Μελέτη της παραγωγής βιοαιθανόλης κατά την ανάπτυξη νέων στελεχών του σακχαρομύκητα Saccharomyces cerevisiae καλλιεργούμενων σε ανανεώσιμες σακχαρούχες πρώτες ύλες υπό αερόβιες και αναερόβιες συνθήκες

Abstract

Η αυξανόμενη τιμή των προϊόντων πετρελαίου σε συνδυασμό με την αύξηση της απειλής για το περιβάλλον λόγω των εκπομπών καυσαερίων και της υπερθέρμανσης του πλανήτη έχει δημιουργήσει έντονο διεθνές ενδιαφέρον για την ανάπτυξη εναλλακτικών καυσίμων πετρελαίου για κινητήρες κι η αιθανόλη προσδιορίζεται ως ένα από τα πιθανά εναλλακτικά καύσιμα. Η αιθανόλη μπορεί να παράγεται από καλλιέργειες με υψηλή περιεκτικότητα σε σάκχαρα, άμυλο ή κυτταρίνη. Μερικές από αυτές τις καλλιέργειες περιλαμβάνουν: ζαχαροκάλαμο, σόργο, καλαμπόκι, κριθάρι, μανιόκα, ζαχαρότευτλα. Εκτός του ότι είναι ανανεώσιμο καύσιμο με βάση τη βιομάζα, η αιθανόλη έχει καθαρότερη καύση και υψηλότερο βαθμό οκτανίων από τα διάφορα φυτικά έλαια. Τα τελευταία χρόνια γίνονται εντατικές προσπάθειες από τους ερευνητές για παραγωγή βιοαιθανόλης που θεωρείται μία υποσχόμενη ανανεώσιμη και ταυτόχρονα εναλλακτική πηγή ενέργειας. Η παρούσα ερευνητική εργασία ειδικότερα, διασφαλίζει κατ’ αρχήν σημαντικές πληροφορίες για την συμπεριφορά νέων στελεχών του S. cerevisiae στην κατεύθυνση παραγωγής βιοαιθανόλης αλλά παράλληλα, αποτελεί συμβολή στον τομέα της αξιοποίησης με τον ίδιο στόχο ενός φυτού όπως το φραγκόσυκο (Opuntia ficus indica, L.), που θεωρείται μία από τις εναλλακτικές καλλιέργειες που προωθούνται τα τελευταία χρόνια και στη χώρα μας. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν φαινόμενα ζύμωσης σε μία προσπάθεια παραγωγής κατά το δυνατόν μεγαλύτερης ποσότητας βιοαιθανόλης σε μικρή (αναδευόμενες φιάλες) και μετέπειτα σε μεγάλη κλίμακα (σχετικά μεγάλης κλίμακας εργαστηριακός βιοαντιδραστήρας) με χρήση των νέων, προσφάτως απομονωμένων στελεχών Β1, Γ2, Δ3, Ε1Α & Θ1 του S. cerevisiae σε υποστρώματα ποικίλης αρχικής συγκέντρωσης σακχάρων (50, 70, 100 & 150 g/L γλυκόζης) σε αερόβιες κι αναερόβιες συνθήκες. Τα δεδομένα που ελήφθησαν, κατ’αρχήν καθορίζουν το προφίλ των στελεχών του σακχαρομύκητα που χρησιμοποιήθηκαν στις παραπάνω συνθήκες. Γενικότερα, το στέλεχος Ε1Α καθώς και όλα τα υπόλοιπα στελέχη που χρησιμοποιήθηκαν εδώ εκτιμάται πως είναι ανταγωνιστικά σε σχέση με τα βιβλιογραφικά δεδομένα. Αυτό προκύπτει, πέρα από το ότι κάνουν αλκοολική ζύμωση, επίσης κι απ’ το ότι αποδίδουν σχετικά υψηλές αποδόσεις στο σύνολο τους. Μετά την επιλογή του στελέχους Ε1Α, απ’ τα αποτελεσματικότερα στελέχη που μελετήθηκαν, διερευνήθηκε η παραγωγή βιοαιθανόλης στον εργαστηριακό αντιδραστήρα σε μέρη φυτού προερχόμενα από καλλιέργεια φραγκοσυκιάς (για τα οποία η βιβλιογραφία είναι ανεπαρκής) με τη χρήση του ενζύμου Termamyl στους 30 °C σε 150 rvm σε μικροαεροφιλες συνθήκες σε pH ~4,0. Από τη μελέτη των αποτελεσμάτων προέκυψε ότι: Η μέγιστη παραγόμενη ποσότητα βιοαιθανόλης σε συγκέντρωση γλυκόζης 150 g/L στις αερόβιες συνθήκες ανήλθε στα 48,24 g/L με απόδοση Υ ΕtOH/S=0,34 g EtOH/g υποστρώματος (S) από τον μικροοργανισμό ΕΙΑ. Ενώ στις αναερόβιες συνθήκες για την ίδια συγκέντρωση σακχάρων η μέγιστη ποσότητα σε αιθανόλη ανήλθε στα 63,44 g/L με απόδοση Υ ΕtOH/S=0,49 g EtOH/ g υποστρώματος(S) από τον μικροοργανισμό Β1. Όσον αφορά στη ζύμωση στον αντιδραστήρα, σ’ αυτήν επετεύχθηκε μια αρκετά ικανοποιητική ποσότητα σακχάρων (~48 g/L) για τα δεδομένα που αφορούν στη φραγκοσυκιά (απ’ τα οποία τα 28,5 g/L ήταν γλυκόζη και τα 19,1 g/L φρουκτόζη) τα οποία καταναλώνοντάς τα ο μικροοργανισμός παρήγαγε 21,54 g/L αιθανόλη με απόδοση:Y EtOH/S= 0,49 g EtOH /g υποστρώματος(S). Η μέγιστη ποσότητα βιομάζας για το μικροοργανισμό είναι τα 4,35 g/L αποτέλεσμα το οποίο έχει εμφανιστεί αρκετές φορές και στα συνθετικά υποστρώματα με γλυκόζη γεγονός που δείχνει ότι ο μικροοργανισμός δεν παρεμποδίζεται από το συγκεκριμένο υπόστρωμα ενώ η μέγιστη ποσότητα παραγόμενης γλυκερόλης ήταν 2,02 g/L. Σχετικά με το φυτό της φραγκοσυκιάς θα προτείνονταν περαιτέρω μελέτες προκειμένου να εκτιμηθεί ευρύτερα η βιωσιμότητα της παραγωγής βιομάζας σαν δυναμική για παραγωγή αιθανόλης, ειδικά σε νεοεμφανιζόμενες ποικιλίες φραγκόσυκου.

