Πειραματική Μελέτη Παραγωγής Βιοκαυσίμων Και Υψηλής Προστιθέμενης Αξίας Βιοχημικών Προϊόντων Από Λιγνοκυτταρινική Βιομάζα

Abstract

Η αειφόρος παραγωγή βιοαιθανόλης και βιοχημικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας από λιγνοκυτταρινική βιομάζα αποτελεί λύση στην εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα, και στην παραγωγή αεριών του θερμοκηπίου κατά τη χρήση τους. Η παραγωγή της από λιγνοκυτταρινούχα υλικά αποτελεί τη νέα τεχνολογία βιοκαυσίμων 2ης γενιάς προερχόμενα από την πιο υποσχόμενη πηγή πρώτων υλών στη φύση. Η πλούσια σύνθεση των δομικών συστατικών της οδηγεί σε ένα ευρύ φάσμα προϊόντων που επιτρέπουν την ιδέα του ολοκληρωμένου βιοδιυλιστηρίου. Στην παρούσα διατριβή αξιοποιείται το φυτό Phalaris aquatica, χαρακτηριστικό Μεσογειακό είδος, με υψηλή παραγωγή βιομάζας (6,3-11 tn/ha) και πλούσια πηγή φυσικών πολυσακχαριτών (698,31 g/kg ΞΜ), για την παραγωγή βιοαιθανόλης και ηλεκτρικού οξέος. Η επεξεργασία του φυτού ξεκινάει με την προεπεξεργασία της βιομάζας, στοχεύοντας στην αλλαγή της δομικής της σύστασης. Βελτιστοποιήθηκε μέσω πειραματικού σχεδιασμού ως προς τη συγκέντρωση της παραγόμενης ξυλόζης, τη μετατροπή των ημικυτταρινών και το βαθμό κρυσταλλικότητας της προεπεξεργασμένης βιομάζας. Οι βέλτιστες επιλεγμένες συνθήκες επέφεραν μετατροπή ημικυτταρινών 75,04%, συγκέντρωση ξυλόζης 10,75 g/l και συγκέντρωση συνολικών σακχάρων 20,04 g/l. Η χρήση των σακχαρολυτικών ενζύμων στο στάδιο της ενζυμικής υδρόλυσης διαλυτοποιεί την κυτταρίνη παράγοντας μονομερή σάκχαρα. Εφαρμόστηκε στατιστική ανάλυση για την επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων στη μεγιστοποίηση της παραγόμενης γλυκόζης. Επιπρόσθετα, η συγκέντρωση της γλυκόζης αυξήθηκε με εφαρμογή ημι-συνεχούς τροφοδοσίας στερεής βιομάζας και ταυτόχρονη τροφοδοσία ενζύμου. Η μέγιστη τιμή γλυκόζης που σημειώθηκε ήταν 45,5 g/l με απόδοση του σταδίου 67,9%. Στο επόμενο στάδιο παραγωγής της αιθανόλης, ζυμώνονται τα σάκχαρα της γλυκόζης από τον μικροοργανισμό S. cerevisiae. Ο πειραματικός στατιστικός σχεδιασμός μελέτησε την επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων στη μεγιστοποίηση της απόδοσης σε αιθανόλη (%). Στη συνέχεια, η εφαρμογή μίας σειράς διαφορετικών πολιτικών τροφοδοσίας κατά τις συνθήκες ημι-συνεχούς λειτουργίας, μεγιστοποίησε την παραγωγικότητα της μεθόδου (2,2 (g/(l∙h)) και την περιεκτικότητα του ρεύματος εξόδου σε βιοαιθανόλη (7,5% v/v). Τέλος, τα φυσικά σάκχαρα της ξυλόζης και της γλυκόζης, χρησιμοποιούνται για τη μικροβιακή παραγωγή του ηλεκτρικού οξέος με τη χρήση του αναερόβιου βακτηρίου A. succinogenes. Οι βέλτιστες συνθήκες της ζύμωσης μετά από πειραματικό σχεδιασμό μεταφέρθηκαν στο βιοαντιδραστήρα και η συγκέντρωση του τελικού προϊόντος αυξήθηκε σε 11,44 g/l. Η τεχνοοικονομική μελέτη για την αποτίμηση της διεργασίας για διάρκεια ζωής της μονάδας 20 χρόνων προέβλεψε μια μικρή απόδοση κεφαλαίου, με υψηλό ρίσκο, καθώς το IRR υπολογίστηκε στο 10,4% ενώ ο δείκτης απόδοσης κεφαλαίου στο 1,04. Ανάμεσα σε πλήθος μελετών στην παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινική βιομάζα, η παρούσα διατριβή προτείνει το συνδυασμό της παραγωγής του βιοκαυσίμου με την παραγωγή του ηλεκτρικού οξέος, ενός βιοχημικού υλικού υψηλής προστιθέμενης αξίας.