ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ. Υποβληθείσα στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών. του Πανεπιστημίου Πατρών. Υπό ΙΩΑΝΝΑΣ Γ. ΝΤΑΪΚΟΥ

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΚΑΘΑΡΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΤΟΥ ΙΝΟΛΥΤΙΚΟΥ ΒΑΚΤΗΡΙΟΥ RUMINOCOCCUS ΑLBUS ΣΕ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΒΙΟΜΑΖΑ ΓΛΥΚΟΥ ΣΟΡΓΟΥ (SORGHUM ΒICOLOR) ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβληθείσα στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών Υπό ΙΩΑΝΝΑΣ Γ. ΝΤΑΪΚΟΥ Για την απόκτηση του Τίτλου της Διδάκτορος του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΡΑ, ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2006

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Όταν ξεκίνησα την εργασία αυτή, κι έχοντας σπουδάσει ένα διαφορετικό γνωστικό αντικείμενο, πολλά πράγματα φαίνονταν δυσνόητα και δύσκολα. Μετά από σχεδόν τέσσερα χρόνια απαιτητικής δουλείας στο εργαστήριο, μπορεί να μην έγινα μηχανικός, όπως ίσως πίστευα στην αρχή, αλλά σίγουρα έμαθα πάρα πολλά. Και πάνω απ όλα απέκτησα μια σημαντική εμπειρία, και μπορώ να πω πως πέρασα καλά. Σε αυτό συντέλεσαν πολλοί άνθρωποι τους οποίους θα ήθελα να ευχαριστήσω. Θα ήθελα να ευχαριστήσω, κατά πρώτον, τον επιβλέποντα της εργασίας μου, Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών, κ. Γεράσιμο Λυμπεράτο, για την ευκαιρία που μου παρείχε και βέβαια για την συνεχή καθοδήγηση του. Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλω στη διδάκτορα του Τμήματος Χημικών Μηχανικών Χάρη Γαβαλά, για τον χρόνο που μου διέθεσε, τις πολύτιμες συμβουλές και παρατηρήσεις της, καθώς και τη φιλική της διάθεση. Επίσης να ευχαριστήσω όλους τους συναδέλφους στο εργαστήριο, για την άψογη συνεργασία, την κατανόηση (Παναγιώτη ξέρω πως σε ξεβόλεψα αρκετές φορές!) και κυρίως για το όμορφο παρεΐστικο κλίμα που υπήρχε. Μεταξύ υδατανθράκων, πρωτεϊνών, φαινολών και χρωματογραφίας, ειπώθηκαν κατά καιρούς, σημαντικά πράγματα! Να ευχαριστήσω επίσης τους φίλους, Ανδρέα Σταύρακα, Μηχανολόγο Μηχανικό, για την καταλυτική συμμετοχή του στην τροποποίηση του βιοαντιδραστήρα (πραγματικά δεν ήξερα τα φερουλάκια πριν), και Νώντα Κούτρο, απόφοιτο πλέον- του Τμήματος Υλικών, που η πρόθυμη βοήθεια του τις τελευταίες, χρονικά πιεσμένες, μέρες των πειραματικών μετρήσεων, πραγματικά με συγκίνησε. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τους καθηγητές του Τμήματος των Χημικών Μηχανικών, κ. Κώστα Κράβαρη και κ. Σταύρο Παύλου, τον επίκουρο καθηγητή του Τμήματος των Χημικών Μηχανικών κ. Γιάννη Κούκο, τους επίκουρους καθηγητές του Τμήματος Βιολογίας κ. Αργύρη Καλιάφα και κ. Κώστα Αγγελόπουλο, και τον λέκτορα του Τμήματος των Χημικών Μηχανικών κ. Μιχάλη Κορνάρο για την πρόθυμη συμμετοχή τους στην εξεταστική επιτροπή.

η δουλεία αυτή δεν θα μπορούσε να αφιερωθεί παρά μόνο σε έναν άνθρωπο, στη μαμά...

ΣΥΝΤΟΜΟ ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ ΑΤΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Ονοματεπώνυμο : Ντάικου Ιωάννα Όνομα πατρός : Γεώργιος Τόπος γέννησης : Αγρίνιο Αιτωλ/νίας Ημερομηνία γέννησης : 29 Οκτωβρίου 1975 Διεύθυνση κατοικίας : Αξιού 12, Πάτρα, Τηλ. : (2610) 433406 ΣΠΟΥΔΕΣ 2003 έως σήμερα Υποψήφια διδάκτορας του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. 2000 Πτυχίο Βιολογίας. 1996 Προπτυχιακή φοιτήτρια του Τμήματος Βιολογίας του Πανεπιστημίου Πατρών. 1993 Απόφοιτος 1 ου Γενικού Λυκείου Αγρινίου Αιτωλ/νίας ΞΕΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ Αγγλικά Ισπανικά ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ Πρακτικά Συνεδρίων 1. Ntaikou I., Gavala H.N., Kornaros M. and Lyberatos G. Hydrogen production from sweet sorghum biomass using Ruminococcus albus, oral presentation at the 9 th

International Conference on Environmental Science & Technology, Rhodes, Greece, 27 August 1 September 2005, Vol. A, pp.1125-1130. 2. Ntaikou I., Gavala H.N. and Lyberatos G. Effect of partial pressure on the formic acid yield and degradation rate during growth of the hydrogen producing bacterium Ruminococcus albus, oral presentation at the 8 th International Conference on Protection & Restoration of the Environment, Chania, Crete, Greece, 3-7 July 2006. 3. Koutros E., Ntaikou I. and Kornaros M. Exploitation of Waste Paper for Hydrogen Production poster at the 8 th International Conference on Protection & Restoration of the Environment, Chania, Crete, Greece, 3-7 July 2006. Διεθνή Επιστημονικά Περιοδικά 1. Antonopoulou G., Ntaikou I., Gavala H.N., Skiadas I.V., Angelopoulos K., Lyberatos G Biohydrogen production from sweet sorghum biomass using mixed acidogenic cultures and pure cultures of Ruminococcus albus. Accepted at Global NEST Journal. 2. Ntaikou I., Gavala H.N., Kornaros M. and Lyberatos G. Hydrogen production from sweet sorghum biomass using Ruminococcus albus. Submitted for publication in International Journal of Hydrogen Energy. 3. Ntaikou I., Gavala H.N. and Lyberatos G. Kinetics of metabolism during growth of the hydrogen-producing bacterium Ruminococcus albuson glucose. In preparation 4. Ntaikou I., Gavala H.N. and Lyberatos G. Modeling of hydrogen production during growth of the hydrogen-producing bacterium Ruminococcus albus on sweet sorghum extract. In preparation 5. Koutros E., Ntaikou I. and Kornaros M. Exploitation of Waste paper for hydrogen production using the cellulolytic bacterium Ruminococcus albus. In preparation

ii ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 1.1. Ενεργειακή κρίση και φαινόμενο του θερμοκηπίου 1 1.2. Υδρογόνο, το καύσιμο του μέλλοντος 3 1.2.1. Αξιοποίηση υδρογόνου 5 1.2.2. Τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου 5 1.3. Στόχος της παρούσας μελέτης 7 2. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΒΑΚΤΗΡΙΟΛΟΓΙΑΣ 9 2.1. Δομή και λειτουργία προκαρυωτικού κυττάρου 9 2.2. Θρέψη και ανάπτυξη βακτηρίων 12 2.2.1. Πηγές άνθρακα και ενέργειας 12 2.2.2. Διατροφικές απαιτήσεις 14 2.2.3. Καμπύλες ανάπτυξης 14 2.2.4. Κινητικές εκφράσεις 16 2.3. Βακτηριακός μεταβολισμός 17 2.3.1. Ενέργεια, ένζυμα και ρύθμιση 17 2.3.1.1 ATP 18 2.3.1.2 Σύνθεση ΑΤΡ στους προκαρυωτικούς μικροοργανισμούς 18 2.3.1.2 NAD 19 2.3.1.4 Συνένζυμο Α 20 2.3.2. Καταβολισμός υδατανθράκων 20 2.3.2.1 Το δίκτυο Embden Meyerhof - Pranas 20 2.3.2.2 Το δίκτυο Entnet - Doudoroff 21 2.3.2.3 Το δίκτυο των φωσφορικών πεντοζών 21 2.3.2.4 Το δίκτυο της φωσφοκετολάσης 22 2.3.3. Ζύμωση 22

iii 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 29 3.1. Μοριακή βάση της παραγωγής υδρογόνου 29 3.1.1. Νιτρογενάσες 30 3.1.2. Υδρογενάσες 31 3.2. Τεχνολογίες παραγωγής βιοϋδρογόνου 33 3.2.1. Βιοφωτόλυση 34 3.2.2. Φωτοζυμωτική παραγωγή υδρογόνου 38 3.2.3. Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου 39 3.3. Υδρογονοπαραγωγοί μικροοργανισμοί 39 3.3.1. Υποχρεωτικά αναερόβιοι μικροοργανισμοί 40 3.3.2. Επαμφοτερίζοντες μικροοργανισμοί 41 3.3.3. Φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί 43 3.4. Ζυμωτική παραγωγή υδρογόνου απουσία φωτός 44 3.4.1. Βασικές αντιδράσεις και ένζυμα 44 3.4.2. Μετατόπιση μεταβολισμού Ισορροπία μικροβιακών πληθυσμών 50 3.4.3. Επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων 51 3.4.3.1. Οξυγόνο 51 3.4.3.2. Μερική πίεση υδρογόνου 51 3.4.3.3. ph 52 3.4.3.4. Υδραυλικός χρόνος παραμονής 52 3.4.3.5. Θερμοκρασία 53 3.4.3.5. Συγκέντρωση υποστρώματος 53 3.4.3.5. Σίδηρος 54 3.5. Πρώτες ύλες τροφοδοσίας 55 4. ΤΟ ΒΑΚΤΗΡΙΟ RUMINOCOCCUS ALBUS 61 4.1. Οικολογία του κεκρύφαλου (rumen) 62 4.2. Υδρόλυση σύνθετων υδατανθράκων 66 4.2.1. Υδρόλυση κυτταρίνης 67 4.2.2. Υδρόλυση ημικυτταρίνης 70

