + e CO 2 + f CH v O w όπου: CH x O y η πηγή άνθρακα, CH l O m N n η πηγή αζώτου, CH α O β N δ η κυτταρική μάζα CH v O w προϊόν.

Τα ολικά C,H,O και N είναι διατηρούμενες ποσότητες επομένως τα ισοζύγια τους για κλειστό σύστημα ή για ανοικτό σε μόνιμη κατάσταση (μηδενική συσσώρευση) δίνουν: C: a = 1+ e+ f H: xa + lc = α + 2d + vf O: ay + 2b + mc = β + d + 2e + wf N: nc = δ

Συντελεστές απόδοσης Αν και ο εμπειρικός τύπος της βιομάζας καθώς και ο λόγος των ποσοτήτων αντιδρώντων και προϊόντων δεν είναι σταθεροί αλλά εξαρτώνται από τις συνθήκες ανάπτυξης, ορίζουμε φαινομενικούς στοιχειομετρικούς λόγους που τους ονομάζουμε συντελεστές απόδοσης, που συσχετίζουν τις ποσότητες κατανάλωσης με τις ποσότητες παραγωγής.

Ορισμοί Ρυθμός ανάπτυξης κυττάρων: Ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος: Ρυθμός παραγωγής προϊόντος: r X = r P = d[ X ] dt d[ P] dt r S = d[ S] dt Αντίστοιχοι ειδικοί ρυθμοί: [ ] µ = 1 d X [ X ] 1 q S = dt [ X ] d[ S] dt q p = 1 [ X ] d[ P] dt

r X Χ Y X / S = = X - X S S - S t 0 0 t = r r X S Y X/S r X και r S οι ρυθμοί παραγωγής βιομάζας και κατανάλωσης υποστρώματος αντίστοιχα, Χ t και Χ 0 η βιομάζα σε χρόνους t και 0 αντίστοιχα S t και S 0 το θρεπτικό υπόστρωμα σε χρόνους t και 0 αντίστοιχα πρόκειται για μακροσκοπική ποσότητα που προσδιορίζεται πειραματικά από την κλίση της καμπύλης του r X ως προς r S r S

Οι μονάδες που χρησιμοποιούνται συνήθως για τον συντελεστή απόδοσης είναι g κυτταρικής μάζας ανά g υποστρώματος. Ως υπόστρωμα θεωρούμε το περιοριστικό θρεπτικό συστατικό, το οποίο ορίζεται ως το συστατικό που θα εκλείψει πρώτο αν η αντίδραση (η ανάπτυξη) προχωρήσει μέχρι τέλους.

Άλλοι συντελεστές απόδοσης συντελεστής απόδοσης Y P/S : μάζα (σε g) κάποιου μεταβολικού προϊόντος που παράγεται ανά g υποστρώματος που χρησιμοποιείται, Y X/O : η βιομάζα που παράγεται ανά μονάδα μάζας οξυγόνου που καταναλώνεται κ.ο.κ.

O συντελεστής απόδοσης εξαρτάται από: το είδος του οργανισμού το είδος του υποστρώματος, το ρυθμό ανάπτυξης το λόγο άνθρακας/ άζωτο στο θρεπτικό μέσο το ph τη θερμοκρασία την τάση του διαλυμένου οξυγόνου κ.ο.κ. Άρα η μικροβιακή ανάπτυξη ως μία πολύπλοκη συνολική αντίδραση δεν παρουσιάζει σταθερή στοιχειομετρία.

Mοντέλα κινητικής Tο πιο απλό μοντέλο είναι το μοντέλο του Malthus: όπου: r x =μ.x r x ο ρυθμός ανάπτυξης μικροοργανισμών x η συγκέντρωση μικροοργανισμών σε g/l κυτταρικής μάζας μ o ειδικός ρυθμός μικροβιακής ανάπτυξης (microbial specific growth rate)

το Mοντέλο Monod μ = μ K max S + S S όπου: S: περιοριστικό υπόστρωμα (mg/l) K s : σταθερά κορεσμού (ίση με την συγκέντρωση του υποστρώματος στην οποία ο ρυθμός ανάπτυξης είναι ίσος με το ήμισυ του μέγιστου ειδικού ρυθμού ανάπτυξης) μ max : μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης

Mοντέλο παρεμπόδισης υποστρώματος μ = 1 μ max Km + + S S K I

Χρήση συντελεστών απόδοσης

Τύποι ιδανικών βιοαντιδραστήρων

Τρόποι λειτουργίας αναδευόμενων βιοαντιδραστήρων

Aντιδραστήρας Διαλείποντος Eργου Tα ισοζύγια για την βιομάζα και το υπόστρωμα παίρνουν την μορφή: dx dt μ = max K s S + S x k d x ds dt 1 μ max = - Y Ks + S S x με αρχικές συνθήκες x(0) = x 0, S(0) = S 0

[ ] s 0 0 max 0 0 0 s 0 0 0 0 0 0 K ) ( ln K ) ( ln ln Y YS x t x S S Y x Y YS x x S S S Y S S + + + + + = μ Ολοκληρώνοντας έχουμε: H σχέση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ευρεθεί ο απαιτούμενος χρόνος για να μειωθεί το υπόστρωμα σε κάποια επιθυμητή τιμή.

