Βιοχημικές τεχνολογίες μετατροπής Παραδείγματα

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

Fundamentals The chemical equations below summarize the fermentation of sucrose (C12H22O11) into ethanol (C2H5OH). Alcoholic fermentation converts one mole of sucrose into two moles of ethanol and two moles of carbon dioxide. The overall chemical formula for alcoholic fermentation is: C6H12O6 + Zymase → 2 C2H5OH + 2 CO2 Sucrose is a dimer of glucose and fructose molecules. In the first step of alcoholic fermentation, the enzyme invertase cleaves the glycosidic linkage between the glucose and fructose molecules. C12H22O11 + H2O + invertase → 2 C6H12O6 Wikipedia

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

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

Ζαχαρότευτλο (sugar beet) Wikipedia

Sugar Production & Co-products (Greek Sugar Industry) Equi-Agry: efficiency and equity trade off in European agroenergy districts Foggia, June-July 2014

Παράδειγμα: Πολτός σακχαρότευτλου

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

Total insoluble sugars (Average of 4 replications ±SD) Component Chemical composition (%) Cellulose 24.6±0.4 Hemicellulose 27.9±0.3 Lignin 2.6±0.2 Ash 3.5±0.2 Crude fibres 23.5±0.2 Fat 1.5±0.3 Total insoluble sugars 65.0±0.5 Total pectines 10.5±0.3 Total proteins (N2x6.25) 9.6±0.2 SBP Chemical composition of untreated sugar beet pulp (SBP) in % dry weight basis (Average of 4 replications ±SD) Moisture content = 10% Δ. Οικονόμου et al., “Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum”, ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

SBP BIOCONVERSION – THE SSF PROCESS Sterilization C-source Medium Aerobic phase Anaerobic phase Fungus Ethanol Solid Residue Δ. Οικονόμου et al., “Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum”, ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

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

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

SUGAR BEET PULP BIOCONVERSION RESULTS

Max. ethanol production (g/L) g ethanol/100g sugar beet pulp RESULTS Determination of pH optimum combination in aerobic and anaerobic culture of Fusarium oxysporum, max. ethanol production (g/L) and max. ethanol yield as % of the theoretical value. (Average of 3 replications) pH Max. ethanol production (g/L) Ethanol yield % of the theoretical g ethanol/100g sugar beet pulp Aerobic culture Anaerobic culture 4 5 6 7 1.40 1.70 2.10 1.80 7.75 9.42 11.63 9.97 2.33 2.83 3.50 3.00 3.10 6.65 7.85 4.70 17.17 36.83 43.49 26.03 5.16 11.08 13.08 7.83 3.20 6.75 8.50 5.30 17.72 37.38 47.07 29.35 5.33 11.25 14.16 8.83 1.30 5.10 4,35 7.20 28.25 24.09 2.16 7.25 Δ. Οικονόμου et al., “Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum”, ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

RESULTS Δ. Οικονόμου et al., “Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum”, ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

RESULTS Δ. Οικονόμου et al., “Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum”, ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

RESULTS Overall results of the culture of Fusarium oxysporum F4 strain on different substrates, the max. values of ethanol produced (g/L) and the max. yield as % of the theoretical value, as well as reference data of the culture of the F3 strain Substrates of Fusarium oxysporum F4 culture Max. ethanol produced (g/L)** Max. yield as % of the theoretical (%)** Reference data with Fusarium oxysporum F3*** Ethanol yield g ethanol/100g sugar beet pulp* Glucose* 12.6 82.35 80.2 Xylose * 8.5 55,55 48.0 Cellobiose * 13.3 79.02 82.7 Cellulose 123 * 11.7 69.52 89.2 Sugar beet pulp (6% w/v) 47.07 14.16 Sugar beet pulp (10% w/v) 13.1 43.52   13.10 * 3% w/v, ** Average of 3 replications, ***2% w/v Δ. Οικονόμου et al., “Παραγωγή αιθανόλης από ζαχαρόπιτα με το μύκητα Fusarium οχysporum”, ΑΓΡΟΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ, 29(2), 2007

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

LHC EXAMPLE: STRAW

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

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

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

Effect of lignin - Ethanol Bioresource Technology 35 (1991) 297-300

Effect of lignin - Sugars Bioresource Technology 35 (1991) 297-300

SUGAR CROP – CELLULOSIC: SWEET SORGHUM

Wikipedia

EtOH from Sweet sorghum Process Biochemistry Vol. 31, No. 4, pp. 377-381, 1996

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

ΠΩΣ;; Θερμή εκχύλιση (εξάτμιση) – κενό κοστίζουν ή αλλοιώνουν Ψυχρή μηχανική συμπίεση φαίνεται ελκυστική

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

SS fractionation (juice-cake)

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

Ethanol from juice Biomass and Bioenergy Vol. 8, No. 2, pp. 9%103, 1995

Ethanol from cake Biomass and Bioenergy Vol. 8, No. 2, pp. 9%103, 1995

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

Η συνέχεια Διαχωρισμός της αιθανόλης: εξάτμιση – αζεότροπο (εφ.) ή εκχύλιση με διαλύτη (ερ.)

Τελική χρήση - χαρακτηριστικά -Η αιθανόλη χρησιμοποιείται ως καύσιμο μόνη ή σε μίγμα με βενζίνη (βενζινόλη/gasohol) -Η παρουσία νερού οδηγεί σε διαχωρισμό σε δύο στιβάδες βενζίνη/νερό -Το τριαδικό μίγμα βενζίνης-αιθανόλης-νερού έχει διαφορετική συμπεριφορά (ανοχή σε νερό) -Η αιθανόλη επιδρά στα οκτάνια