iv 4.3. Μεταβολισμός του R.albus 72 4.3.1. Πηγές οργανικού άνθρακα 72 4.3.1.1. Εξόζες 73 4.3.1.2. Πεντόζες 73 4.3.1.3. Δισακχαρίτες 74 4.3.1.3. Πολυσακχαρίτες 74 4.3.2. Συσσώρευση πολυσακχαριτών 75 4.3.3. Μεταβολικά προϊόντα σε καθαρές και μικτές καλλιέργειες 76 5. ΓΛΥΚΟ ΣΟΡΓΟ (Sorghum bicolor (L.) Moench) 79 5.1. Βοτανική και Φυσιολογία γλυκού σόργου 80 5.1.1. Συστηματική κατάταξη 80 5.1.2. Ανοχή σε αβιοτικό και βιοτικό στρες 81 5.1.3. Υδατάνθρακες του βλαστού 82 5.2. Χρήσεις του γλυκού σόργου 84 5.2.1. Διαχωρισμός διαλυτών σακχάρων 84 5.2.2. Το γλυκό σόργο ως ενεργειακό φυτό 85 5.2.2.1. Παραγωγή βιοαιθανόλης 85 5.2.2.2. Παραγωγή βιοελαίου 86 6. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 89 6.1. Μικροοργανισμός 89 6.1.1. Στέλεχος και θρεπτικό μέσο 89 6.1.2. Αναβίωση και συντήρηση 92 6.2. Πηγές άνθρακα 92 6.2.1. Υδατάνθρακες 92 6.2.2. Γλυκό σόργο 93 6.3. Πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου 94 6.4. Πειράματα σε αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας 95

v 6.5. Αναλυτικές μέθοδοι προσδιορισμού διαφόρων παραμέτρων 98 6.5.1. Προσδιορισμός βιομάζας 98 6.5.2. Προσδιορισμός πρωτεϊνών 99 6.5.3. Μέτρηση ph 102 6.5.4. Προσδιορισμός υδατανθράκων 102 6.5.5. Προσδιορισμός πτητικών λιπαρών οξέων 104 6.5.6. Προσδιορισμός μυρμηκικού και γαλακτικού οξέος 105 6.5.7. Προσδιορισμός υδρογόνου 107 6.6. Κινητικές εκφράσεις και μοντελοποίηση 107 7. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΙΚΑ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΑ 113 7.1. Εισαγωγή 113 7.2. Επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων στην μικροβιακή ανάπτυξη 114 7.2.1. Επίδραση CO 2 στη μικροβιακή ανάπτυξη 115 7.2.2. Επίδραση αρχικού ph στη μικροβιακή ανάπτυξη 116 7.2.3. Επίδραση Na 2 S στη μικροβιακή ανάπτυξη και στη παραγωγή υδρογόνου 118 7.3. Παραγωγή μεταβολικών προϊόντων από γλυκόζη σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου 120 7.3.1. Παραγωγή υδρογόνου από εξωτερικά προστιθέμενο μυρμηκικό οξύ 126 7.3.2. Επίδραση μερικής πίεσης υδρογόνου στην απόδοση υδρογόνου 131 7.3.3. Επίδραση συγκέντρωσης υποστρώματος στην απόδοση υδρογόνου και την κατανομή των μεταβολικών προϊόντων 133 7.4. Καλλιέργειες με γλυκόζη σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας 144 7.5. Παραγωγή υδρογόνου και κατανομή μεταβολικών προϊόντων από εναλλακτικές πηγές άνθρακα 151 8. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΚΙΝΗΤΙΚΩΝ ΣΤΑΘΕΡΩΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΒΑΚΤΗΡΙΟΥ R.ALBUS ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 159

vi 8.1. Εισαγωγή 159 8.2. Προσδιορισμός κινητικών σταθερών ανάπτυξης σε γλυκόζη, πεντόζες και δισακχαρίτες 160 8.3. Προσδιορισμός κινητικής διάσπασης μυρμηκικού οξέος και επίδραση μερικής πίεσης υδρογόνου στην κατανομή των μεταβολικών προϊόντων 170 8.4. Προσομοίωση δεδομένων από καλλιέργειες με γλυκόζη σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας 178 9. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΜΕ ΒΙΟΜΑΖΑ ΣΟΡΓΟΥ 183 9.1. Εισαγωγή 183 9.2. Χαρακτηρισμός της πρώτης ύλης 184 9.3. Πειράματα με εκχύλισμα σόργου 184 9.3.1. Προσομοίωση πειραματικών μετρήσεων μικροβιακής ανάπτυξης σε καλλιέργειες με εκχύλισμα γλυκού σόργου ως πηγή άνθρακα 184 9.3.2. Παραγωγή υδρογόνου και κατανομή μεταβολικών προϊόντων από εκχύλισμα γλυκού σόργου 187 9.3.2.1. Παραγωγή μεταβολικών προϊόντων από εκχύλισμα γλυκού σόργου σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου, και προσομοίωση συνολικής διεργασίας με τις κινητικές σταθερές ανάπτυξης σε σακχαρόζη 188 9.3.2.2. Επίδραση συγκέντρωσης σακχάρων του εκχυλίσματος σόργου στην απόδοση υδρογόνου και την κατανομή των μεταβολικών προϊόντων 192 9.3.3. Συνεχείς καλλιέργειες με εκχύλισμα σόργου και προσομοίωση των πειραματικών δεδομένων με τις κινητικές σταθερές ανάπτυξης σε σακχαρόζη 195 9.4. Πειράματα με λιγνοκυτταρινούχα υπολείμματα σόργου 198 9.4.1. Παραγωγή υδρογόνου και κατανομή μεταβολικών προϊόντων από λιγνοκυτταρινούχα υπολείμματα σόργου 199 9.4.2. Προσδιορισμός σταθεράς υδρόλυσης K h λιγνοκυτταρινούχων υπολειμμάτων σόργου 202

vii 9.5. Συγκριτικές αποδόσεις και παραγωγικότητες υδρογόνου από τη συνολική βιομάζα σόργου και τα επιμέρους κλάσματα της διεργασίας εκχύλισης 204 10. ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ 207 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 213

viii ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας παραγωγής υδρογόνου από καθαρές καλλιέργειες του μικροοργανισμού Ruminococcus albus εστιάζοντας κυρίως στο μηχανισμό της διεργασίας. Ο R. albus είναι ένα ετερότροφο, αυστηρά αναερόβιο βακτήριο που διαβιεί στο πρώτο διαμέρισμα του τετραμερούς στομάχου των μηρυκαστικών, τον κεκρύφαλο (rumen). Αναπτύσσεται καταναλώνοντας τους σύνθετους υδατάνθρακες που φτάνουν εκεί μέσω της πρόσληψης τροφής από το μηρυκαστικό, αφού πρώτα τους υδρολύσει μέσω εξωκυτταρικών ενζύμων που παράγει. Τα προϊόντα της υδρόλυσης είναι απλοί υδατάνθρακες που ζυμώνονται περαιτέρω προς παραγωγή λιπαρών οξέων, αιθανόλης, διοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου. Η ικανότητα παραγωγής υδρογόνου και η τελική απόδοση εξαρτώνται από τις συνθήκες υπό τις οποίες πραγματοποιείται η ανάπτυξη. Ο R. albus πιστεύεται ότι είναι πολλά υποσχόμενος για την παραγωγή υδρογόνου από αγροτικά υπολείμματα που είναι πλούσια σε λιγνοκυτταρινούχα υλικά καθώς και ενεργειακά φυτά, όπως είναι το γλυκό σόργο. Οι βλαστοί του γλυκού σόργου είναι πλούσιοι σε σάκχαρα, κυρίως σακχαρόζη σε ποσοστό έως και 55% επί ξηρής μάζας και γλυκόζη (3.2% επί ξηρής μάζας) που απομακρύνονται εύκολα μέσω της διεργασίας εκχύλισης με νερό. Οι βλαστοί του γλυκού σόργου περιέχουν επίσης μεγάλο ποσοστό κυτταρίνης (12.4%) και ημικυτταρίνης (10.2%). Προκειμένου να μελετηθεί ο μεταβολισμός του βακτηρίου και να υπολογιστούν οι κινητικές σταθερές πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και αντιδραστήρες συνεχούς τροφοδοσίας (CSTR). Ως πηγές άνθρακα χρησιμοποιήθηκαν διάφορα απλά υδατανθρακικά υποστρώματα καθώς και βιομάζα από το ενεργειακό φυτό Sorghum bicolor (γλυκό σόργο). Τα κύρια προϊόντα που ανιχνεύτηκαν σε όλες τις περιπτώσεις ήταν τα οξέα οξικό και μυρμηκικό, η αιθανόλη και το υδρογόνο. Η απόδοση σε υδρογόνο ήταν γενικά μεγαλύτερη στα πειράματα διαλείποντος έργου. Ειδικότερα για τα πειράματα με γλυκόζη, η απόδοση κυμαινόταν μεταξύ των τιμών 2 και 2.6 mol H 2 /mol γλυκόζης στις καλλιέργειες διαλείποντος έργου, ενώ η βέλτιστη απόδοση από τις συνεχείς καλλιέργειες ήταν 1.07± 017 mol H 2 /mol γλυκόζης για υδραυλικό χρόνο παραμονής 42 h. Η τελική τιμή απόδοσης παρουσίαζε εξάρτηση από τη μερική πίεση υδρογόνου στην αέρια φάση των καλλιεργειών, το αναγωγικό μέσο για την εξασφάλιση αναγωγικών συνθηκών καθώς και την ποσότητα παραγόμενης αιθανόλης. Η κινητική μικροβιακής ανάπτυξης και παραγωγής υδρογόνου μελετήθηκε μέσω των πειραμάτων με γλυκόζη και η δεύτερη

