Καλλιέργεια του κυανοβακτηρίου Arthrospira (Spirulina) platensis υπό συνθήκες τροφοπενίας φωσφόρου για την ενδοκυταρρική συσσώρευση υδατανθράκων με σκοπό την παραγωγή βιοκαυσίμων (βιοαερίου και βιοαιθανόλης)

Abstract

Στη διατριβή αυτή μελετήθηκε αρχικά η δυνατότητα ελέγχου της σύστασης της βιομάζας του κυανοβακτηρίου A. platensis με τη μείωση της συγκέντρωσης του παρεχόμενου φωσφόρου. Παρατήθηκε ότι σε χαμηλές συγκεντρώσεις φωσφόρου όταν γίνεται οριακό στοιχείο (τροφοπενία) τότε υπάρχει έντονη συσσώρευση και αύξηση της περιεκτικότητας της βιομάζας σε υδατάνθρακες από περίπου 10-20% σε 60-65%. Πειράματα για τη μεγιστοποίηση της παραγωγής υδατανθράκων έδειξαν ότι αν στις καλλιέργειες παρέχεται ένα ελάχιστο ποσό φωσφόρου που να αντιστοιχεί με περίπου 1,85 mg P g-1 ξηρής βιομάζας τότε επιτυγχάνεται αυξημένη παραγωγή βιομάζας με ταυτόχρονα αυξημένη περιεκτικότητα της βιομάζας σε υδατάνθρακες. Η αλλαγή της σύστασης της βιομάζας σχετίζεται άμεσα με τον ενδοκυτταρικό φώσφορο. Μείωση της συγκέντρωσης του ενδοκυτταρικού φωσφόρου προκαλεί αύξηση στην περιεκτικότητα των υδατανθράκων και μείωση στην περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες, ενώ τα λιπίδια φαίνεται να αυξάνονται μόνο όταν ο ενδοκυτταρικός φώσφορος είναι στη χαμηλότερη δυνατή συγκέντρωση. Βιομάζα με αυξημένη περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή βιομεθανίου και βιοαιθανόλης. Η αυξημένη περιεκτικότητα σε υδατάνθρακες είχε θετική επίδραση στη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης και βελτίωσε την απόδοση σε βιομεθάνιο (203 ± 10 mlCH4 gCODinfl-1) σε σχέση με το μάρτυρα (123 ± 10 mlCH4 gCODInfl-1). Επίσης οι υδατάνθρακες υδρολύθηκαν με τη χρήση οξέων για την παραγωγή μονομερών σακχάρων και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή βιοαιθανόλης μέσω της αναερόβιας ζύμωσης με το ζυμομύκητα Saccaromyces serevisiae. Υποστρώματα που προέκυψαν μετά την υδρόλυση με 0.5Ν οξέα είχαν απόδοση σε βιοαιθανόλη περίπου 16 %gEtOH ανά g ξηρής βιομάζας του A. platensis. Από την παρούσα διατριβή προκύπτει ότι είναι δυνατή η παραγωγή ικανοποιητικής ποσότητας βιομάζας πλούσια σε υδατάνθρακες με την καλλιέργεια υπό συνθήκες τροφοπενίας φωσφόρου για την αύξηση της παραγωγής σε βιοκαύσιμα.

Herein the possibility of the biomass composition manipulation of the cyanobacterium A. platensis using phosphorus nutrient supply variation was studied. It was observed that when phosphorus was in limited amounts a significant accumulation of carbohydrates occurred and increased from about 10-20% up to 60-65% on a dry basis. Experiments on the maximization of carbohydrate production showed that when minimum phosphorus of 1.85 mg P g -1 dry biomass is provided to the cultures then the biomass production is not hindered, while the carbohydrates content is in its maximum amount. The alteration of the biomass composition was found that occurs gradually in relation to the intracellular phosphorus concentration. The decrease in intracellular phosphorus concentration results to the increase of the carbohydrates content and the decrease of the protein content, while lipid content probably increases only at the minimum intracellular phosphorus concentration. The carbohydrates-enriched biomass of A. platensis was consequently used as feedstock for biomethane and bioethanol production. The increased carohydrates content improved the digestion process and resulted to an increase of the biomethane yield (203 ± 10 mlCH 4 gCOD infl -1 ) in comparison with the control (123 ± 10 mlCH

gCOD Infl -1 ). Also the carbohydrates-enriched biomass was acid-thermal hydrolysed to release monomer sugars, in order to be used for ethanologenic fermentation by the yeast Saccaromyces serevisiae. Hydrolysates with 0.5N acids resulted to a bioethanol yield of about 16 %gEtOH per g of dry biomass of A. platensis. This dissertation shows that biomass of A. platensis can be produced in adequate amounts under phosphorus limitation with an increased carbohydrates content for biofuel production improvement.