Χρήση βιομάζας μικροφυκών για παραγωγή βιοαιθανόλης
Η εξάντληση των ορυκτών καυσίμων και το πρόβλημα της κλιματικής αλλαγής έχουν αυξήσει το ενδιαφέρον για την εύρεση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τα βιοκαύσιμα, όπως η βιοαιθανόλη, αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη και βιώσιμη εναλλακτική μορφή ενέργειας. Σημαντική πρόκληση στην παραγωγή βιοαιθανόλης απο...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2018
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/11353 |
| id |
nemertes-10889-11353 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Μικροφήκη Επεξεργασία αποβλήτων Βιοαιθανόλη Microalgae Wastewater treatment Bioethanol 662.87 |
| spellingShingle |
Μικροφήκη Επεξεργασία αποβλήτων Βιοαιθανόλη Microalgae Wastewater treatment Bioethanol 662.87 Πατρινού, Βασιλική Χρήση βιομάζας μικροφυκών για παραγωγή βιοαιθανόλης |
| description |
Η εξάντληση των ορυκτών καυσίμων και το πρόβλημα της κλιματικής αλλαγής έχουν αυξήσει το ενδιαφέρον για την εύρεση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τα βιοκαύσιμα, όπως η βιοαιθανόλη, αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη και βιώσιμη εναλλακτική μορφή ενέργειας. Σημαντική πρόκληση στην παραγωγή βιοαιθανόλης αποτελεί η εύρεση κατάλληλης πρώτης ύλης (βιομάζας), που θα είναι φιλική προς το περιβάλλον και οικονομικά αποδεκτή. Παράλληλα, η αύξηση του πληθυσμού, η ανάπτυξη της βιομηχανίας και κυρίως του αγροτοβιομηχανικού τομέα παραγωγής και μεταποίησης προϊόντων οδηγεί στην παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων αποβλήτων, αυξάνοντας το ενδιαφέρον αναζήτησης νέων τεχνολογιών (φυσικοχημικών και βιολογικών) για την ευνοϊκότερη προς το περιβάλλον διαχείρισή τους. Στις βιολογικές μεθόδους επεξεργασίας των αποβλήτων ανήκει και η χρήση μικροφυκών από την οποία παράγεται πολύτιμη βιομάζα. Μάλιστα, τα μικροφύκη σε συνδυασμό με την ανάπτυξή τους σε απόβλητα εξυπηρετούν διττό σκοπό καθώς οδηγούν όχι μόνο στην παραγωγή βιοενέργειας αλλά και στην απορρύπανση των υγρών αποβλήτων. Πολλά είδη μικροφυκών μπορούν να αναπτυχθούν σε πληθώρα υγρών αποβλήτων και έχουν την ικανότητα να χρησιμοποιούν τα θρεπτικά συστατικά αυτών για την ανάπτυξή τους, τα οποία και συσσωρεύουν στο εσωτερικό των κυττάρων τους ως λιπίδια, πρωτεΐνες και υδατάνθρακες. Από την βιομάζα που προκύπτει μπορεί να γίνει εκχύλιση του ενδοκυτταρικού υδατανθρακικού τους περιεχομένου από το οποίο εξάγονται σάκχαρα κατάλληλα για παραγωγή βιοαιθανόλης. Η χρήση βιομάζας μικροφυκών ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοαιθανόλης αποτελεί ελπιδοφόρα πρακτική λόγω των μεγάλων ποσοτήτων υδατανθράκων που είναι ενσωματωμένες σε ορισμένα είδη μικροφυκών. Ωστόσο, κρίνεται απαραίτητη η προεπεξεργασία της βιομάζας ώστε να απελευθερωθούν και να μετατραπούν οι σύνθετοι υδατάνθρακες σε απλά σάκχαρα πριν από την διαδικασία της αλκοολικής ζύμωσης. Η παραγωγή βιοαιθανόλης από βιομάζα μικροφυκών είναι σε ερευνητικό στάδιο, γι’ αυτό και η τεχνολογία αυτή δεν έχει περάσει ακόμη σε βιομηχανική κλίμακα. Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση της μέγιστης απόδοσης σε βιοαιθανόλη με τη χρήση διαφορετικών υποστρωμάτων βιομάζας μικροφυκών προερχόμενων τόσο από την επεξεργασία αποβλήτων τυροκομείου και οινοποιείου, καθώς και από βιομάζα αυτότροφης καλλιέργειας μικροφυκών χρησιμοποιώντας τεχνητό χημικό υπόστρωμα ανάπτυξης. Η εργασία αυτή αποτελεί την συνέχεια προηγούμενης ερευνητικής μελέτης του Εργαστηρίου Περιβαλλοντικών Συστημάτων του τμήματος Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων κατά την οποία πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση των παραμέτρων υδρόλυσης (χρόνος υδρόλυσης, συγκέντρωση θεϊκού οξέος) και βρέθηκε ότι για χρόνο υδρόλυσης 120’ και συγκέντρωση 2.5Ν θεϊκού οξέος εξάγεται μεγαλύτερο ποσοστό ζυμώσιμων σακχάρων. Για τα υποστρώματα βιομάζας από την καλλιέργεια μικροφυκών μελετήθηκαν τρεις χρόνοι υδρόλυσης (60, 120 και 180- λεπτά), ενώ για τα απόβλητα χρόνος υδρόλυσης 120’. Η συγκέντρωση υδρολυτικού μέσου (2.5Ν θεϊκού οξέος) ήταν σταθερή σε όλα τα υποστρώματα σύμφωνα με την αρχική μελέτη βελτιστοποίησης των παραμέτρων. Τα υδρολύματα που προέκυψαν υπεβλήθησαν σε αναερόβια αλκοολική ζύμωση με το στέλεχος Saccharomyces cerevisiae AXAZ-1 προκειμένου να προσδιοριστεί η απόδοση σε βιοαιθανόλη. Κατά την διάρκεια των ζυμώσεων μελετήθηκε η επίδραση της προσθήκης θρεπτικών αλάτων και βρέθηκε ότι τα θρεπτικά άλατα ενισχύουν την ζυμωτική ικανότητα του μικροοργανισμού καθώς και η επίδραση της χρήσης σταφιδόζουμου και υδρολύματος σταφιδόζουμου για την ενίσχυση των αρχικών διαθέσιμων σακχάρων καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι το υδρόλυμα σταφιδόζουμου δρα ανασταλτικά στην ανάπτυξη των κυττάρων της ζύμης. Για τα υποστρώματα βιομάζας από αυτότροφη καλλιέργεια μικροφυκών που εξετάστηκαν, οι συνθήκες 2.5Ν θεϊκού οξέος και 120΄ χρόνου υδρόλυσης, με προσθήκη θρεπτικών αλάτων από την αρχή της ζύμωσης (t=0h), απέδωσαν την υψηλότερη τιμή μεταξύ αυτών με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 73 g/L και ποσοστό επί της θεωρητικής απόδοσης της αιθανόλης με βάση το σύνολο των αρχικών διαθέσιμων σακχάρων 62%. Τα υδρολύματα βιομάζας από απόβλητο τυροκομείου και οινοποιείου, με συνθήκες υδρόλυσης (2.5Ν θεϊκού οξέος, 120’), για αρχικά σάκχαρα 87 g/Lκαι 76 g/L παρουσίασαν ποσοστό επί της θεωρητικής απόδοσης της αιθανόλης 77.2 % και 55.2 % αντιστοίχως. Βιβλιογραφικά οι βιομάζες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βιοαιθανόλης είναι κυρίως λιγνοκυτταρινικής φύσεως με ποσοστά επί της θεωρητικής απόδοσης που κυμαίνονται μεταξύ του 70-85%. Οι αποδόσεις αυτές αναδεικνύουν την εν δυνάμει χρήση της μικροβιακής βιομάζας βασισμένη στα μικροφύκη ως πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαιθανόλης και ιδιαίτερα αυτή από την επεξεργασία αποβλήτου τυροκομείου. |
| author2 |
Τεκερλεκοπούλου, Αθανασία |
| author_facet |
Τεκερλεκοπούλου, Αθανασία Πατρινού, Βασιλική |
| format |
Thesis |
| author |
Πατρινού, Βασιλική |
| author_sort |
Πατρινού, Βασιλική |
| title |
Χρήση βιομάζας μικροφυκών για παραγωγή βιοαιθανόλης |
| title_short |
Χρήση βιομάζας μικροφυκών για παραγωγή βιοαιθανόλης |
| title_full |
Χρήση βιομάζας μικροφυκών για παραγωγή βιοαιθανόλης |
| title_fullStr |
Χρήση βιομάζας μικροφυκών για παραγωγή βιοαιθανόλης |
| title_full_unstemmed |
Χρήση βιομάζας μικροφυκών για παραγωγή βιοαιθανόλης |
| title_sort |
χρήση βιομάζας μικροφυκών για παραγωγή βιοαιθανόλης |
| publishDate |
2018 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/11353 |
| work_keys_str_mv |