ix συνδέθηκε μέσω κινητικών εξισώσεων με την διάσπαση του μυρμηκικού οξέος και την παραγωγή αιθανόλης. Άλλα απλά υποστρώματα που μελετήθηκαν είναι οι πεντόζες D- και L-αραβινόζη και η D-ξυλόζη, οι δισακχαρίτες κελλοβιόζη και σακχαρόζη, για τα οποία υπολογίστηκαν οι κινητικές ανάπτυξης του μικροοργανισμού και βέβαια η βιομάζα σόργου, το εκχύλισμα σόργου και τα υπολείμματα σόργου μετά την εκχύλισή του. Οι αποδόσεις σε υδρογόνο ήταν πολλά υποσχόμενες σε όλες τις περιπτώσεις.

x ABSTRACT The aim of the present work was to investigate the process of hydrogen production using pure cultures of fibrolytic bacterium Ruminococcus albus, focusing mainly on the mechanism of the activity. R. albus is an important fibrolytic bacterium of the rumen, where it cohabits with other bacteria and protozoa. R. albus can ferment soluble sugars and also complex carbohydrates, such as cellulose and hemillulose, after breaking them down through the extracellular enzymes it produces. Regardless the initial substrate used a significant amount of hydrogen evolves from the fermentation process. Previous research with pure cultures of R. albus and whole sorghum, sorghum extract and lignocellulosic residues as substrate, lead to very promising hydrogen yields. Moreover, it was shown that sorghum biomass can be used for hydrogen production with high and similar final yields, independent on whether the process takes place in one stage, i.e. when both simple and complex carbohydrates are fermented in the same fermentor, or in two stages i.e. when sorghum extract and extraction residues are fermented separately. Therefore, it is believed that R. albus is very promising for the production of hydrogen from agricultural residues rich in lignocellulosic materials and from energy crops, such as sweet sorghum which contains soluble sugars and complex carbohydrates in almost equal amounts. Sweet sorghum is an annual C4 plant of tropical origin, well-adapted to subtropical and temperate regions and highly biomass-productive. Sweet sorghum stalks are rich in sugars, mainly in sucrose that amounts up to 55% of dry matter and in glucose (3.2% of dry matter). They also contain cellulose (12.4%) and hemicelluloses (10.2%). Extraction of free sugars from the stalks is easily achieved by extraction with water at 30 C. After the extraction process a liquid fraction, rich in sucrose, and a solid fraction, containing the cellulose and hemicelluloses, are obtained. The liquid fraction could be directly fermented to hydrogen, whereas the solid fraction should first be hydrolyzed in order to fully exploit the potential of the sorghum biomass for biohydrogen production In order to study the metabolism of bacterium and estimate growth and hydrogen production kinetics, batch and continuous experiments were carried out with glucose as carbon source. Besides glucose pentoses and disaccharides were tested as well, and the growth kinetics on these substrates were estimated.. The main products that were detected in all the cases were acetate, formate, ethanol and hydrogen. Hydrogen yield was generally higher in batch experiments. More specifically glucose experiments showed yields varying

xi between the values 2 and 2.6 mol H 2 /mol of glucose in batch cultures, while the optimum yield in continuous cultures was 1.07± 017 mol H 2 /mol of glucose when the hydraulic retention time was 42h. The final hydrogen yield seemed to depend on hydrogen partial pressure, the reducing agent used and the final amount of ethanol.. The production of hydrogen was studied with glucose experiments and was connected via kinetic equations with formate breaking down acid and ethanol production. The other simple substrates that were studied were the pentoses D - and L-arabinose and the D-xylose, the disaccharides cellobiose and sucrose, for which the growth constants were calculated. Subsequently whole sorghum biomass, sorghum extract and lignocellulosic sorghum residues were tested and the experimental results were simulated. The simulations were sufficient in all cases, and hydrogen yields were very promising.

xii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα1.1 Πιθανά σενάρια για την αύξηση της ενεργειακής ζήτησης και του παγκόσμιου πληθυσμού στη γη [από Conte et al. 2001, κατά Nakicenovic, 1998. 2 Σχήμα 2.1 Μορφολογίας βακτηριακών κυττάρων. 10 Σχήμα 2.2 Δομή βακτηριακού κυττάρου. 11 Σχήμα 2.3 Καμπύλη μικροβιακής ανάπτυξης σε υγρό θρεπτικό μέσο και κλειστό σύστημα [Prescott. et al, 2002]. 16 Σχήμα 2.4 Εξάρτηση του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης μικροοργανισμών από την συγκέντρωση του περιοριστικού υποστρώματος σύμφωνα με την κινητική Monod. 17 Σχήμα 2.5 Δομή του μορίου ΑΤΡ. 18 Σχήμα 2.6 Δομή του NAD, ανηγμένη και οξειδωμένη μορφή. 19 Σχήμα 2.7 Δομή του συνενζύμου Α. 20 Σχήμα 2.8 Αλκοολική (α) και γαλακτική (β) ζύμωση. 24 Σχήμα 2.9 Το δίκτυο Embden Meyerhof Pranas Ένζυμα: 1: εξοκινάση (EC 2.7.1.1), 2: ισομεράση της 6-Ρ-γλυκόζης (EC 5.3.1.9), 3: φωσφοφρουκτοκινάση (EC 2.7.1.11), 4: αλδολάση (EC 4.1.2.13), 5: ισομεράση της Ρ-τριόζης (EC 5.3.1.1), 6: αφυδρογονάση της 3-Ργλυκεραλδεύδης (EC 1.2.1.12), 7: κινάση του Ρ-γλυκερικού (EC 2.7.2.3.), 8: μουτάση του Ρ-γλυκερικού (EC 5.4.2.1), 9: ενολάση (EC 4.2.1.11), 10: κινάση του πυροσταφυλικού (EC 2.7.1.40). [Από Prescott et al. 2002, απόδοση όρων στα ελληνικά σύμφωνα με Meishlich et al. 1983]. 25 Σχήμα 2.10 Το δίκτυο Entner-Doudoroff, Ένζυμα: 1: εξoκινάση (EC 2.7.1.1), 2 γλυκοκινάση (EC 2.7.1.2):, 3: αφυδατάση του φωσφογλυκονικού (EC 4.2.1.12), 4: KDPG-αλδολάση (ΕC 4.1.2.14), 5: αφυδρογονάση της 3-Ργλυκεραλδεύδης (EC 1.2.1.12), 6: κινάση του Ρ-γλυκερικού (EC 2.7.2.3.), 7: μουτάση του Ρ-γλυκερικού (EC 5.4.2.1), 8: ενολάση (EC 4.2.1.11), 9: κινάση του πυροσταφυλικού (EC 2.7.1.40). 26 Σχήμα 2.11 Το δίκτυο των φωσφορικών πεντοζών Ένζυμα: 1: γλουκοκινάση (EC 2.7.1.2), 2: αφυδρογονάση του φωσφογλυκονικού (EC 1.1.1.44), 3:

xiii επιμεράση της φωσφοριβουλόζης (EC 5.1.3.1) και ισομεράση της ριβόζης (EC 5.3.1.6), 4 : τρανσκετολάση (EC 2.2.1.1), 5:τρανσαλδολάση (EC 2.2.1.2). 27 Σχήμα 2.12 Το δίκτυο της φωσφοκετολάσης Ένζυμα:1: εξoκινάση (EC 2.7.1.1), 2 γλουκοκινάση (EC 2.7.1.2):, 3: αφυδρογονάση του φωσφογλυκονικού (EC 1.1.1.44), 4: φωσφοκετολάση (EC 4.1.2.9),7: αφυδρογονάση της 3- Ρ-γλυκεραλδεύδης (EC 1.2.1.12), 8: κινάση του Ρ-γλυκερικού (EC 2.7.2.3.), 9: ενολάση (EC 4.2.1.11), 10: κινάση του πυροσταφυλικού (EC 2.7.1.40) 11: αφυδρογανάση του γαλακτικού (EC 1.1.27). 28 Σχήμα 3.1 Σχηματική απεικόνιση διεργασίας άμεσης βιοφωτόλυσης [Hallenbeck, 2002]. 35 Σχήμα 3.2 Σχηματική απεικόνιση διεργασίας έμμεσης βιοφωτόλυσης [Hallenbeck 2002]. 37 Σχήμα 3.3 Σχηματική απεικόνιση διεργασίας φωτεινής ζύμωσης. [Hallenbeck, 2002] 39 Σχήμα 3.4 Παραγωγή οξικού και μυρμηκικού οξέος από γλυκόζη. 1: ένζυμα δικτύου EMP (κεφ.2.3.2), 2: λυάση πυροσταφυλικού-μυρμηκικού, 3: λυάση μυρμηκικού-υδρογόνου, 4: φωσφοτρανσακετυλάση, 5: οξική κινάση. 46 Σχήμα 3.5 Παραγωγή οξικού γαλακτικού και μυρμηκικού οξέος και αιθανόλης από γλυκόζη (μικτή ζύμωση). 1: ένζυμα δικτύου EMP (κεφ.2.3.2), 2: λυάση πυροσταφυλικού-μυρμηκικού, 3: λυάση μυρμηκικού-υδρογόνου, 4: φωσφοτρανσακετυλάση, 5: οξική κινάση, 6: ακεταλδεϋδική αφυδρογονάση, 7: αλκοολική αφυδρογονάση. 47 Σχήμα 3.6 Παραγωγή οξικού οξέος (α) και βουτυρικού οξέος (β) από γλυκόζη. 1: ένζυμα δικτύου EMP (κεφ.2.3.2), 2: οξειδοαναγωγάση πυροσταφυλικούφερρεδοξίνης, 3: υδρογονάση, 4: φωσφοτρανσακετυλάση, 5: οξική κινάση, 6: ακετυλο-coa-ακετυλτρανσφεράση, 7: 5,L(+)-βυδροξυβουτυλο-CoA αφυδρογονάση, L-3-υδροξυακυλο-CoA υδρολυάση, βουτυλο-coa αφυδρογονάση (τρεις αντιδράσεις), 8: φωσφοτρανσβουτυρυλάση, βουτυρική κινάση (δύο αντιδράσεις). 49

xiv Σχήμα 4.1 Βιολογικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στον κεκρύφαλο. Οι ενώσεις που βρίσκονται σε πλαίσιο αποτελούν τα τελικά προϊόντα που αναγνωρίζονται στο κεκρύφαλο (το Η 2 και το ΗCOOH βρίσκονται σε πολύ μικρό ποσοστό). 64 Σχήμα 4.2 Δομή γραμμικού μορίου κυτταρίνης. 67 Σχήμα 4.3 Μηχανισμοί υδρόλυσης κυτταρίνης, α. : Κατά Reese, 1950, χωρίς δράση κυτταρινοσώματος, β. με δράση κυτταρινοσώματος [Lynd et al. 2002]. 69 Σχήμα 4.4 Δομή ξυλάνης από ίνα λεπύρου (bran) καλαμποκιού [κατά Saulnier et al. 1995 από Saha, 2003]. X: ξυλόζη, A: αραβινόζη, G: γαλακτόζη, GlcA: γλυκουρονικό οξύ, FeA: φερουλικό οξύ. Σχήμα 6.1 Διαδικασία εκχύλισης σακχάρων από σόργο, και ζύμωσης των παραγόμενων κλασμάτων. 93 Σχήμα 6.2 Σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής διάταξης. Α. Φιάλη τροφοδοσίας, Β. Περισταλτική αντλία τροφοδοσίας, C. Χημοστάτη, D. Αναδευτήρας, Ε. Παγίδα αερίου, F. Φιάλη απορροής, G. Συλλέκτης αερίου, H. Σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας, I. Δεξαμενή θερμού νερού. 98 Σχήμα 6.3 Πρότυπη καμπύλη συγκέντρωσης μικροβιακής βιομάζας σε συνάρτηση με την οπτική απορρόφηση στα 550 nm. 99 Σχήμα 6.4 Πρότυπη καμπύλη συγκέντρωσης πρωτεϊνών σε συνάρτηση με την οπτική απορρόφηση του συμπλόκου της μεθόδου Bradford σε μήκος κύματος 595 nm. 101 Σχήμα 6.5 Πρότυπη καμπύλη συγκέντρωσης γλυκόζης σε συνάρτηση με την οπτική απορρόφηση του συμπλόκου της μεθόδου τρυπτοφάνης-βορικού σε μήκος κύματος 520 nm. 103 Σχήμα 6.6 Βασικά χαρακτηριστικά αέριας χρωματογραφίας [Pecsok et al., 1980]. 105 Σχήμα 7.1 Ανάπτυξη μικροβιακής βιομάζας σε θρεπτικό μέσο με αρχική συγκέντρωσης γλυκόζης ~5 g/l και διαφορετική αρχική σύσταση αέριας φάσης καλλιέργειας. 116 Σχήμα 7.2 Ανάπτυξη μικροβιακής βιομάζας σε θρεπτικό μέσο με αρχική συγκέντρωσης γλυκόζης ~5 g/l και διαφορετικές τιμές αρχικού ph. 117 Σχήμα 7.3 Ανάπτυξη μικροβιακής βιομάζας σε θρεπτικό μέσο αρχική συγκέντρωσης γλυκόζης ~5 g/l και διαφορετικό αναγωγικό μέσο. 118

xv Σχήμα 7.4 Στοιχειομετρική απόδοση Η 2 από καλλιέργειες με αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~5 g/l και διαφορετικό αναγωγικό μέσο και προφίλ ολικής πίεσης. 119 Σχήμα 7.5 Σχηματική απεικόνιση του μεταβολισμού της γλυκόζης από τον μικροοργανισμό R. albus. 122 Σχήμα 7.6 Πειραματικές τιμές συγκέντρωσης γλυκόζης (α),ph (β), συγκέντρωσης μικροβιακής βιομάζας και διαλυτών προϊόντων (γ) και παραγωγή υδρογόνου (δ) σε καλλιέργεια διαλείποντος έργου με αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~5 g/l και σταθερή ολική πίεση ίση με 1 atm. Σύμβολα: γλυκόζη, βιομάζα, οξικό οξύ, μυρμηκικό οξύ, αιθανόλη, υδρογόνο. 124 Σχήμα 7.7 Πειραματικές τιμές συγκέντρωσης γλυκόζης (α),ph (β), συγκέντρωσης μικροβιακής βιομάζας και διαλυτών προϊόντων (γ) και παραγωγή υδρογόνου (δ) σε καλλιέργεια διαλείποντος έργου με αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~5 g/l και αυξανόμενη ολική πίεση. Σύμβολα: γλυκόζη, βιομάζα, οξικό οξύ, μυρμηκικό οξύ, αιθανόλη, υδρογόνο. 125 Σχήμα 7.8 Μικροβιακή ανάπτυξη (α) και παραγωγή υδρογόνου (κλειστά σύμβολα) και συγκέντρωση μυρμηκικού οξέος (ανοικτά σύμβολα) (β) από καλλιέργεια γλυκόζης αρχικής συγκέντρωσης ~5g/L, χωρίς εξωτερική προσθήκη μυρμηκικού οξέος ( και ), με προσθήκη ~11 mμ μυρμηκικού οξέος στο τέλος της εκθετικής φάσης ανάπτυξης ( και ) και προσθήκη ~22 mμ μυρμηκικού οξέος τέλος της εκθετικής φάσης ανάπτυξης ( και ). 128 Σχήμα 7.9 Μεταβολή της συγκέντρωσης μυρμηκικού οξέος (α) και του ph (β) σε καλλιέργεια γλυκόζης αρχικής συγκέντρωσης ~5g/L με μηδενική μερική πίεση υδρογόνου αέριας φάσης λόγω εκτόπισης μέσω ρεύματος CO 2 - Ν 2. 130 Σχήμα 7.10 Παραγωγή υδρογόνου από καλλιέργειες γλυκόζης αρχικής συγκέντρωσης ~5g/L με διαφορετική αναλογία όγκου καλλιέργειας προς όγκο αέριας φάσης (α) και διαφορετική αρχική P H2 (β). 132

xvi Σχήμα 7.11 Συγκριτική παραγωγή οξικού οξέος και αιθανόλης από καλλιέργειες R.albus σε γλυκόζη με διαφορετική αρχική συγκέντρωση υποστρώματος και ανάλογη αύξηση μερικής πίεσης υδρογόνου. 137 Σχήμα 7.12 Συγκριτική κατανάλωση υδατανθράκων (α) και παραγωγή μικροβιακής βιομάζας (β) σε καλλιέργειες R. albus σε γλυκόζη διαφορετικής αρχικής συγκέντρωσης. Σύμβολα:, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~10g/L,, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~15g/L,, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~20g/L. 139 Σχήμα 7.13 Συγκριτική μεταβολή της τιμής του ph σε καλλιέργειες R. albus με γλυκόζη διαφορετικής αρχικής συγκέντρωσης. Σύμβολα:, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~10g/L,, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~15g/L,, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~20g/L. 140 Σχήμα 7.14 Συγκριτική παραγωγή οξικού οξέος (α) και αιθανόλης (β) από καλλιέργειες R. albus σε γλυκόζη διαφορετικής αρχικής συγκέντρωσης. Σύμβολα:, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~10g/L,, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~15g/L,, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~20g/L. 142 Σχήμα 7.15 Συγκριτική τελική παραγωγή οξικού οξέος και αιθανόλης από καλλιέργειες R. albus σε γλυκόζη διαφορετικής αρχικής συγκέντρωσης. 142 Σχήμα 7.16 Συγκριτική πορεία μεταβολής συγκέντρωσης μυρμηκικού οξέος (α) και παραγωγής υδρογόνου (β) από καλλιέργειες R. albus σε γλυκόζη διαφορετικής αρχικής συγκέντρωσης. Σύμβολα:, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~10g/L,, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~15g/L,, αρχική συγκέντρωση γλυκόζης ~20g/L. 143 Σχήμα 7.17 Πειραματικές μετρήσεις συγκέντρωσης μικροβιακής βιομάζας σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας με υδραυλικό χρόνο παραμονής 48h και 42h (α), 36h και 24h (β) 145 Σχήμα 7.18 Πειραματικές μετρήσεις τιμής ph σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας με υδραυλικό χρόνο παραμονής 48h και 42h (α), 36h και 24h (β) 145 Σχήμα 7.19 Πειραματικές μετρήσεις συγκέντρωσης γλυκόζης στην τροφοδοσία (ανοικτά σύμβολα) και την απορροή (κλειστά σύμβολα) σε

