Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Χημικών Μηχανικών Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας Βιοαιθανόλη από γεωργικά υπολείμματα Ευάγγελος Τόπακας Λέκτορας ΕΜΠ Bioenergy Conference 2013
Βιομηχανική Βιοτεχνολογία Ορισμός: Βιομηχανική Βιοτεχνολογία (ή Λευκή Βιοτεχνολογία) είναι η βιομετατροπή οργανικών συστατικών της βιομάζας ή παραγώγων της προς χημικά προϊόντα, υλικά και/ή ενέργεια, μέσω μικροβιακής ζύμωσης, κυτταρικής καλλιέργειας ή βιοκαταλυτών. European Federation of Biotechnology
10 11 tn/έτος Κυτταρίνη (38-50%) Ομοπολυμερή της β-γλυκόζης μεγάλου μοριακού βάρους με ημικρυσταλλική η κρυσταλλική δομή Λιγνίνη (15-25%) Πολυσύνθετο δίκτυο αρωματικών ενώσεων Ημικυτταρίνη (23-32%) Ετεροπολυμερή μικρής αλυσίδας πεντοζών (ξυλόζη, αραβινόζη) η εξοζών (μαννόζη) με πλευρικές διακλαδώσεις (αραβινόζη, γαλακτόζη, γλυκόζη, γλυκουρονικό οξύ). Μη κρυσταλική μορφή
ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΟΣ ΒΙΟΜΑΖΑ ΑΜΥΛΟΥΧΑ ΦΥΤΑ ΣΑΚΧΑΡΟΥΧΑ ΦΥΤΑ Δασικά υπολείμματα Αγροτικά υπολείμματα Ενεργειακά φυτά Σπόροι καλαμποκιού Σπόροι σίτου Σακχαρότευτλα Σακχαροκάλαμο Σόργο ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΥΔΡΟΛΥΣΗ ΖΥΜΩΣΗ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗ Στόχος: Καταστροφή της συνεκτικότητας του κυτταρικού τοιχώματος Απομάκρυνση μέρους της ημικυτταρίνης (παρεμποδιστές) Μείωση της κρυσταλλικότητας της κυτταρίνης
Θερμική Αλκαλική Οξειδωτική Βιολογική ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ α. Εκτόνωση ατμού (αυτοϋδρόλυση) β. Εκτόνωση ατμού (όξινος καταλύτης) γ. Υδροθερμική δ. Έκρηξη αμμωνίας ε. Έκρηξη CO 2 ζ. Οξειδωτική Με αραιό οξύ σε ήπιες συνθήκες
High efficiency consolidated bioprocess technology for lignocellulose ethanol - HYPE ENERGY-2007-3.2-02 (2008-2012) 400.000 Επιστημονικός Υπεύθυνος: Π. Χριστακόπουλος Πρώτη ύλη Άχυρο σίτου Inbicon- Kalundborg Ετήσια παραγωγή: 5,4 εκατ Lt κυτταρινικής αιθανόλης 11.400 tons pellets λιγνίνης 13900 tons C5 molasses
Inbicon Υδροθερμική Επεξεργασία I.B.U.S. Project /Pilot Plant-Denmark Ανάμειξη νερού με βιομάζα στους 180-200 o C για 5-15 min ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ Καταστροφή της δομής της λιγνίνης ώστε να διευκολυνθεί η πρόσβαση της κυτταρίνης από τα ένζυμα. Απομάκρυνση μέρους των ημικυτταρινών και παρεμποδιστών που σχηματίζονται. 50-60% Κυτταρίνη 2-10% Ημικυτταρίνη 25 t/day άχυρο σίτου ΠΡΙΝ ΜΕΤΑ
Αποτελέσματα υδροθερμικής προκατεργασίας Μικροϊνίδια κυτταρίνης Αποδιάταξη μικροϊνιδίων Προκατεργασία άχυρου σίτου Kristensen et al. Biotechnology for Biofuels 2008 1:5 doi:10.1186/1754-6834-1-5
ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΟΣ ΒΙΟΜΑΖΑ Άχυρο σίτου ΚΥΤΤΑΡΙΝΑΣΕΣ ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΥΔΡΟΛΥΣΗ/ΡΕΥΣ ΤΟΠΟΙΗΣΗ ΖΥΜΩΣΗ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΑΙΘΑΝΟΛΗ
Ενζυμική Υδρόλυση Κυτταρίνης (ΣΥΝΕΡΓΕΙΑ) Οικογένειες ενζύμων: - Ενδογλουκανάσες - Κελλοβιοϋδρολάσες - β-γλυκοζιδάσες - Lytic Polysaccharides MonoOxygenases (LPMOs) ΓΛΥΚΟΖΗ
Υδρόλυση βιομάζας σε υψηλή συγκέντρωση Για τη βιώσιμη ανάκτηση της αιθανόλης απαιτείται η παραγωγή της σε συγκέντρωση >4% Επομένως είναι αναγκαία η αύξηση της περιεκτικότητας της βιομάζας για την υδρόλυση Χρήση αναμικτήρα ελεύθερης πτώσης (free fall mixer) για την υδρόλυση υποστρωμάτων έως 28%-30% (w/v). Αν πχ η προκατεργασμένη βιομάζα διαθέτει ~42% κυτταρίνη επιτρέπονται αποδόσεις αιθανόλης 5,5-6% (w/w).