Aντιδραστήρας Συνεχούς Λειτουργίας (CSTR) Tα ισοζύγια μάζας σ' αυτή την περίπτωση είναι: V ds dt 0 0 0 1 μ S = Q S Q S max Y K + S x V s V dx dt = Q X Q X + 0 0 0 μ max S K S x V k x d + s όπου S και X οι συγκεντρώσεις στην τροφοδοσία.

Διαιρώντας με τον όγκο, V τις παραπάνω σχέσεις και ορίζοντας τον ρυθμό αραίωσης: D Q 0 = = V (dilution rate, αντίστροφος του χρόνου παραμονής θ), για μόνιμη κατάσταση ( ds dt D(S -S) 0 1 Y dx = = 0 )έχουμε: dt μ max K s S + S x = 0 1 θ D(x 0 - x) μ S max + x kd x K s + S = 0

Aν δεν περιέχονται οργανισμοί στην τροφοδοσία (x =0) έχουμε: D = μ K S + S max s k S = d ( D + k d ) Ks μ ( D + k ) max d μ για max S0 D>Dw = k d οι οργανισμοί δεν μπορούν να αναπτυχθούν στον Ks + S0 αντιδραστήρα μια και αφαιρούνται με ρυθμό μεγαλύτερο απ' ό,τι μπορούν να αναπτυχθούν (Dw ρυθμός εκπλυτικής αραίωσης).

Συγκεντρώσεις υποστρώματος και βιομάζας για αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας

Παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων από βιομάζα

Οι αλκοόλες ως πρόσθετα ή υποκατάστατα της βενζίνης Μεθανόλη Αιθανόλη Βουτανόλη

Οι αλκοόλες ως πρόσθετα ή υποκατάστατα της βενζίνης Αραβόσιτος και σακχαροκάλαμο Φυσικό αέριο πετρέλαιο Ιδιότητα Βενζίνη Μεθανόλη Αιθανόλη Βουτανόλη Σημείο ζέσεως ( C) Πυκνότητα (kg/l) Ενέργεια (MJ/kg) Σημείο ανάφλεξης Flash point ( C) 35-200 65 78 117 0.74 0.79 0.79 0.81 44.0 19.9 27.2 40.5 13 52 45 37 Αρ.οκτανίου 90-100 91 99 -

ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗ

Στατιστική παραγωγής αιθανόλης 2013 Παγκόσμια ποσότητα 89 εκατομύρια m 3

Προτιμώμενο βιομηχανικό στέλεχος Ζύμη (Saccharomyces cerevisiae) Παραγωγή βιοαιθανόλης Z. mobilis E. coli

Παραγωγή βιοαιθανόλης από Saccharomyces cerevisiae και Zymomonas mobilis C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 Μέγιστη απόδοση αιθανόλης 2 mol/mol or 0.511 g/g εξόζης

Zymomonas mobilis Θεωρείται ο πιο αποτελεσματικός οργανισμός για παραγωγή αιθανόλης Ανοχή 12 % αιθανόλης Mεγάλη παραγωγικότητα αιθανόλης (2,5 x S. cer) Αναγνωρίζεται ως ασφαλής(gras) Εύκολος στον χειρισμό Αναπτύσσεται σε όξινο ph δεν ζυμώνει πεντόζες ευαίσθητος στο οξικό οξύ

S. cerevisiae έναντι Z. mobilis S. cerevisiae Το ph του μέσου ζύμωσης του S. cerevisiae μπορεί να πέσει στο 3 παρεμποδίζοντας την ανάπτυξη ανταγωνιστών Εύκολη η αγορά/προμήθεια αρχικών καλλιεργειών Οι παραγωγοί προτιμούν απλές διεργασίες Z. mobilis Το ph του μέσου ζύμωσης του Z. mobilis σταθεροποιείται στο 4,5 απαιτώντας αποστείρωση για υψηλές αποδόσεις αιθανόλης. Απαιτείται αρχική καλλιέργεια και ζυμωτικές συνθήκες καλά ελεγχόμενες

Άλλα πιθανά βακτήρια παραγωγοί αιθανόλης Escherichia coli: μεταβολίζει πολλά σάκχαρα εύκολο στον χειρισμό προηγούμενη βιομηχανική εμπειρία Ζύμωση μικτών οξέων Ανοχή στην αιθανόλη μέχρι 5-6% όχι GRAS

Παραγωγή αιθανόλης στο E. coli 3C 5 H 10 O 5 5C 2 H 5 OH + 5CO 2 Μέγιστη απόδοση αιθανόλης 1.67 mol/mol or 0.511 g/g πεντόζης multiple products