xvii αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας με υδραυλικό χρόνο παραμονής 48h και 42h (α), 36h και 24h (β). 146 Σχήμα 7.20 Πειραματικές μετρήσεις ημερήσιας παραγωγής υδρογόνου από Σχήμα 7.21 Σχήμα 7.22 αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας με υδραυλικό χρόνο παραμονής 48h και 42h (α), 36h και 24h (β). 147 Πειραματικές μετρήσεις συγκεντρώσεων διαλυτών προϊόντων σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας με υδραυλικό χρόνο παραμονής 42h (α), 36h και 24h (β). 148 Συγκέντρωση μικροβιακής βιομάζας (α, γ) και υδατανθράκων (β, δ) σε καλλιέργειες R. albus με πεντόζες, δισακχαρίτες και γλυκόζη αρχικής συγκέντρωσης ~5g/L. Σύμβολα :, γλυκόζη,,d-ξυλόζη, Lαραβινόζη,, D-αραβινόζη,, κελλοβιόζη, σακχαρόζη. 152 Σχήμα 7.23 Συγκέντρωση οξικού οξέος (α, γ) και αιθανόλης (β, δ) σε καλλιέργειες R. Σχήμα 7.24 albus με πεντόζες, δισακχαρίτες και γλυκόζη αρχικής συγκέντρωσης ~5g/L. Σύμβολα :, γλυκόζη,,d-ξυλόζη, L-αραβινόζη,, D- αραβινόζη,, κελλοβιόζη, σακχαρόζη. 154 Συγκέντρωση μυρμηκικού οξέος (α,ε) παραγωγή υδρογόνου (β,στ) και μεταβολή της τιμής του ph (γ, ζ) σε καλλιέργειες R. albus με πεντόζες, δισακχαρίτες και γλυκόζη αρχικής συγκέντρωσης ~5g/L. Σύμβολα :, γλυκόζη,, D-ξυλόζη,, L-αραβινόζη,, D-αραβινόζη,, κελλοβιόζη, σακχαρόζη. 155 Σχήμα 8.1 Σχήμα 8.2 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της μικροβιακής ανάπτυξης και κατανάλωσης γλυκόζης σε καλλιέργειες R. albus με διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις γλυκόζης, (α) Cin, 4g/L, (β) Cin, 8g/L, (γ) Cin, 12g/L. Σύμβολα :, μετρούμενη γλυκόζη,, μετρούμενη βιομάζα, προσομοίωση γλυκόζης, ---- προσομοίωση βιομάζας. 161 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της μικροβιακής ανάπτυξης και κατανάλωσης γλυκόζης σε καλλιέργειες R. albus με ίδια αρχική συγκέντρωση γλυκόζης και διαφορετικές αρχικές P H2, (α) Cin, 5g/L, P H2,in 0atm, 2 (β) Cin, 5g/L, P H2,in 0.3atm, (γ) Cin, 5g/L, P H2,in 0.5atm,. (δ) Cin, 5g/L, P H2,in 0.6atm, (ε) Cin, 5g/L, P H2 0atm. Σύμβολα :

xviii μετρούμενη γλυκόζη, μετρούμενη βιομάζα, προσομοίωση Σχήμα 8.3 Σχήμα 8.4 Σχήμα 8.5 Σχήμα 8.6 Σχήμα 8.7 Σχήμα 8.8 γλυκόζης, προσομοίωση βιομάζας. 162 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της μικροβιακής ανάπτυξης και κατανάλωσης ξυλόζης σε καλλιέργειες R. albus με διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις D-ξυλόζης, (α) Cin, 4g/L, (β) Cin, 8g/L, (γ) Cin, 12g/L. Σύμβολα :, μετρούμενη ξυλόζη,, μετρούμενη βιομάζα, προσομοίωση ξυλόζης, ---- προσομοίωση βιομάζας. 164 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της μικροβιακής ανάπτυξης και κατανάλωσης αραβινόζης σε καλλιέργειες R. albus με διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις L-αραβινόζης, (α) Cin, 4g/L, (β) Cin, 8g/L, (γ) Cin, 12g/L. Σύμβολα : μετρούμενη αραβινόζη, μετρούμενη βιομάζα, προσομοίωση αραβινόζης, ---- προσομοίωση βιομάζας. 165 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της μικροβιακής ανάπτυξης και κατανάλωσης αραβινόζης σε καλλιέργειες R. albus με διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις κελλοβιόζης, (α) Cin, 4g/L, (β) Cin, 8g/L, (γ) Cin, 12g/L. Σύμβολα : μετρούμενη αραβινόζη, μετρούμενη βιομάζα, προσομοίωση αραβινόζης, ---- προσομοίωση βιομάζας. 166 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της μικροβιακής ανάπτυξης και κατανάλωσης αραβινόζης σε καλλιέργειες R. albus με διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις σακχαρόζης, (α) Cin, 4g/L, (β) Cin, 8g/L, (γ) Cin, 12g/L. Σύμβολα : μετρούμενη αραβινόζη, μετρούμενη βιομάζα, προσομοίωση αραβινόζης, ---- προσομοίωση βιομάζας. 167 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της παραγωγής και διάσπασης του μυρμηκικού οξέος κατά την ανάπτυξη R. albus σε καλλιέργειες γλυκόζης με διαφορετική αρχική μερική πίεση Η 2. (α) αρχικήp H2 = 0atm, (β) αρχικήp H2 = 0.3atm, (γ) αρχικήp H2 = 0.5atm, (δ) αρχικήp H2 = 0.6atm., (ε) σταθερή P H2 = 0atm. Σύμβολα,μετρούμενο μυρμηκικό οξύ, προσομοίωση συγκέντρωσης μυρμηκικού οξέος. 173 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της παραγωγής οξικού οξέος και αιθανόλης κατά την ανάπτυξη R. albus σε καλλιέργειες γλυκόζης με διαφορετική αρχική μερική πίεση Η 2. (α) αρχικήp H2 = 0atm,(β) αρχικήp H2 = 0.3atm, (γ) αρχικήp H2 = 0.5atm, (δ) αρχικήp H2 = 0.6atm., (ε) σταθερή P H2 = 0atm. Σύμβολα.,μετρούμενο οξικό οξύ,, μετρούμενη

xix Σχήμα 8.9 Σχήμα 8.10 Σχήμα 8.11 Σχήμα 8.12 Σχήμα 8.13 αιθανόλη, προσομοίωση συγκέντρωσης οξικού οξέος, προσομοίωση συγκέντρωσης αιθανόλης. 174 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της μεταβολής του ph κατά την ανάπτυξη R. albus σε καλλιέργειες γλυκόζης με διαφορετική αρχική μερική πίεση Η 2. (α) αρχικήp H2 = 0atm,(β) αρχικήp H2 = 0.3atm, (γ) αρχικήp H2 = 0.5atm, (δ) αρχικήp H2 = 0.6atm, (ε) σταθερή P H2 = 0atm. Σύμβολα.,μετρούμενο ph, προσομοίωση μεταβολής ph. 175 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της παραγωγής υδρογόνου κατά την ανάπτυξη R. albus σε καλλιέργειες γλυκόζης με διαφορετική αρχική μερική πίεση Η 2. (α) αρχικήp H2 = 0atm,(β) αρχικήp H2 = 0.3atm, (γ) αρχικήp H2 = 0.5atm, (δ) αρχικήp H2 = 0.6atm, (ε) σταθερή P H2 = 0atm. Σύμβολα., μετρούμενο υδρογόνο, προσομοίωση παραγωγής υδρογόνου. 176 Σύγκριση μέσης τιμής πειραματικών μετρήσεων σε μόνιμη κατάσταση και προσομοίωση πειραματικών δεδομένων από καλλιέργειες γλυκόζης σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας και διαφορετικούς χρόνους παραμονής. (α) Συγκέντρωση βιομάζας, (β) ποσοστό κατανάλωσης γλυκόζης, και (γ) ph. 179 Σύγκριση μέσης τιμής πειραματικών μετρήσεων σε μόνιμη κατάσταση και προσομοίωση πειραματικών δεδομένων από καλλιέργειες γλυκόζης σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας και διαφορετικούς χρόνους παραμονής. (α) Συγκέντρωση οξικού οξέος, (β) συγκέντρωση αιθανόλης. 180 Σύγκριση μέσης τιμής πειραματικών μετρήσεων σε μόνιμη κατάσταση και προσομοίωση πειραματικών δεδομένων από καλλιέργειες γλυκόζης σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας και διαφορετικούς χρόνους παραμονής. (α) Συγκέντρωση μυρμηκικού οξέος, (β) μερική πίεση υδρογόνου. 180 Σχήμα 9.1 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση της μικροβιακής ανάπτυξης και της κατανάλωσης των σακχάρων εκχυλίσματος σόργου σε καλλιέργειες R. albus με διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις σακχάρων (α) Cin, ~4g/L, (β) Cin, ~8g/L, (γ) Cin, ~12g/L. Σύμβολα :