AT patrinoubasilikē chrēsēbiomazasmikrophykōngiaparagōgēbioaithanolēs AT patrinoubasilikē microalgaebiomassusedasfeedstockforbioethanolproduction |
| _version_ |
1771297210105856000 |
| spelling |
nemertes-10889-113532022-09-05T11:16:18Z Χρήση βιομάζας μικροφυκών για παραγωγή βιοαιθανόλης Microalgae biomass used as feedstock for bioethanol production Πατρινού, Βασιλική Τεκερλεκοπούλου, Αθανασία Αγγελής, Γεώργιος Βαγενάς, Δημήτριος Patrinou, Vasiliki Μικροφήκη Επεξεργασία αποβλήτων Βιοαιθανόλη Microalgae Wastewater treatment Bioethanol 662.87 Η εξάντληση των ορυκτών καυσίμων και το πρόβλημα της κλιματικής αλλαγής έχουν αυξήσει το ενδιαφέρον για την εύρεση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τα βιοκαύσιμα, όπως η βιοαιθανόλη, αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη και βιώσιμη εναλλακτική μορφή ενέργειας. Σημαντική πρόκληση στην παραγωγή βιοαιθανόλης αποτελεί η εύρεση κατάλληλης πρώτης ύλης (βιομάζας), που θα είναι φιλική προς το περιβάλλον και οικονομικά αποδεκτή. Παράλληλα, η αύξηση του πληθυσμού, η ανάπτυξη της βιομηχανίας και κυρίως του αγροτοβιομηχανικού τομέα παραγωγής και μεταποίησης προϊόντων οδηγεί στην παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων αποβλήτων, αυξάνοντας το ενδιαφέρον αναζήτησης νέων τεχνολογιών (φυσικοχημικών και βιολογικών) για την ευνοϊκότερη προς το περιβάλλον διαχείρισή τους. Στις βιολογικές μεθόδους επεξεργασίας των αποβλήτων ανήκει και η χρήση μικροφυκών από την οποία παράγεται πολύτιμη βιομάζα. Μάλιστα, τα μικροφύκη σε συνδυασμό με την ανάπτυξή τους σε απόβλητα εξυπηρετούν διττό σκοπό καθώς οδηγούν όχι μόνο στην παραγωγή βιοενέργειας αλλά και στην απορρύπανση των υγρών αποβλήτων. Πολλά είδη μικροφυκών μπορούν να αναπτυχθούν σε πληθώρα υγρών αποβλήτων και έχουν την ικανότητα να χρησιμοποιούν τα θρεπτικά συστατικά αυτών για την ανάπτυξή τους, τα οποία και συσσωρεύουν στο εσωτερικό των κυττάρων τους ως λιπίδια, πρωτεΐνες και υδατάνθρακες. Από την βιομάζα που προκύπτει μπορεί να γίνει εκχύλιση του ενδοκυτταρικού υδατανθρακικού τους περιεχομένου από το οποίο εξάγονται σάκχαρα κατάλληλα για παραγωγή βιοαιθανόλης. Η χρήση βιομάζας μικροφυκών ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοαιθανόλης αποτελεί ελπιδοφόρα πρακτική λόγω των μεγάλων ποσοτήτων υδατανθράκων που είναι ενσωματωμένες σε ορισμένα είδη μικροφυκών. Ωστόσο, κρίνεται απαραίτητη η προεπεξεργασία της βιομάζας ώστε να απελευθερωθούν και να μετατραπούν οι σύνθετοι υδατάνθρακες σε απλά σάκχαρα πριν από την διαδικασία της αλκοολικής ζύμωσης. Η παραγωγή βιοαιθανόλης από βιομάζα μικροφυκών είναι σε ερευνητικό στάδιο, γι’ αυτό και η τεχνολογία αυτή δεν έχει περάσει ακόμη σε βιομηχανική κλίμακα. Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η διερεύνηση της μέγιστης απόδοσης σε βιοαιθανόλη με τη χρήση διαφορετικών υποστρωμάτων βιομάζας μικροφυκών προερχόμενων τόσο από την επεξεργασία αποβλήτων τυροκομείου και οινοποιείου, καθώς και από βιομάζα αυτότροφης καλλιέργειας μικροφυκών χρησιμοποιώντας τεχνητό χημικό υπόστρωμα ανάπτυξης. Η εργασία αυτή αποτελεί την συνέχεια προηγούμενης ερευνητικής μελέτης του Εργαστηρίου Περιβαλλοντικών Συστημάτων του τμήματος Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων κατά την οποία πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση των παραμέτρων