Άλλα πιθανά βακτήρια παραγωγοί αιθανόλης Klebsiella oxytoca και Erwinia chrysanthemi: μεταβολίζουν πολλά σάκχαρα, ακόμα και κελλοβιόζη και κελλοτριόζη μπορούν να τροποποιηθούν γενετικά ζύμωση μικτών οξέων περιορισμένη ανοχή στην αιθανόλη όχι GRAS:η Klebsiella συσχετίζεται με την πνευμονία, η Erwinia με φυτικές ασθένειες

Άλλα πιθανά βακτήρια παραγωγοί αιθανόλης Θερμοφιλικά Clostridia: μεταβολίζουν πολλά σάκχαρα, ακόμα και κελλοβιόζη και κελλοτριόζη μπορούν να τροποποιηθούν γενετικά αναπτύσσονται σε υψηλή θερμοκρασία μικρό ρίσκο παθογόνου συμπεριφοράς ζύμωση μικτών οξέων περιορισμένη ανοχή σε σάκχαρα και αιθανόλη

Επί τόπου αφαίρεση της αιθανόλης για αποφυγή παρεμπόδισης

I. Επεξεργασία βιομάζας πλούσιας σε σάκχαρα (σακχαροκάλαμο, σακχαρότευτλα) ή/και άμυλο (καλαμπόκι)

Το σακχαροκάλαμο και το σακχαρότευτλο περιέχουν σακχαρόζη O-α-D-glucopyranosyl-(1 2)-β-D-fructofuranoside Υδρολύεται σε γλυκόζη και φρουκτόζη από το ένζυμο ινβερτάση (σακχαρο-γλυκοσιδάση) Στοιχειομετρία : 1 g σακχαρόζης -> 1.053 g γλυκόζη/φρουκτόζη! (1 mol με 342 g/mol 2 mol με 180 g/mol)

Ζύμωση γλυκόζης και φρουκτόζης Με ζύμη Saccharomyces cerevisiae Η ινβερτάση είναι εξωένζυμο και ευρίσκεται στον περιπλασμικό χώρο Η γλυκόζη και η φρουκτόζη εισέρχονται με την βοήθεια ενζύμων Η αιθανόλη βγαίνει με διάχυση Η αντίδραση είναι: C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 Θεωρητική απόδοση: 1 g εξόζης -> 0,51 g αιθανόλης and 0,49 g CO 2

Αιθανόλη από σακχαρόζη Η βραζιλιάνικη εμπειρία Από το 1931 μίγμα βενζίνης με 5% αιθανόλη Κατά τον Β παγκόσμιο Πόλεμο μίγμα έως 50% Αρχή εποχής προ-αλκοόλης 1975 παράγεται E100 και ένυδρη αλκοόλη (επίσης ονομαζόμενη E95) Παράγονται ευέλικτα αυτοκίνητα το 2003 που μπορούν να δεχτούν οποιοδήποτε μίγμα έως το E100 Σήμερα η βενζίνη στην Βραζιλία περιέχει 18-25% αιθανόλη

Παγκόσμια παραγωγή σακχαροκάλαμου Monfreda, C., N. Ramankutty, and J.A. Foley. 2008

Το σακχαροκάλαμο έχει εντυπωσιακές αποδόσεις Αποδίδει 70-80 τόνους ανά εκτάριο με 15% περιεκτικότητα σακχαρόζης

Παραγωγή αιθανόλης από σακχαροκάλαμο στην Βραζιλία

Η παραγωγή αιθανόλης από σακχαροκάλαμο 71% νερό 15% σακχαρόζη 13% ίνες 1% λοιπά Ατμός, ηλεκτρισμός 95% αιθανόλη Ζάχαρη 99.7% αιθανόλη

Ο σακχαρόμυλος Iracema 15.000 τόνοι σακχαροκάλαμο την ημέρα (50% υγρασία) Το 2010 επεξεργάστηκε 2,7 εκατ.τόνους 219.000 τόνοι ζάχαρης (240.000 max) 77.800 m 3 αιθανόλης (140.000 max) Λειτουργεί Απρίλιο-Νοέμβριο ~ 220 days/yr.

Σακχαρότευτλα Φωτοσύνθεση σχηματισμός εξοζών: 6 CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Η σακχαρόζη σχηματίζεται από συμπύκνωση γλυκόζης και φρουκτόζης: 2 C 6 H 12 O 6 C 12 H 22 O 11 + H 2 O Νερό 75% Σάκχαρα16 18% Ίνες 5 6% Λοιπά 2 3% Βάρος περίπου 650 g 10 σακχαρότευτλα= 1 kg ζάχαρη

Σακχαρότευτλο έναντι σακχαροκάλαμου Παγκόσμια ετήσια παραγωγή (2011): 2,073,878,257 τόνοι

Επίσκεψη σε σακχαρόμυλο http://www.youtube.com/watch?v=kp1s2hgf5-e

Γλυκό σόργο Συστατικό Υγρασία Σακχαρόζη Γλυκόζη Κυτταρίνη Ημικυτταρίνη Λιγνίνη Ποσοστό 67,2 14,8 1,5 6,4 5,0 4,6 Biomass and Bioenergy Vol S, No. 2, pp. 99-103, 1995