A. Εμπορικά Ένζυμα Celluclast (Μίγμα κυτταρινασών) Cellic Ctec (2009) Cellic CTec2 (2010) Cellic CTec3 (2012) (Μίγμα κυτταρινασών + LPMOs + Ημικυτταρινάσες) Novozym 188 (β-γλυκοζιδάση) Inbicon: η χρήση των LPMOs μείωσε το κόστος των ενζύμων κατά 35% με μελλοντικό στόχο τη μείωση κατά 65% μέσω βελτιστοποίησης της διεργασίας
Αριθμός Γονιδίων GH1 GH2 GH3 GH6 GH7 GH10 GH11 GH12 GH15 GH16 GH17 GH18 GH20 GH28 GH30 GH31 GH32 GH35 GH38 GH42 GH43 GH45 GH47 GH49 GH53 GH61 GH62 GH63 GH65 GH67 GH71 GH72 GH76 GH81 GH88 B. Το Λιγνινοκυτταρινολυτικό σύστημα του Fusarium oxysporum Πάνω από 250 γονίδια σχετίζονται με ένζυμα που αποικοδομούν το κυτταρικό τοίχωμα των φυτών και τα οποία κατηγοριοποιούνται στην τράπεζα δεδομένων Carbohydrate Active enzymes (CAZy: http://www.cazy.org/ 35 30 25 20 15 10 5 0 Οικογένειες Γλυκοζυλ-υδρολασών (GHs, CAZy) 230 GHs
Γ. Παραγωγή Θερμόφιλων Ενζύμων από τον Myceliophthora thermophila Απομόνωση γονιδίων με PCR Βιοπληροφορική αναζήτηση Γενωμικό DNA Βιοκαταλύτης Υπερπαραγωγή σε βιοαντιδραστήρες Μετασχηματισμός σε Pichia pastoris Τεχνολογία ανασυνδυασμένου DNA
Γ. Παραγωγή Θερμόφιλων Ενζύμων από τον Myceliophthora thermophila Ενδογλουκανάσες (GH5, GH7) Karnaouri A, Topakas E, Christakopoulos P (2013) Appl Microbiol Biotechnol, in Press Κελλοβιοϋδρολάσες (GH6, GH7) Σε εξέλιξη β-γλυκοζιδάσες Karnaouri A, Topakas E, Paschos T, Taouki I, Christakopoulos P (2013) PeerJ DOI 10.7717/peerj.46 LPMOs (AA9) Dimarogona M, Topakas E, Olsson L, Christakopoulos P (2012) Biores Technol 110:480-487 Ημικυτταρινάσες (GH10, GH11, GH26, CE1,CE15) Topakas E, Moukouli M, Dimarogona M, Christakopoulos P (2012) Appl Microbiol Biotechnol 94:399-411 Topakas E, Moukouli M, Dimarogona M, Vafiadi C, Christakopoulos P (2010) Appl Microbiol Biotechnol 87:1765-1772
(α) Αρχικό υλικό (β) t=0 13.000 cp (γ) t=1h 3.000 cp (δ) t=6h
Ζύμωση ΛΙΓΝΟΚΥΤΤΑΡΙΝΟΥΧΟΣ ΒΙΟΜΑΖΑ Άχυρο σίτου 7 FPU Novozymes t=8h Ταυτόχρονη Σακχαροποίηση και Ζύμωση SSF-Simultaneous Saccharification and Fermentation +ENZYMA F. oxysporum ΠΡΟΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΥΔΡΟΛΥΣΗ/ΡΕΥΣ ΤΟΠΟΙΗΣΗ 26% DM ΖΥΜΩΣΗ S. cerevisiae (144 h) 5.8% (w/w) αιθανόλη (89% θεωρητική αποδ)
Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας Συνέχεια Χρηματοδότησης: ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ 2011 - «Ολοκληρωμένη Διεργασία Παραγωγής Βιοαιθανόλης από Ελληνική Λιγνινοκυτταρινούχα Βιομάζα» (SIMPLE) Συντονιστής: Δ. Κέκος
Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας Προσωπικό Εργαστηρίου: - 4 μέλη ΔΕΠ - 3 μεταδιδακτορικοί ερευνητές - 14 υποψήφιοι διδάκτορες - >20 προπτυχιακοί φοιτητές ανά έτος