υδρόλυσης (χρόνος υδρόλυσης, συγκέντρωση θεϊκού οξέος) και βρέθηκε ότι για χρόνο υδρόλυσης 120’ και συγκέντρωση 2.5Ν θεϊκού οξέος εξάγεται μεγαλύτερο ποσοστό ζυμώσιμων σακχάρων. Για τα υποστρώματα βιομάζας από την καλλιέργεια μικροφυκών μελετήθηκαν τρεις χρόνοι υδρόλυσης (60, 120 και 180- λεπτά), ενώ για τα απόβλητα χρόνος υδρόλυσης 120’. Η συγκέντρωση υδρολυτικού μέσου (2.5Ν θεϊκού οξέος) ήταν σταθερή σε όλα τα υποστρώματα σύμφωνα με την αρχική μελέτη βελτιστοποίησης των παραμέτρων. Τα υδρολύματα που προέκυψαν υπεβλήθησαν σε αναερόβια αλκοολική ζύμωση με το στέλεχος Saccharomyces cerevisiae AXAZ-1 προκειμένου να προσδιοριστεί η απόδοση σε βιοαιθανόλη. Κατά την διάρκεια των ζυμώσεων μελετήθηκε η επίδραση της προσθήκης θρεπτικών αλάτων και βρέθηκε ότι τα θρεπτικά άλατα ενισχύουν την ζυμωτική ικανότητα του μικροοργανισμού καθώς και η επίδραση της χρήσης σταφιδόζουμου και υδρολύματος σταφιδόζουμου για την ενίσχυση των αρχικών διαθέσιμων σακχάρων καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι το υδρόλυμα σταφιδόζουμου δρα ανασταλτικά στην ανάπτυξη των κυττάρων της ζύμης. Για τα υποστρώματα βιομάζας από αυτότροφη καλλιέργεια μικροφυκών που εξετάστηκαν, οι συνθήκες 2.5Ν θεϊκού οξέος και 120΄ χρόνου υδρόλυσης, με προσθήκη θρεπτικών αλάτων από την αρχή της ζύμωσης (t=0h), απέδωσαν την υψηλότερη τιμή μεταξύ αυτών με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 73 g/L και ποσοστό επί της θεωρητικής απόδοσης της αιθανόλης με βάση το σύνολο των αρχικών διαθέσιμων σακχάρων 62%. Τα υδρολύματα βιομάζας από απόβλητο τυροκομείου και οινοποιείου, με συνθήκες υδρόλυσης (2.5Ν θεϊκού οξέος, 120’), για αρχικά σάκχαρα 87 g/Lκαι 76 g/L παρουσίασαν ποσοστό επί της θεωρητικής απόδοσης της αιθανόλης 77.2 % και 55.2 % αντιστοίχως. Βιβλιογραφικά οι βιομάζες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βιοαιθανόλης είναι κυρίως λιγνοκυτταρινικής φύσεως με ποσοστά επί της θεωρητικής απόδοσης που κυμαίνονται μεταξύ του 70-85%. Οι αποδόσεις αυτές αναδεικνύουν την εν δυνάμει χρήση της μικροβιακής βιομάζας βασισμένη στα μικροφύκη ως πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαιθανόλης και ιδιαίτερα αυτή από την επεξεργασία αποβλήτου τυροκομείου. The depletion of fossil fuels and climate change increased the importance of searching for renewable energy sources. Biofuels, such as bioethanol, are a very promising and viable alternative energy source. An important goal in bioethanol production is to find suitable biomass, environmentally friendly and economically acceptable. At the same time, the growth of population, the growth of industry and mainly the growth of agro-industrial production and processing sector leaded to the production of large quantities of waste, increasing the search for new technologies (physicochemical and biological) for a more environmentally friendly management. The biological methods of waste treatment also include the use of microalgae from which valuable biomass is produced. However, microorganisms combined with waste development serve a twofold purpose as they lead not only to bioenergy production but also to the bioremediation of liquid waste. Many species of microalgae can grow in a variety of liquid waste and have the ability to use organic carbon, N and P for their growth, which accumulate