Αιθανόλη από άμυλο οι ΗΠΑ ηγούνται Ξεκίνησε στη δεκαετία 70 να υποκαθιστά μεθυλεστέρες Energy Policy Act του 2005 και Energy Independence and Security act του 2007 έθεσαν στόχους στην χρήση αιθανόλης Ευέλικτο αυτοκίνητο για κίνηση με εισάγεται το 1998. Σήμερα η μέση μίξη είναι E10 210 operating plants US capacity around 56 million m 3 per year

Το άμυλο στο καλαμπόκι Το καλαμπόκι περιέχει 65-76% άμυλο σε ξηρή βάση (15% υγρασία σε φρέσκους σπόρους) Το άμυλο είναι παρόν σε σωματίδια Τα λοιπά είναι: 10% πρωτείνη, 5% έλαια και 10-15% ίνες και στάχτη

Ζελατινοποίηση του αμύλου Αδιάλυτα σωματίδια αμύλου Η θέρμανση σε νερό τα συσσωματώνει και οδηγεί σε εκβολή της αμυλόζης Η εκβολή αμυλόζης προκαλεί σημαντική αύξηση του ιξώδους Τα σωματίδια διασπώνται και απελευθερώνεται το άμυλο Η θερμοκρασία ζελατινοποίησης εξαρτάται από το υλικό: Καλαμπόκι 65-71 C Σίτος 52-59 C Πατάτα 61-65 C

Ένζυμα για αποδόμηση του αμύλου Γλυκοαμυλάση: Εξωένζυμο Παράγει: β- γλυκόζη Υδρολύει 1,4 και 1,6 δεσμούς Η γλυκοαμυλάση είναι γνωστή και ως α- γλυκοσιδάση, αμυλογλυκοσιδ άση και γ- αμυλάση Οριακή δεξτρινάση: Υδρολύει 1,6 δεσμούς β-αμυλάση: Εξωένζυμο παράγει: β-μαλτόζη Υδρολύει δεσμούς 1,4 α-αμυλάση: Ενδοένζυμο Υδρολύει δεσμούς 1,4 Παράγει μαλτοπολυσακχαρίτες Στοιχειομετρία: 1 g αμύλου-> 1.11 g γλυκόζης

Επίσκεψη σε εργοστάσιο παραγωγής αιθανόλης από καλαμπόκι http://www.youtube.com/watch?v=npj1n-1k84e

Βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης για παραγωγή αιθανόλης από καλαμπόκι με ένζυμα Η ζελατινοποίηση των σωματιδίων αμύλου απαιτεί πολλή ενέργεια Η υψηλή θερμοκρασία αποτελεί πιθανό ρίσκο για απώλεια σακχάρων Επιθυμητό: Αποτελεσματική υδρόλυση σωματιδιακού αμύλου υγρή υδρόλυση Novozymes and Broin: BPX Genencor (Dupont): StargenTM

Διακριτή σακχαροποίηση και ζύμωση

Ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση

II. Επεξεργασία λιγνοκυτταρινικής βιομάζας

π.χ. Άχυρα σίτου

Η πρόκληση: λιγνοκυτταρινούχα παραγωγή αιθανόλης

Η πρόκληση: λιγνοκυτταρινούχα παραγωγή αιθανόλης Σχηματισμός τοξικών ενώσεων Χρήση ενζύμων Ζύμωση εξοζών και πεντοζών

Προεπεξεργασία Διάσπαση και άνοιγμα της δομής Οδηγεί σε υψηλή ανάκτηση υδατανθράκων (σακχαροποίηση) Καθιστά τους υδατάνθρακες προσβάσιμους για ενζυμική υδρόλυση Ελαχιστοποίηση του σχηματισμού παρεμποδιστών Οικονομικά (επένδυση, χημικά και ενέργεια τελικό προϊόν)

Επίδραση προεπεξεργασίας Slide from Robert Bakker, Wageningen University

Ο σχηματισμός παρεμποδιστών εξαρτάται από τη μέθοδο και τις συνθήκες που εφαρμόζονται 2-Furoic acid

Δράση παρεμποδιστών Product Μειωμένη απόδοση Αναστολή ανάπτυξης και παραγωγής

Μέθοδοι προεπεξεργασίας 1. Φυσική προεπεξεργασία 1.Μηχανική π.χ. τεμαχισμός και άλεση 2.Θερμική π.χ. υδροθερμική, έκρηξη ατμού 3. με ακτινοβολία π.χ. υπέρηχοι 2. Χημική προεπεξεργασία 1.Όξινη π.χ. αραιό οξύ, καταλυόμενη με οξύ έκρηξη ατμού 2.Αλκαλική π.χ. ασβέστης, επέκταση ινών με αμμωνία (AFEX), AAS 3. Βιολογική προεπεξεργασία, π.χ. μύκητες λευκής σήψης 4. Εκχύλιση με διαλύτη, π.χ. οργανικοί διαλύτες 5. Οξειδωτικοί παράγοντες, π.χ. H 2 O 2