xx μετρούμενα σάκχαρα, μετρούμενη βιομάζα, προσομοίωση σακχάρων, ---- προσομοίωση βιομάζας. 186 Σχήμα 9.2 Κατανάλωση υδατανθράκων και παραγωγή μικροβιακής βιομάζας σε καλλιέργειες διαλείποντος έργου με R.albus από εκχύλισμα σόργου αρχικής συγκέντρωσης υδατανθράκων ~5g/L (α) και ~10 g/l. Σύμβολα :,μετρούμενη συγκέντρωση υδατανθράκων,, προσομοίωση συγκέντρωσης υδατανθράκων,, μετρούμενη συγκέντρωση μικροβιακής βιομάζας,., προσομοίωση συγκέντρωσης μικροβιακής βιομάζας. 191 Σχήμα 9.3 Παραγωγή διαλυτών μεταβολικών προϊόντων από καλλιέργειες διαλείποντος έργου με R.albus από εκχύλισμα σόργου αρχικής συγκέντρωσης υδατανθράκων ~5g/L (α) και ~10 g/l. Σύμβολα :,μετρούμενη συγκέντρωση αιθανόλης,, προσομοίωση συγκέντρωσης αιθανόλης,, μετρούμενη συγκέντρωση οξικού οξέος,, προσομοίωση συγκέντρωσης μικροβιακής βιομάζας,, μετρούμενη συγκέντρωση μυρμηκικού οξέος,., προσομοίωση συγκέντρωσης μυρμηκικού οξέος. 191 Σχήμα 9.4 Παραγωγή υδρογόνου από καλλιέργειες διαλείποντος έργου με R.albus από εκχύλισμα σόργου αρχικής συγκέντρωσης υδατανθράκων ~5g/L (α) και ~10 g/l. Σύμβολα :, μετρούμενη συγκέντρωση υδρογόνου στην αέρια φάση της καλλιέργειας,, προσομοίωση συγκέντρωσης υδρογόνου στην αέρια φάση της καλλιέργειας. 192 Σχήμα 9.5 Παραγωγή υδρογόνου από καλλιέργειες διαλείποντος έργου με R.albus σε εκχύλισμα σόργου διαφορετικής αρχικής συγκέντρωσης και διαφορετική αναλογία υγρής- αέριας φάσης. Σύμβολα :, αρχική συγκέντρωση 5g/L,, αρχική συγκέντρωση 10g/L,, αρχική συγκέντρωση 15g/L,, αρχική συγκέντρωση 20g/L. 193 Σχήμα 9.6 Πειραματικές μετρήσεις συγκέντρωσης μικροβιακής βιομάζας (α), σακχάρων ως ισοδύναμα γλυκόζης (β) και διακύμανσης ph (γ) σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας με υδραυλικό χρόνο παραμονής 42h τροφοδοτούμενο με εκχύλισμα σόργου. 196 Σχήμα 9.7 Πειραματικές μετρήσεις παραγόμενου υδρογόνου (α), και συγκέντρωσης διαλυτών προϊόντων (β) σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας με υδραυλικό χρόνο παραμονής 42h τροφοδοτούμενο με εκχύλισμα

xxi Σχήμα 9.8 Σχήμα 9.9 Σχήμα 9.10 Σχήμα 9.11 Σχήμα 9.12 σόργου. Σύμβολα:,υδρογόνο,,οξικό οξύ,,αιθανόλη,,μυρμηκικό οξύ,,γαλακτικό οξύ. 197 Σύγκριση μέσης τιμής πειραματικών μετρήσεων σε μόνιμη κατάσταση και προσομοίωση πειραματικών δεδομένων από καλλιέργειες με εκχύλισμα σόργου σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας και διαφορετικούς χρόνους παραμονής. (α) συγκέντρωση σακχάρων και τιμή ph στον αντιδραστήρα, (β) συγκέντρωση βιομάζας, οξέων, αιθανόλης και μερική πίεση υδρογόνου. 198 Παραγωγή βιομάζας (α), κατανάλωση υδατανθράκων (β) παραγωγή υδρογόνου (γ) και (δ) διαλυτών μεταβολικών προϊόντων από καλλιέργειες διαλείποντος έργου με λιγνοκυτταρινούχα υπολείμματα εκχύλισης σόργου αρχικής συγκέντρωσης υδατανθράκων ~3 g/l μετρούμενων σε ισοδύναμα γλυκόζης. Σύμβολα:,βιομάζα,,υδατάνθρακες,,υδρογόνο,,οξικό οξύ,,μυρμηκικό οξύ,,αιθανόλη. 200 Μεταβολή των τιμών του ph σε καλλιέργειες διαλείποντος έργου με βιομάζα λιγνοκυτταρινούχα υπολείμματα εκχύλισης σόργου αρχικής συγκέντρωσης υδατανθράκων ~3 g/l μετρούμενων ως ισοδύναμα γλυκόζης. 203 Πειραματικές μετρήσεις και προσομοίωση κατανάλωσης υδατανθράκων βιομάζας λιγνοκυτταρινούχων υπολειμμάτων εκχύλισης σόργου αρχικής συγκέντρωσης υδατανθράκων ~2.5 g/l ( ) και ~3 g/l ( )μετρούμενων ως ισοδύναμα γλυκόζης, σε καλλιέργειες διαλείποντος έργου με τον μικροοργανισμό R. albus. 204 Πειραματικές μετρήσεις παραγωγής υδρογόνου από καλλιέργειες R.albus διαλείποντος έργου με γλυκόζη, εκχύλισμα σόργου, βιομάζα βλαστών σόργου και βιομάζα λιγνοκυτταρινούχων υπολειμμάτων εκχύλισης αρχικής συγκέντρωσης υδατανθράκων ~5 g/l μετρούμενων ως ισοδύναμα γλυκόζης. Σύμβολα:,γλυκόζη,,εκχύλισμα σόργου,, βλαστοί σόργου,, λιγνοκυτταρινούχα υπολείμματα σόργου. 206

xxii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 3.1 Βιοχημική κατάταξη υδρογονασών. 58 Πίνακας 3.2 Διεργασίες βιολογικής παραγωγής υδρογόνου, αντιδράσεις και χρησιμοποιούμενοι μικροοργανισμοί [Benemann,, 1996]. 59 Πίνακας 4.1 Πίνακας 4.2 Καταβολικές ικανότητες βακτηριακών ειδών του κεκρύφαλου. [Bryant et al.1958, Bryant, 1959, Hungate, 1960, Hungate, 1966, Dehority, 1977, Thurston et al.1994]. 65 Μεταβολικά προϊόντα και αποδόσεις τους από καθαρές και μικτές καλλιέργειες του R..albus σύμφωνα με την υπάρχουσα βιβλιογραφία. 77 Πίνακας 5.1 Σύσταση βλαστού γλυκού σόργου, και κατανομή των υδατανθράκων στην εντεριώνη και το φλοιό του βλαστού γλυκού σόργου [Billa et al. 1997]. 83 Πίνακας 5.2 Κατανομή των προϊόντων υδρόλυσης των δομικών υδατανθράκων στην εντεριώνη και το φλοιό του βλαστού γλυκού σόργου [Billa et al 1997]. 83 Πίνακας 6.1 Σύσταση τροποποιημένου θρεπτικού μέσου DSMZ. 91 Πίνακας 7.1 Σύγκριση πειραματικά μετρούμενου υδρογόνου σε καλλιέργειες R.albus σταθερής και αυξανόμενης ολικής πίεσης, και θεωρητικά αναμενόμενου σύμφωνα με το μεταβολικό δίκτυο του σχήματος 7.5. 123 Πίνακας 7.2 Αποδόσεις και συνολικό ισοζύγιο μεταβολικών προϊόντων κατά την ανάπτυξη R. albus με γλυκόζη σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου με αυξανόμενη ολική πίεση και σταθερή ολική πίεση, μετρούμενες ως mg COD / mg COD γλυκόζης. 126 Πίνακας 7.3 Παραγωγή υδρογόνου από καλλιέργειες R.albus αρχικής συγκέντρωσης γλυκόζης ~5g/L, χωρίς εξωτερική προσθήκη μυρμηκικού οξέος, με προσθήκη ~11 mμ μυρμηκικού οξέος και ~22 mμ μυρμηκικού οξέος στο τέλος της εκθετικής φάσης ανάπτυξης. 127 Πίνακας 7.4 Τελική μετρούμενη συγκέντρωση μυρμηκικού οξέος σε καλλιέργειες R.albus αρχικής συγκέντρωσης γλυκόζης ~5g/L με διαφορετική πορεία αύξησης μερικής πίεσης υδρογόνου. 130