The rising price of petroleum products combined with the increasing threat to the environment due to exhaust emissions and global warming has generated strong international interest in the development of alternative petroleum fuels for engines and ethanol is identified as one of the possible alternative fuels. Ethanol can be produced from crops high in sugar, starch or cellulose. Some of these crops include: sugar cane, sorghum, corn, barley, cassava, sugar beet. Apart from being a renewable biomass-based fuel, ethanol has a cleaner combustion and a higher octane rating than various vegetable oils. In recent years, intensive efforts have been made by researchers to produce bioethanol, which is considered a promising renewable and at the same time alternative energy source. The present research work, in particular, provides important information in principle about the behavior of new strains of S. cerevisiae in the direction of bioethanol production. At the same time, it is a contribution to the field of utilization with the same goal of a plant such as prickly pear (Opuntia ficus indica, L.), which is considered one of the alternative crops promoted in recent years in our country. In the present dissertation, fermentation phenomena were studied in an attempt to produce as much bioethanol as possible. The experiments were performed in small (stirred flasks) and later on a large scale (relatively large scale laboratory bioreactor) using the new, recently isolated strains B1, Γ2, Δ3, E1A &Θ1 of S. cerevisiae on substrates of varying initial concentration (50, 70, 100 & 150 g/L glucose) in aerobic and anaerobic conditions. The data obtained determine the profile of the fungal strains in the above conditions. In general, the E1A strain as well as all the other strains used in the present study are estimated to be competitive in relation to the literature results. This is due not only to the fact that they do alcoholic fermentation, but also to the fact that they give relatively high yields as a whole. After selection of strain E1A, one of the most effective strains studied, the production of bioethanol in the laboratory reactor in plant parts derived from prickly pear cultivation (for which the literature is insufficient) was investigated using Termamyl enzyme at 30°C at 150 rvm microaerophilic conditions at pH 4. The study of the results showed that: The maximum amount of bioethanol produced at a glucose concentration of 150 g/L in aerobic conditions was 48.24 g/L with a yield Y EtOH / S = 0.34 g EtOH / g substrate (S) by the microorganism EIA. While under anaerobic conditions for the same concentration of sugars the maximum amount in ethanol was 63.44 g/L with yield Y EtOH / S = 0.49 g EtOH / g of substrate (S) from microorganism B1. Regarding the fermentation in the reactor, a sufficiently satisfactory amount of sugars (~ 48 g/L) was obtained for the prickly pear data (of which 28.5 g/L was glucose and 19.1 g/L fructose) which by consuming them the microorganism produced 21.54 g / L ethanol with yield: Y EtOH / S = 0.49 g EtOH / g substrate (S). The maximum amount of biomass for the microorganism is 4.35 g/L, an effect which has occurred several times in synthetic substrates with glucose, which shows that the microorganism is not inhibited by this substrate while the maximum amount of glycerol produced was 2.02 g/L. Regarding the prickly pear plant, further studies would be proposed in order to assess more broadly the viability of biomass production as a potential for ethanol production, especially in emerging prickly pear varieties.