Στόχοι τεμαχισμού και άλεσης Μείωση μεγέθους σωματιδίων Αύξηση επιφάνειας Μείωση της Κρυσταλλικότητας (a) Straw in raw form (b) Chopped straw (c) Straw in grounded form

Τεμαχιστές (a) Disc type chipper (b) Drum type chipper (c) Straw shredder (d) Hammer mill (e) Knife mill (f) Disc mills 76

Κόσκινα για κλασμάτωση μεγέθους

Αφυδάτωση και ξήρανση Βασικές τεχνολογίες: Αποθήκευση ανοικτή στην ατμόσφαιρα, Φίλτρα, Πρέσσες, Κόσκινα, Φυγόκεντροι, Υδροκυκλώνες Feed Belt washing Belt alignment Belt Belt drive Belt tensioning Belt alignment Belt washing Linear / peripheral pressure Residues 80

Πνευματικός ξηραντήρας Moist air out Buffer Drying ducting Cyclone Fan Hopper (Material In) Hot air generator Dried Material Out 81

Έκρηξη ατμού Προστίθεται υπερκορεσμένος ατμός (~200 C) για 2-10 λεπτά Ακολουθεί εκτόνωση σε ατμοσφαιρική πίεση, εξατμίζεται το νερό που περιέχεται στη βιομάζα και διογκώνεται γρήγορα διασπώντας τη βιομάζα. Η διεργασία προκαλεί σημαντική μείωση του μεγέθους των σωματιδίων και φυσικές, χημικές και δομικές μεταβολές Η ημικυτταρίνη γίνεται υδατοδιαλυτή καθιστώντας την λιγνίνη και την κυτταρίνη πιο προσβάσιμες

Έκρηξη ατμού Η έκταση των μεταβολών εξαρτάται από: τον χρόνο παραμονής τη θερμοκρασία το μέγεθος των σωματιδίων την υγρασία Barley Straw Canola Straw Oat Straw Wheat Straw Ανεπεξέργαστο Επεξεργασμένο 83

Αμμωνιακή έκρηξη ινών - Ammonia Fiber Explosion Χρήση αμμωνίας σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις αυξάνει την απόδοση της υδρόλυσης Η διεργασία μειώνει τη λιγνίνη, αφαιρεί εν μέρει την ημικυτταρίνη και μειώνει την κρυσταλλικότητα της κυτταρίνης Το σημαντικό πλεονέκτημα είναι η περιορισμένη αποδόμηση της βιομάζας 84

Υδροθερμική προεπεξεργασία

Υδροθερμική προεπεξεργασία αχύρων σίτου Μαγείρεμα σε νερό με 40% στερεά στους 190 C για 10-15 min

Επίδραση θερμοκρασίας 160 175 185 195 Sample Klason lignin Cellulose Xylan Arabinan Raw straw 22.6 (1.0) 39.8 (2.0) 24.5 (1.4) 2.8 (0.2) 160 20.4 (2.5) 40.9 (2.2) 23.0 (1.3) 2.0 (0.1) 175 26.1 (0.5) 47.8 (0.4) 18.1 (0.2) 1.1 (0.0) 185 30.7 (0.4) 53.3 (0.1) 8.5 (0.0) 0 (0) 195 28.7 (0.6) 56.6 (0.3) 4.6 (0.0) 0 (0) Standard deviation given in brackets

Πως φαίνεται Προεπεξεργασμένα άχυρα σίτου 25% στερεά Jørgensen et al., (2007). Biotechnol. Bioeng. 96(5):862-870.

Προεπεξεργασία σε 6% στερεά

Ανάκτηση πεντοζών στο στερεό και στο διήθημα

Ενζυμική μετατροπή και απόδοση βιοαιθανόλης ανάλογα με την προεπεξεργασία

Απομάκρυνση λιγνίνης Βαθμός Απολιγνίνωσης (%)= (L s -L p )/L s *100 L s : λιγνίνη στην ανεπεξέργαστη βιομάζα L p : λιγνίνη στην επεξεργασμένη βιομάζα Με χημικά!