xxiii Πίνακας 7.5 Απόδοση και τελική P H2 σε καλλιέργειες R.albus αρχικής συγκέντρωσης γλυκόζης ~5g/L, με διαφορετική αναλογία όγκου καλλιέργειας προς όγκο αέριας φάσης. 131 Πίνακας 7.6 Απόδοση και τελική P H2 από καλλιέργειες R.albus αρχικής συγκέντρωσης γλυκόζης ~5g/L με διαφορετική αρχική P H2. 131 Πίνακας 7.7 Στοιχειομετρικές αποδόσεις και τελικές τιμές P H2, συγκέντρωσης μυρμηκικού οξέος και ph σε καλλιέργειες R. με διαφορετική αρχική συγκέντρωση υποστρώματος και ανάλογη αύξηση μερικής πίεσης υδρογόνου. 134 Πίνακας 7.8 Σύγκριση πειραματικά μετρούμενου υδρογόνου από καλλιέργειες σε γλυκόζη με διαφορετική συγκέντρωση υποστρώματος, και θεωρητικά αναμενόμενου σύμφωνα με το μεταβολικό δίκτυο του σχήματος 7.5. 135 Πίνακας 7.9 Αποδόσεις και συνολικό ισοζύγιο μεταβολικών προϊόντων από καλλιέργειες R.albus σε γλυκόζη με διαφορετική αρχική συγκέντρωση υποστρώματος και ανάλογη αύξηση μερικής πίεσης υδρογόνου. 136 Πίνακας 7.10 Σχετική μεταβολή παραγωγής οξικού οξέος και αιθανόλης μετρούμενη ως moles παραγόμενου οξικού οξέος προς moles παραγόμενης αιθανόλης, και ποσοστό μείωσης του υπολογιζόμενου λόγου. 137 Πίνακας 7.11 Στοιχειομετρικές αποδόσεις και τελικές τιμές P H2, συγκέντρωσης μυρμηκικού οξέος και ph σε καλλιέργειες R. με διαφορετική αρχική συγκέντρωση υποστρώματος. 139 Πίνακας 7.12 Αποδόσεις και συνολικό ισοζύγιο μεταβολικών προϊόντων από καλλιέργειες R.albus σε γλυκόζη με διαφορετική αρχική συγκέντρωση υποστρώματος και ανάλογη αύξηση μερικής πίεσης υδρογόνου. 141 Πίνακας 7.13 Μέση συγκέντρωση μικροβιακής βιομάζας και μέση τιμή ph στη μόνιμη κατάσταση από συνεχείς καλλιέργειες με διαφορετικούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής. 146 Πίνακας 7.14 Ποσοστό κατανάλωσης γλυκόζης στην μόνιμη κατάσταση από συνεχείς καλλιέργειες R.albus σε γλυκόζη με διαφορετικούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής. 147 Πίνακας 7.15 Στοιχειομετρικές αποδόσεις υδρογόνου από συνεχείς καλλιέργειες R.albus σε γλυκόζη με διαφορετικούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής. 148

xxiv Πίνακας 7.16 Στοιχειομετρικές αποδόσεις προϊόντων και συνολικό ισοζύγιο από συνεχείς καλλιέργειες R.albus σε γλυκόζη με διαφορετικούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής. 149 Πίνακας 7.17 Σύγκριση πειραματικά μετρούμενου υδρογόνου από καλλιέργειες με γλυκόζη σε αντιδραστήρα CSTR και διαφορετικούς χρόνους παραμονής, και θεωρητικά αναμενόμενου σύμφωνα με το μεταβολικό δίκτυο του σχήματος 7.5. 149 Πίνακας 7.18 Αποδόσεις και συνολικό ισοζύγιο μεταβολικών προϊόντων από καλλιέργειες R.albus με διαφορετικά υποστρώματα αρχικής συγκέντρωσης ~5g/L. 156 Πίνακας 7.19 Στοιχειομετρική απόδοση υδρογόνου από καλλιέργειες R.albus με διαφορετικά υποστρώματα αρχικής συγκέντρωσης ~5g/L 158 Πίνακας 8.1 Κινητικές σταθερές ανάπτυξης του Ruminococcus albus σε υπόστρωμα γλυκόζης. 163 Πίνακας 8.2 Κινητικές σταθερές ανάπτυξης του R. albus σε εναλλακτικά υδατανθρακικά υποστρώματα. 168 Πίνακας 8.3 Στοιχειομετρικές αποδόσεις προϊόντων και συνολικό ισοζύγιο από καλλιέργειες R.albus σε γλυκόζη και διαφορετική αρχική μερική πίεση Η 2 όπως υπολογίζονται από τις πειραματικές μετρήσεις. 177 Πίνακας 8.4 Στοιχειομετρικές αποδόσεις προϊόντων και συνολικό ισοζύγιο από καλλιέργειες R.albus σε γλυκόζη και διαφορετική αρχική μερική πίεση Η 2 όπως υπολογίζονται από την θεωρητική πρόβλεψη της ταυτόχρονης προσομοίωσης των πειραματικών δεδομένων. 178 Πίνακας 8.5 Σύγκριση πειραματικά μετρούμενων τιμών και θεωρητικών προβλέψεων από το μοντέλο για συνεχείς καλλιέργειες γλυκόζης με διαφορετικούς χρόνους παραμονής. 181 Πίνακας 9.1 Σύσταση βιομάζας γλυκού σόργου που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα της παρούσας μελέτης. 184 Πίνακας 9.2 Κινητικές σταθερές ανάπτυξης του Ruminococcus albus σε σακχαρόζη (βάσει του πίνακα 7.16). 185 Πίνακας 9.3 Κινητικές εκφράσεις ανάπτυξης και μεταβολισμού του R.albus. 188

xxv Πίνακας 9.4 Πειραματικά υπολογιζόμενες αποδόσεις και συνολικό ισοζύγιο μεταβολικών προϊόντων από καλλιέργειες R.albus σε εκχύλισμα σόργου με διαφορετική αρχική συγκέντρωση σακχάρων. 190 Πίνακας 9.5 Θεωρητικές αποδόσεις (από το μοντέλο βάσει των προσομοιώσεων με πειράματα γλυκόζης, κεφαλαίου 8) και συνολικό ισοζύγιο μεταβολικών προϊόντων από καλλιέργειες R.albus σε εκχύλισμα σόργου με διαφορετική αρχική συγκέντρωση σακχάρων. 190 Πίνακας 9.6 Στοιχειομετρική απόδοση υδρογόνου από καλλιέργειες R.albus σε εκχύλισμα σόργου με διαφορετική αρχική συγκέντρωση σακχάρων. 190 Πίνακας 9.7 Στοιχειομετρικές αποδόσεις υδρογόνου και τελική τιμή μερικής πίεσης από καλλιέργειες R.albus, με εκχύλισμα σόργου διαφορετικής αρχικής συγκέντρωσης και διαφορετική αναλογία υγρής- αέριας φάσης. 194 Πίνακας 9.8 Στοιχειομετρικές αποδόσεις διαλυτών μεταβολικών προϊόντων από καλλιέργειες διαλείποντος έργου με R.albus, με εκχύλισμα σόργου διαφορετικής αρχικής συγκέντρωσης και διαφορετική αναλογία υγρήςαέριας φάσης. 194 Πίνακας 9.9 Σχετική μεταβολή παραγωγής οξικού οξέος και αιθανόλης μετρούμενη ως moles παραγόμενου οξικού οξέος προς moles παραγόμενης αιθανόλης, και ποσοστό μείωσης του υπολογιζόμενου λόγου. 194 Πίνακας 9.10 Αποδόσεις μεταβολικών προϊόντων από καλλιέργειες διαλείποντος έργου με R.albus, με εκχύλισμα σόργου διαφορετικής αρχικής συγκέντρωσης και διαφορετική αναλογία υγρής- αέριας φάσης, μετρούμενες ως kg COD / kg COD ισοδυνάμων σακχαρόζης. 195 Πίνακας 9.11 Στοιχειομετρικές αποδόσεις προϊόντων και συνολικό ισοζύγιο από συνεχή καλλιέργεια R.albus σε γλυκόζη με υδραυλικό χρόνο παραμονής 42 h. 197 Πίνακας 9.12 Σύγκριση πειραματικά μετρούμενων τιμών και θεωρητικών προβλέψεων από το μοντέλο για συνεχείς καλλιέργειες με εκχύλισμα σόργου και υδραυλικό χρόνο παραμονής 42h. 198 Πίνακας 9.13 Στοιχειομετρικές αποδόσεις προϊόντων από καλλιέργειες R.albus διαλείποντος έργου με βιομάζα λιγνοκυτταρινούχων υπολειμμάτων εκχύλισης σόργου αρχικής συγκέντρωσης υδατανθράκων ~3 g/l

xxvi μετρούμενων ως ισοδύναμα γλυκόζης. (*θεωρητική απόδοση ως προς την γλυκόζη). 201 Πίνακας 9.14 Στοιχειομετρικές αποδόσεις Η 2 και τελικές τιμές μερικής πίεσης υδρογόνου από καλλιέργειες R.albus διαλείποντος έργου με γλυκόζη, εκχύλισμα σόργου, βιομάζα βλαστών σόργου και βιομάζα λιγνοκυτταρινούχων υπολειμμάτων εκχύλισης αρχικής συγκέντρωσης υδατανθράκων ~5 g/l μετρούμενων ως ισοδύναμα γλυκόζης. 206 Πίνακας 9.15 Παραγωγικότητα υδρογόνου από την διεργασία ζύμωσης βιομάζας γλυκού σόργου (σε ένα και δύο στάδια)με τον μικροοργανισμό R.albus. 206

