Διεργασίες Υδρόλυσης Λιγνινοκυτταρινούχου Βιομάζας Με Τη Χρήση Καινοτόμων Μικροβιακών Βιοκαταλυτών Για Την Παραγωγή Βιοκαυσίμων

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάστηκαν διεργασίες ενζυμικής υδρόλυσης προκατεργασμένης λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας σε υψηλές αρχικές συγκεντρώσεις στερεών με σκοπό την παραγωγή βιοκαυσίμων, με ιδιαίτερη έμφαση στη βιοαιθανόλη. Επιπλέον, μελετήθηκε η παραγωγή, ο βιοχημικός χαρακτηρισμός και η τεχνολογική αξιοποίηση τεσσάρων καινοτόμων ενζύμων, μιας ξυλανάσης και μιας μαννανάσης από το θερμόφιλο ασκομύκητα Myceliophthora thermophila και δύο εστερασών του γλυκουρονικού οξέος της ημικυτταρίνης από τους βασιδιομύκητες Artolenzites elegans και Trametes ljubarskyi. Η κύρια πηγή λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας που χρησιμοποιήθηκε ήταν τα στελέχη αραβόσιτου ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν και ρινίσματα ξύλου οξιάς. Αφού η βιομάζα οδηγήθηκε στην επιθυμητή κοκκομετρία μέσω άλεσης, οι μέθοδοι προκατεργασίας που αξιολογήθηκαν, προκειμένου αυτή να καταστεί ευάλωτη στο μετέπειτα στάδιο της ενζυμικής υδρόλυσης, ήταν η υδροθερμική προκατεργασία ενισχυμένη με αραιό οξικό οξύ, η έκρηξη ατμού με και χωρίς την προσθήκη θειικού οξέος, η προκατεργασία organosolv με χρήση μίγματος νερού/ αιθανόλης και η υγρή οξείδωση με χρήση μίγματος ακετόνης/ νερού. Η αξιολόγηση και η επιλογή των συνθηκών προκατεργασίας πραγματοποιήθηκε με παράγοντες απόκρισης την απελευθέρωση γλυκόζης κατά την ενζυμική υδρόλυση και την παραγωγή αιθανόλης σε κάθε περίπτωση. Επίσης, μελετήθηκαν η επίδραση του ενζυμικού φορτίου και η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης στερεών στη μετατροπή της κυτταρίνης σε γλυκόζη.Στη συνέχεια η προκατεργασμένη, στις επιλεχθείσες συνθήκες, βιομάζα οδηγήθηκε σε διεργασία παραγωγής αιθανόλης ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης με ενσωματωμένο ένα προγενέστερο στάδιο ρευστοποίησης/ σακχαροποίησης σε υψηλή συγκέντρωση στερεών με τη βοήθεια αυτοσχέδιου αναμεικτήρα ελεύθερης πτώσης. Η εφαρμογή της παραπάνω διεργασίας σε συνδυασμό με την προκατεργασμένη, στις βέλτιστες συνθήκες, βιομάζα οδήγησε σε υψηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης έως και 76 g/L, καθώς και σε υψηλές αποδόσεις (78 %). Ακόμα, υπολείμματα της αλκοολικής ζύμωσης χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή βιομεθανίου σε μια προσπάθεια ενίσχυσης της ενεργειακής απόδοσης της διεργασίας στα πλαίσια ενός βιοδιυλιστηρίου. Η ανακάλυψη καινοτόμων ενζύμων με ιδιότητες που τα καθιστούν υψηλού βιομηχανικού και τεχνολογικού ενδιαφέροντος αποτελεί σημαντικό βήμα προς την ενίσχυση του ενζυμικού οπλοστασίου εναντίον των μηχανισμών άμυνας του φυτικού κυτταρικού τοιχώματος. Η επιλογή των γονιδίων που κωδικοποιούν τα επιθυμητά ένζυμα πραγματοποιήθηκε μετά από in silico ανάλυση των γονιδιωμάτων των μικροοργανισμών. Τα γονίδια κλωνοποιήθηκαν και εκφράστηκαν λειτουργικά μέσω του συστήματος ετερόλογης έκφρασης της μεθυλότροφης ζύμης Pichia pastoris X33. Ακολούθησε προσδιορισμός των βιοχημικών χαρακτηριστικών των ανασυνδυασμένων ενζύμων, πλήρης χαρακτηρισμός της εξειδίκευσης υποστρώματος, καθώς και προσδιορισμός των κινητικών σταθερών. Στην περίπτωση των εστερασών του γλυκουρονικού οξέος (AeGE15 και TlGE15), ο βιοχημικός χαρακτηρισμός και η κινητική μελέτη πραγματοποιήθηκαν με χρήση ενός συνθετικού, ανάλογου των φυσικών, υποστρώματος, του εστέρα της κινναμυλικής αλκοόλης με D-γλυκουρονικό οξύ. Η συγκεκριμένη κινητική μελέτη αποτέλεσε μια εκ των πρώτων μελετών όπου χρησιμοποιήθηκε φαινολικός εστέρας του D-γλυκουρονικού οξέος, συμβάλλοντας στην προσπάθεια διαλεύκανσης του ρόλου των εστερασών του γλυκουρονικού οξέος στην αποικοδόμηση του φυτικού κυτταρικού τοιχώματος.Επιπλέον, μελετήθηκε η συνεργιστική δράση μεταξύ της ανασυνδυασμένης μαννανάσης της οικογένειας GH26 (MtMan26A) και εμπορικού κυτταρινολυτικού σκευάσματος. Η προσθήκη της MtMan26A είχε ως αποτέλεσμα την ενίσχυση της ενζυμικής υδρόλυσης λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας αυξάνοντας την απελευθέρωση γλυκόζης κατά 12 %. Εν τέλει, η ξυλανάση της οικογένειας GH30 (MtXyn30A) χρησιμοποιήθηκε για την επιτυχή υδρόλυση γλυκουρονοξυλάνης ξύλου οξιάς, καθώς και για την παραγωγή όξινων ξυλοολιγοσακχαριτών οι οποίοι είναι γνωστοί τόσο για την πρεβιοτική τους δράση όσο και για τις ευεργετικές τους ιδιότητες στον ανθρώπινο οργανισμό.