Σύσταση βιομάζας μετά από επεξεργασία συναρτήσει του ph

97 19 February 2014

98 19 February 2014

99 19 February 2014

Ενζυμική υδρόλυση λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας

Ενζυμική υδρόλυση υπολογισμός μετατροπής Η κυτταρίνη είναι πολυμερές γλυκόζης: (C 6 H 10 O 5 ) n n αριθμός μονάδων γλυκόζης Η υδρόλυση είναι η προσθήκη νερού στον γλυκοζιδικό δεσμό μεταξύ δύο μονάδων γλυκόζης: (C 6 H 10 O 5 ) n + H 2 O (C 6 H 10 O 5 ) n-1 + C 6 H 12 O 6 Το Μ.Β. μιας μονάδας γλυκόζης σε κυτταρίνη (n) είναι 162 g/molτο Μ.Β. της γλυκόζης είναι 180 g/mol (προσθήκη νερού 18 g/mol) Η υδρόλυση 1 g κυτταρίνης δίνει 1,11 g γλυκόζης (180/162) Η υδρόλυση 1 g ενός πολυμερούς πεντοζών (π.χ. ξυλάνης) δίνει 1,14 g (150/132)

Ενζυμική υδρόλυση υπολογισμός μετατροπής

Ενζυμα στη φύση για τη διάσπαση της βιομάζας Κυτταρινάσες Ημικυτταρινάσες Κυτταρίνη Γλυκόζη Ημικυτταρίνες Ξυλόζη Αραβινόζη Γαλακτόζη Μανόζη

Βιομηχανικά ενζυμικά σκευάσματα Τα περισσότερα παράγονται από μύκητες Aspergillus και Trichoderma Τα στελέχη τροποποιούνται για να εκφράσουν βελτιωμένα ένζυμα Προϊόντα εμπορικά διαθέσιμα για την υδρόλυση της βιομάζας πηκτινάσες, ημικυτταρινάσες και κυτταρινάσες (αλλά όχι για την λιγνίνη) Μονοσυστατικά ή πολυσυστατικά (ακατέργαστη μορφή)

Ενζυμα για διάσπαση των φυτικών κυτταρικών τοιχωμάτων Κυτταρινάσες, υδρολύουν την κυτταρίνη γλυκόζη, C6 Μόνο ένα δεσμό (β-1-4) Ημικυτταρινάσες υδρολύουν την ημικυτταρίνη Αραβινόζη, ξυλόζη(c5), γλυκόζη, μαννόζη και γαλακτόζη (C6) Πολύπλοκο σύστημα αντικαταστάσεων (πάνω από ένα τύπο γλυκοσιδικού δεσμού, διακλαδώσεις)

β-γλυκοσιδάσες (BG) Καταλύουν την υδρόλυση τερματικών μη αναγωγικών β-d γλυκοσυλικών υπολειμμάτων απελευθερώνοντας γλυκόζη Ανευρίσκονται άφθονα στο μυκήλια των μυκήτων πιθανόν για ελαχιστοποίηση απωλειών γλυκόζης προς το περιβάλλον Για παλαιά σκευάσματα κυτταρίνης, η BG προστίθεται ως έξτρα ένζυμο σε σκευάσματα κυτταρινάσης Τα νέα σκευάσματα κυτταρινάσης έχουν υψηλά επίπεδα επιλεγμένων προσεκτικά β-γλυκοσιδασών προκειμένου να μειωθεί η παρεμπόδιση προϊόντος

Επισκόπηση της υδρόλυσης κυτταρίνης Η πλήρης υδρόλυση της κυτταρίνης απαιτεί την συνδυασμένη δράση: 1.Κελλοβιουδρολασών 2.Ενδογλουκανασών 3.β-γλυκοσιδάσης Νέα οξειδωτικά ένζυμα (LPMOs) μπορούν να επαυξήσουν την υδρόλυση

Enzymes for decomposing cellulose

Νέα κατηγορία ενζύμων για υποβοήθηση των κυτταρινασών Λυτικές των πολυσακχαριτών μονοoξυγoνάσες Lytic Polysaccharide Mono Oxygenases (LPMO) Η LPMO περιέχει χαλκό Λειτουργεί με οξειδωτική διάσπαση της κυτταρίνης Η LPMO εισάγει τομές στον βασικό σκελετό της κυτταρίνης με οξειδωτική διάσπαση παράγοντας αλδονικά οξέα, π.χ. γλυκονικό οξύ Horn et al, 2012. Biotechnology for Biofuels, 5:1

Ο σχηματισμός γλυκονικού οξέος μπορεί να είναι σημαντικός Έως 4% της υδρολυμένης κυτταρίνης καταλήγει σε γλυκονικό οξύ Cannella et al. Biotechnology for Biofuels 2012, 5:26

Υδρόλυση της ημικυτταρίνης Οι ημικυτταρίνες αποτελούν μία πολύπλοκη μήτρα που περικλείει τα μικροϊνίδια της κυτταρίνης Σχηματική αναπαράσταση του πρωτεύοντος ΙΙ φυτικού κυτταρικού τοιχώματος στο γρασίδι XG ξυλογλυκάνη, MLG Μικτή συνεδεμένη γλυκάνη, AX - αραβινοξυλάνη Hansen, M.A.T et al. 2013

Υδρόλυση της ημικυτταρίνης Οι ημικυτταρίνες αποτελούν μία πολύπλοκη μήτρα που περικλείει τα μικροϊνίδια της κυτταρίνης ακόμη και μετά από μερική απομάκρυνση με προεπεξεργασία Hansen, M.A.T et al. 2013