inside their cells as lipids, proteins and carbohydrates. From the resulting biomass fatty acids can be extracted, which are then converted to biodiesel or their intracellular carbohydrate content from which sucrose is extracted to produce bioethanol. The usage of microalgae biomass as a raw material for the production of bioethanol is a promising practice due to the large amounts of carbohydrates incorporated into microalgal cell physiology. The cell wall polysaccharides of the microorganisms must be pretreated in order to release and convert these complex carbohydrates into simple sugars prior to the microbial fermentation process. Despite that this technology has not yet passed on an industrial scale. The aim of the present study was to investigate the maximum bioethanol yield using different microalgae biomass substrates derived from processing cheese whey and winery wastes as well as autotrophic microalgal cultivation using artificial chemical as a growth substrate. This work is a continuation of previous research that conducted to the Laboratory of Environmental Systems of the Department of Environmental Management and Natural Resources, during which optimization of hydrolytic parameters (hydrolysis time, sulfuric acid concentration) was performed and it was found that for a hydrolytic period of 120 minutes and a concentration of 2.5N sulfuric acid higher percentage of fermentable sugars is extracted. Three hydrolysis times were investigated (60, 120 and 180 minutes) for the biomass substrates derived from microalgal culture, and 120 min hydrolysis time for the wastes. The concentration of hydrolytic medium (2.5N sulfuric acid) was the same for all substrates according to initial optimization study of parameters. The resulting hydrolysates were subjected to anaerobic alcoholic fermentation with Saccharomyces cerevisiae AXAZ-1 strain to determine bioethanol yield. During fermentations, the effect of nutrient addition was studied and nutrients found to enhance the fermenting capacity of the microorganism as well as the effect of using raisin broth and raisin broth hydrolyzate for enhancing the initial available sugars, suggesting that the raisin broth hydrolyzate is an inhibitor factor for the growth of yeast cells. For biomass substrates derived from autotrophic microalgal culture under 2.5N sulfuric acid and 120 minute hydrolysis, with addition of nutrients from the beginning of fermentation (t = 0h) yielded the highest value among them with an initial sugar concentration of 73 g/L and theoretical bioethanol yield 62% of total sugars. Biomass hydrolysates from cheese whey and winery waste, under hydrolysis conditions of (2.5N sulfuric acid, 120’), for initial sugars of 87g/L and 76 g/L showed theoretical bioethanol yield 77.2% and 55.2% based on the initial avaliable total sugars respectively. Literally, the biomass used for bioethanol production is mainly lignocellulosic with theoretical bioethanol yields ranging between 70-85% based on total sugars. These yields highlight the potential use of microalgal biomass as a feedstock for bioethanol production, particularly from processing cheese whey. 2018-06-12T09:32:03Z 2018-06-12T09:32:03Z 2018-01-07 Thesis http://hdl.handle.net/10889/11353 gr 6 application/pdf |