xxvii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 4.1 Διγαστρικός στόμαχος μηρυκαστικών. Διακρίνονται οι πρώτες περιοχές όπου (κεκρύφαλος) όπου διαβιεί η συμβιωτική μικροπανίδα και το κυρίως γαστρικό τμήμα (εχίνος, ήνυστρο) όπου εκκρίνονται τα γαστρικά ένζυμα. 63 Εικόνα 4.2 SEM φωτογραφία δικτύου ινών κυτταρίνης, ημικυτταρίνης και λιγνίνης [van Wyk, 2001]. 67 Εικόνα 4.3 SEM φωτογραφίες κυττάρων R. albus προσκολλημένων σε ίνες κυτταρίνης. Το βέλος υποδεικνύει τις λεπτές ίνες με τις οποίες πραγματοποιείται η πρόσδεση. Η μπάρα αντιστοιχεί σε 0.1μm. [Patterson et al. 1975]. 70 Εικόνα 4.4 SEM φωτογραφίες κυττάρου R. albus. G: έγκλειστα πολυσακχαρίτη, C: κυττοπλασματική μεμβράνη, P: γλυκοπρωτεϊνικός κάλυκας [Patterson et al. 1975]. 75 Εικόνα 5.1 Γλυκό σόργο : (α).ταξιανθίες (φόβεις ) πριν την ωρίμανση των καρπών, (β). καρποί όπου συσσωρεύεται το άμυλο και (γ). βλαστοί όπου γίνεται η συσσώρευση των σακχάρων πριν την ωρίμανση των καρπών. 80 Εικόνα 5.2 Καλλιέργεια γλυκού σόργου 82 Εικόνα 6.1 Θρεπτικό μέσο (αριστερά) και καλλιέργεια (δεξιά) Ruminococcus albus σε φιαλίδια ορού ολικού όγκου 161 ml. 94 Εικόνα 6.2 Φωτογραφία διάταξης CSTR και χημοστάτη. 96

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι ραγδαίοι ρυθμοί της τεχνολογικής ανάπτυξης των τελευταίων δεκαετιών και τα αλματώδη επιστημονικά επιτεύγματα, βελτίωσαν το μέσο βιοτικό επίπεδο του ανθρώπου, σε σημείο, που οι προγονοί μας του περασμένου αιώνα, δεν θα μπορούσαν καν να φανταστούν. Ωστόσο, παραφράζοντας το γνωστό ρητό, ενός καλού, μύρια κακά έπονται. Η αλόγιστη χρήση των ορυκτών καυσίμων για την κάλυψη των διαρκώς αυξανόμενων ενεργειακών απαιτήσεων, έχει ως αποτέλεσμα αφ ενός, την υπερβολική αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα (που είναι το κύριο υπεύθυνο αέριο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου) στην ατμόσφαιρα, κι αφετέρου τον κίνδυνο μιας επικείμενης, παγκόσμιας ενεργειακής κρίσης λόγω της μείωσης των ενεργειακών αποθεμάτων. Το διοξείδιο του άνθρακα είναι απαραίτητο για την ζωή στον πλανήτη μας. Ζώα και φυτά, ηφαίστεια, ωκεανοί και δάση ελέγχουν, μέσω ενός ευαίσθητου συστήματος πολύπλοκων ισορροπιών, τη συγκέντρωση του στην ατμόσφαιρα. Πολύ χαμηλές ή πολύ υψηλές τιμές CO 2 μπορούν να οδηγήσουν σε μια παγκόσμια αλλαγή του κλίματος και έτσι στην αύξηση ή μείωση της θερμοκρασίας πάνω στη γη. Πριν τη βιομηχανική επανάσταση, η συγκέντρωση σε CO 2 στην ατμόσφαιρα ήταν περίπου 280 ppm. Έκτοτε έχει παρατηρηθεί μια αύξηση της τάξης του 30%, φτάνοντας την τιμή των 370 ppm. Αυτή η αύξηση, καθώς και η επακόλουθη άνοδος της θερμοκρασίας έχει κυρίως αποδοθεί στην χρήση των ορυκτών καυσίμων [Department of Energy 1999, Naciserovic 1998]. 1.1. Ενεργειακή κρίση και φαινόμενο του θερμοκηπίου Η συνολική αποτίμηση των κλιματολογικών αλλαγών που συσχετίζονται με την αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα είναι πολύ δύσκολο να γίνει. Έτσι έχει οριστεί ένα κοινά αποδεκτό, όριο των 550 ppm, το οποίο θεωρείται ως η μέγιστη τιμή CO 2 που μπορεί να υπάρχει στην ατμόσφαιρα

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 2 προκειμένου να διατηρηθούν στο ελάχιστο οι συνέπειες των κλιματολογικών αλλαγών της γης Σταθεροποίηση της συγκέντρωσης του CO 2 σε αυτή την τιμή απαιτεί μείωση των εκπομπών κατά 50% έως το 2050 [Conte et al. 2001]. Δυστυχώς οι προβλέψεις για την ενεργειακή ζήτηση στο μέλλον δεν είναι και τόσο ενθαρρυντικές, εξαιτίας τόσο του ρυθμού αύξησης του πληθυσμού όσο και της αύξησης της ανάγκης για κατανάλωση ενέργειας στο μέλλον (σχήμα 1.1) [Nakicenovic, 1998]. Στην πραγματικότητα, όλα τα οικονομικο-κοινωνικά σενάρια του σχήματος 1.1, από το σενάριο της ταχείας τεχνολογικής και οικονομικής ανάπτυξης (γραμμή Α) και της ενδιάμεσης ανάπτυξης (γραμμή Β) μέχρι και το απίθανο σενάριο των ισχυρών περιβαλλοντικών περιορισμών και της επικράτησης αντιϋλιστικών κοινωνιών σε όλο τον κόσμο (γραμμή C) συμφωνούν σε μια σημαντική αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού και της κατανάλωσης ενέργειας στα επόμενα εκατό χρόνια. Η Διεθνής Κυβερνητική Επιτροπή Κλιματολογικών Αλλαγών (IPCC), βασιζόμενη στα σενάρια του σχήματος 1.1, προβλέπει ότι, χωρίς κάποια ισχυρά μέτρα, οι εκπομπές CO 2 θα τριπλασιαστούν αυτόν τον αιώνα, αυξανόμενες από 7.1 Gt άνθρακα (GtC) το 1990 σε πάνω από 20 GtC το 2100 (σχήμα 1.12). Η επακόλουθη συγκέντρωση CO 2 στην ατμόσφαιρα θα φτάσει τα 700 ppm [IPCC 2000]. Σχήμα 1.1: Πιθανά σενάρια για την αύξηση της ενεργειακής ζήτησης και του παγκόσμιου πληθυσμού στη γη [από Conte et al. 2001, κατά Nakicenovic, 1998

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 3 Φαίνεται λοιπόν πόσο επιτακτική είναι η ανάγκη μιας ουσιαστικής τροποποίησης στον τρόπο της διαχείρισης και εκμετάλλευσης των διαφόρων ενεργειακών πηγών. Ως προτεινόμενες λύσεις [Conte et al. 2001] αναφέρονται μεταξύ άλλων, η διερεύνηση τρόπων: Βελτίωσης της αποδοτικότητας, με παράλληλη μείωση της συνολικής κατανάλωσης των ορυκτών καυσίμων. Διαχωρισμού και απομόνωσης του CO 2 που παράγεται από τη χρήση των ορυκτών καυσίμων. Χρήσης ενεργειακών πηγών με χαμηλή ή καθόλου περιεκτικότητα σε άνθρακα όπως είναι το φυσικό αέριο και η πυρηνική ενέργεια. Χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ο ρόλος των οποίων γίνεται όλο και πιο σημαντικός σε μελλοντικά ενεργειακά σενάρια. Σήμερα η υδροηλεκτρική δύναμη, που δεν έχει αξιοποιηθεί πλήρως, καθώς και η παραδοσιακή, βιομάζα συμβάλουν αρκετά στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον και πρωτοβουλία για την ανάπτυξη άλλων εναλλακτικών πηγών ενέργειας (γεωθερμική, αιολική, φωτοβολταϊκή, ηλιακή), όμως υπάρχουν αρκετοί περιβαλλοντικοί περιορισμοί και τα έξοδα είναι ακόμα πολύ υψηλά. Συνεπώς, η συμβολή τους σε μελλοντικά ενεργειακά σενάρια είναι ακόμα αβέβαιη. Ως εναλλακτική πρόταση, που συγκεντρώνει όλο και περισσότερο το ενδιαφέρον ερευνητών και παγκόσμιας κοινής γνώμης, αναφέρεται πλέον και η χρήση του υδρογόνου. 1.2. Υδρογόνο, το καύσιμο του μέλλοντος Το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο, το πιο απλό και ένα από τα πιο άφθονα στοιχεία στην φύση. Βέβαια δεν απαντάται ελεύθερο και απαιτείται διαχωρισμός για την αξιοποίησή του, ωστόσο ως καύσιμο έχει ένα πλήθος θετικών ιδιοτήτων. Μεταξύ άλλων, τόσο η παραγωγή όσο και η χρήση του υδρογόνου μπορεί να γίνει χωρίς την εκπομπή καταλοίπων, ενώ επιπλέον μπορεί να παραχθεί από ένα πλήθος πρώτων υλών (ορυκτά, ανανεώσιμες πηγές, πυρηνική ενέργεια). Τα χαρακτηριστικά αυτά θέτουν το υδρογόνο ως ιδανικό υποψήφιο για ένα μελλοντικό ενεργειακό σύστημα που θα χρησιμοποιεί την ανανεώσιμη ενέργεια ως