Το επίπεδο της ημικυτταρίνης καθορίζεται από την προεπεξεργασία 160 175 185 195 Sample Klason lignin Cellulose Xylan Arabinan Raw straw 22.6 (1.0) 39.8 (2.0) 24.5 (1.4) 2.8 (0.2) 160 20.4 (2.5) 40.9 (2.2) 23.0 (1.3) 2.0 (0.1) 175 26.1 (0.5) 47.8 (0.4) 18.1 (0.2) 1.1 (0.0) 185 30.7 (0.4) 53.3 (0.1) 8.5 (0.0) 0 (0) 195 28.7 (0.6) 56.6 (0.3) 4.6 (0.0) 0 (0) Standard deviation given in brackets

Βελτίωση της υδρόλυσης της κυτταρίνης με χρήση ημικυτταρινάσης (ξυλανάσης) σε διάφορα υποστρώματα (βιομάζες) Hu et al. Biotechnology for Biofuels 2011, 4:36

Οι ημικυτταρίνες είναι πολυποίκιλες και εξαρτώνται από την προέλευση Μαλακό ξύλο γαλακτογλυκομανάνη Αραβινογλυκουρονοξυλάνες Αραβινογαλακτάνες Σκληρά ξύλα Γλυκουρονοξυλάνες Γλυκομαννάνες Γρασίδια αραβινοξυλάνες Μικτού δεσμού γλυκάνη Ξυλογλυκάνη Αντικαταστάσεις: φερουλοϊκό, γλυκουρονικό, οξικό, καουμαρικό.

Ένζυμα για υδρόλυση της ημικυτταρίνης Αποπολυμερίζοντα Ενδοξυλανάση 1->4 ή/και 1->3 (εσωτερικοί δεσμοί στην ξυλάνη) Ξυλοσιδάση (δρα σε ξυλο-ολιγοσακχαρίτες και απελευθερώνει ξυλόζη) Μαννοσιδάση (μανο-ολιγοσακχαρίτες σε μαννόζη) Ενδομανανάση (εσωτερικοί δεσμοί σε πολυμερές μανάνης) Ενδοαραβινάση (εσωτερικοί δεσμοί σε πολυμερές αραβινάνης) Αραβινοσιδάση (δρα σε αραβινο-ολιγοσακχαρίτες και απελευθερώνει αραβινόζη) Αποδιακλαδίζοντα απομακρύνοντα πλευρικές ομάδες Ακετυλο=ξυλανο-εστεράση (υδρολάση καρβοξυλικού εστέρα) Εστεράση φερουλικού οξέος Ξυλανο-γλυκουρο-νοσιδάση Αραβινο-φουρανο-σιδάση

Παράδειγμα: Υδρόλυση αραβινοξυλάνης (γρασίδι) Εστεάση φερουλικού οξέος α-l-αραβινοφουρανοσιδάση* Ακετυλοξυλανοεστεράση Ενδοξυλανάση (1,4) α-l- αραβινοφουρανοσιδάση β-ξυλοσιδάση

Συνοψίζοντας την υδρόλυση ημικυτταρινών Η πλήρης υδρόλυση ημικυτταρινών εξαρτάται από: Την ενεργότητα πολλών διαφορετικών ενζύμων Γλυκοζιδικές υδρολάσες για αποπολυμερισμό (και αποδιακλάδωση) Εστεράσες για αποδιακλάδωση Τον ειδικό τύπο (προέλευση της ημικυτταρίνης)

Γιατί λειτουργία με υψηλή συγκέντρωση στερεών (πάνω από 25 %) Λιγότερο νερό προς επεξεργασία (απόβλητα) Λιγότερη ενέργεια για θέρμανση/ψύξη Μικρότεροι όγκοι δεξαμενές, αντλίες κλπ Υψηλότερες συγκεντρώσεις σακχάρων Υψηλότερες συγκεντρώσεις αιθανόλης Μικρότερη ενεργειακή απαίτηση για απόσταξη Μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις και πάγια κόστη

Η υδρόλυση στην πράξη λειτουργία με υψηλή συγκέντρωση στερεών Δεν είναι δυνατή η ανάδευση σε συμβατικό εξοπλισμό!

Ανάδευση ελεύθερης πτώσης Προεπεξεργασία άχυρου σίτου 30 % στερεά Υδρόλυση 7 FPU/g στερεών, 50 C

Μειονέκτημα υψηλής συγκέντρωσης στερεών: μειωμένη μετατροπή 100 Lignocellulose conversion, % of theoretical 80 60 40 Varga et al. 2004 (SSF) Jørgensen et al. 2007 (Hydrolysis) Jørgensen et al. 2007 (SSF) 20 Mohagheghi et al. 1992 (SSF) CTec2+PEG Hydrolysis Paper II SHF CTec2 Paper II 0 SSF Celluclast Paper II 0 10 20 30 40 Initial solids content, % (w/w)

