The suitability of Brewers' Spent Grain (BSG) for 2nd generation bioethanol production: a combined biochemical and economic assessment

Abstract

Η παρούσα εργασία αποτελεί μιαν κατά το δυνατό πλήρη αξιολόγηση της καταλληλότητας του Στερεού Αποβλήτου Ζυθοποιίας (Brewers’ Spent Grain - BSG) Ελληνικής ζυθοποιίας, ως υπόστρωμα για την παραγωγή βιοαιθανόλης δεύτερης γενιάς. Η μελέτη περιλαμβάνει την πρώτη συγκριτική αριστοποίηση μεταξύ της ήπιας αλκαλικής και ήπιας όξινης προκατεργασίας του BSG ως προς την επακόλουθη ενζυμική υδρόλυση και επιπλέον, της αξιολόγησης της απόδοσης του βακτηρίου Zymomonas mobilis 8b στη ζύμωση των παραγόμενων σακχάρων σε αιθανόλη. Επιπρόσθετα, επιχειρείται και η αριστοποίηση της προκατεργασίας ως προς την κεφαλαιουχική απόδοση σε αναγωγικά σάκχαρα. Σε αντίθεση με άλλες προσπάθειες αριστοποίησης της προκατεργασίας, όπου χρησιμοποιούνται μόνο δύο ανεξάρτητες μεταβλητές στη βελτιστοποίηση, στην προσέγγισή μας η αριστοποίηση πραγματοποιήθηκε συναρτήσει τριών ανεξάρτητων μεταβλητών: της θερμοκρασίας προκατεργασίας, της διάρκεια προκατεργασίας και της αναλογίας μάζας βάσης/οξέος προς μάζα BSG. Ως εξαρτημένη μεταβλητή επιλέχθηκε η απόδοση σε σάκχαρα μετά την ενζυμική υδρόλυση. Σε μια δεύτερη, καινοτόμο προσέγγιση, τα αποτελέσματα που προέκυψαν χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της διαδικασίας αριστοποίησης της προκατεργασίας από οικονομική άποψη, χρησιμοποιώντας την ειδική απόδοση σακχάρων - την ποσότητα των σακχάρων που παράγονται ανά μονάδα κόστους προκατεργασίας - ως εξαρτημένη μεταβλητή. Ανάλογα με την αντικειμενική συνάρτηση αριστοποίησης (απόδοση σακχάρων ή ειδική απόδοση σακχάρων), ελήφθησαν διαφορετικά σετ βέλτιστων συνθηκών προκατεργασίας. Αυτό συνέβη τόσο στην αλκαλική όσο και στην όξινη προκατεργασία, αν και για την τελευταία, τα αντίστοιχα άριστα διέφεραν μόνο σε σχέση με τη συγκέντρωση οξέος. Η όξινη προκατεργασία αποδείχθηκε σχετικά πιο αποδοτική σε σχέση με την αλκαλική, με ελαφρώς υψηλότερες συνολικές αποδόσεις σακχάρων. Οι διαφορές που έχουν προκύψει μεταξύ των δύο στρατηγικών βελτιστοποίησης αποδεικνύουν ότι η προσέγγισή μας μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές μειώσεις του κόστους ανά kg παραγόμενων αναγωγικών σακχάρων. Το δεύτερο μέρος της εν λόγω εργασίας αφορά στην αξιολόγηση του γενετικά τροποποιημένου στελέχους Ζ. mobilis 8b ως προς την παραγωγή αιθανόλης από τα προϊόντα υδρόλυσης του BSG. Για τη συνολική διαδικασία υδρόλυσης και ζύμωσης εξετάστηκαν δύο τρόποι λειτουργίας: Διαχωρισμός Υδρόλυσης και Ζύμωσης (Separate Hydrolysis Fermentation - SHF) και Προσέγγιση Ενιαίου Αντιδραστήρα (Single Vessel Approach - SVA). Το σημαντικότερο αποτέλεσμα που προκύπτει από τα δεδομένα της αλκοολικής ζύμωσης είναι η επαλήθευση ότι το Z. mobilis 8b είναι ικανό να ζυμώνει τα σάκχαρα στα προϊόντα υδρόλυσης του BSG στη λειτουργία SVA, ειδικά μετά από αλκαλική προκατεργασία, όπου ο μικροοργανισμός ζυμώνει τα σάκχαρα BSG σε επίπεδα ίσα με το θεωρητικό μέγιστο. Ομοίως, τα σάκχαρα που λαμβάνονται από το BSG, υδρολυμένα και ζυμωμένα στη λειτουργία SHF, αποδείχθηκαν τα λιγότερο κατάλληλα υποστρώματα για την παραγωγή αιθανόλης από το Z. mobilis 8b, παρά το γεγονός ότι το προϊόν υδρόλυσης ενισχύθηκε με τα απαραίτητα άλατα. Συνολικά, τα αποτελέσματά μας αποδεικνύουν ότι η παραγωγή αιθανόλης από το BSG αντιπροσωπεύει μια δυνητικά οικονομικά βιώσιμη προοπτική, όπου η έκβασή της εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την επιλογή των συνθηκών προκατεργασίας που έχουν επαληθευτεί πειραματικά, του μικροοργανισμού και της συνολικής προσέγγισης ως προς τη λειτουργία του βιοδιυλιστηρίου (SVA ή SHF).