Παράγοντες που επηρεάζουν την ενζυμική υδρόλυση 5. Μη εξειδικευμένη προσρόφηση ενζύμων στη λιγνίνη 6. Απενεργοποίηση ή απώλεια ενζυμικής ενεργότητας 3 & 4. Ημικυτταρίνη και λιγνίνη σχετιζόμενες ή καλύπτουσες την κυτταρίνη 2. Μη παραγωγική σύνδεση κελλοβιοϋδρολασών στην κυτταρινική αλυσίδα 1. Παρεμπόδιση προϊόντος των β-γλυκοσιδασών και των κελλοβιοϋδρολασών από την γλυκόζη και την κελλοβιόζη

αντιμετώπιση αρνητικών παραγόντων Παρεμπόδιση προϊόντος Χαμηλή συγκέντρωση υποστρώματος Βελτιωμένα ένζυμα με υψηλότερη ανθεκτικότητα Απομάκρυνση της γλυκόζης Ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση, SSF Υπερδιήθηση Ημικυτταρίνη και λιγνίνη σχετιζόμενες ή καλύπτουσες την κυτταρίνη Ημικυτταρινάσες Προεπεξεργασία για αφαίρεση λιγνίνης Προσθήκη ενώσεων που προσροφώνται στην λιγνίνη (πρωτεΐνες, πεπτίδια, μη ιοντικά τασιενεργά, πολυμερή)

Πιλοτικές εφαρμογές (Iogen, Canada & NREL, USA) Δυναμικότητα: 900 kg/d Πριονίδι/άχυρα Άχυρα αραβοσίτου Ζύμωση γλυκόζης και ξυλόζης SHF Υδρόλυση, ζύμωση γλυκόζης και ξυλόζης SSCF

https://www.youtube.com/watch?v=8ijqwfndh0y

Μεταβολική μηχανική για παραγωγή αιθανόλης Στόχος: Στελέχη ικανά για ζύμωση πεντοζών και εξοζών σε μη αποτοξικοποιημένα υδρολύματα

Παράδειγμα: προξηραμένα και τεμαχισμένα υπολείμματα οικιακών τροφών Συστατικό %, w/w, ξηρή βάση Πρωτείνες 13.70 ± 0.44 Λιπίδια 12.26 ± 0.11 Εκχυλιζόμενα (κυρίως σάκχαρα) 27.29 ± 1.71 Άμυλο 10.68 ± 0.07 Πηκτίνες 3.27 ± 0.82 Κυτταρίνη 10.31 ± 0.07 Ημικυτταρίνη 11.32 ± 0.17 Λιγνίνη 6.75 ± 0.15 Στάχτη 7.16 ± 0.27

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ Αντιδραστήρας 200L για παραγωγή βιοαιθανόλης Προσθήκη αρχικά θειϊκού οξέος σε 100οC. Προσθήκη αμυλάσης στους 60 o C, Προσθήκη κυτταρινασών στους 30 ο C Ζύμωση με S.cerevisiae

Παραγωγή βιοαιθανόλης Τελική συγκέντρωση αιθανόλης 70,5g/L Για οικονομική βιωσιμότητα πρέπει να υπερβαίνει τα 40 g/l

Παραγωγή βιο-βουτανόλης Πρώτη αναφορά μικροβιακής παραγωγής βουτανόλης: Pasteur, 1861 Πρώτη αναφορά μικροβιακής παραγωγής ακετόνης: Schardinger, 1905 Ανάπτυξη ζύμωσης για ακετόνη, βουτανόλη και αιθανόλη: Α παγκόσμιος πόλεμος(στόχος: ακετόνη) Τέλος Β παγκ.πολέμου: 2/3 της βουτανόλης και 1/10 της ακετόνης στις ΗΠΑ παράγονται με μικροβιακή ζύμωση Ραγδαία μείωση της βιολογικής παραγωγής στα 1950 Στα1980: αναθέρμανση του ενδιαφέροντος για ζύμωση για ακετόνη, βουτανόλη και αιθανόλη

Παραγωγή βιο-βουτανόλης Clostridia spp C. acetobutylicum C. saccharobutylicum C. saccharoperbutylacetonicum C. beijerinckii (C. butylicum)

Καταβολικό μονοπάτι παραγωγής βουτανόλης από σάκχαρα (clostridium Acetobutylicum)

Acidogenesis and solventogenesis in C. acetobutylicum

Προκλήσεις για την βιολογική παραγωγή βουτανόλης Τοξικότητα της βουτανόλης (υψηλότερη της ακετόνης και της αιθανόλης) Η ανάπτυξη του C. acetobutylicum και ο ρυθμός πρόσληψης γλυκόζης είναι κατά 50% παρεμποδισμένοι σε 7-11 g/l βουτανόλης Μεταβολική μηχανική για αυξημένη ανεκτικότητα στην βουτανόλη καθώς και επί τόπου αφαίρεση της παραγόμενης βουτανόλης

Επί τόπου αφαίρεση των παραγόμενων διαλυτών

Εργασίες για την βιολογική παραγωγή βουτανόλης