Παραγωγή Βιοαιθανόλης

ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ

ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΞΑΝΘΗΣ

ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

ΤΖΗΜΟΠΟΥΛΟΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ

Α.Ε.Μ.: 238

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ:

Επίκουρος καθηγητής Δρ. Αναστασιάδης Σάββας

ΞΑΝΘΗ

ΙΟΥΛΙΟΣ 2009

i

Η διπλωματική εργασία του Τζημόπουλου Βασίλειου με τίτλο «Παραγωγή βιοαιθανόλης»

εξετάσθηκε και εγκρίθηκε ως προς το περιεχόμενο και την παρουσίαση.

Η εξεταστική επιτροπή:

Ο πρόεδρος της επιτροπής

Επίκουρος καθηγητής, Αναστασιάδης Σάββας

(επιβλέπων)

………………………………………..

Τα μέλη

1. Καθηγητής, Αϊβαζίδης Αλέξανδρος

….………………………………….

Καθηγητής, Βουδριάς Ευάγγελος

………………………………………

Ημερομηνία εξέτασης:

ii

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Ευχαριστώ θερμά την οικογένειά μου, τον κ. Αναστασιάδη Σάββα, επίκουρο

καθηγητή του τμήματος μηχανικών περιβάλλοντος και τα μέλη της εξεταστικής επιτροπής

κ. Αϊβαζίδη Αλέξανδρο και κ. Βουδριά Ευάγγελο, καθηγητές του τμήματος μηχανικών

περιβάλλοντος του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης.

iii

‘Παραγωγή βιοαιθανόλης’ Τζημόπουλος Βασίλειος

Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης

Επιβλέπων: Επίκουρος καθηγητής Αναστασιάδης Σάββας

Περίληψη

Ο σκοπός της παρούσης εργασίας είναι η ανασκόπηση των κλασσικών και

προηγμένων μεθόδων παραγωγής της βιοαιθανόλης μέσω βιοχημικών διεργασιών. Παρουσιάζονται οι πρώτες ύλες παραγωγής, τα στάδια της επεξεργασίας τους και τα παραπροϊόντα που προκύπτουν από την παραγωγή βιοαιθανόλης. Δίνεται δε ιδιαίτερη έμφαση στην παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινική βιομάζα και στις μεθόδους της αλκοολικής ζύμωσης.

Η εξάντληση των αποθεμάτων του πετρελαίου και οι κλιματικές αλλαγές έχουν κινήσει μεγάλο ενδιαφέρον για τα βιοκαύσιμα και ειδικότερα για την βιοαιθανόλη. Η βιοαιθανόλη παράγεται από τη ζύμωση των σακχάρων με τη βοήθεια μικροοργανισμών. Οι πρώτες ύλες παραγωγής βιοαιθανόλης περιλαμβάνουν σακχαρούχα, αμυλούχα και κυτταρινούχα φυτά, καθώς και κυτταρινούχα υπολείμματα. Οι κυτταρινούχες ύλες αποτελούν την ελπίδα για ανταγωνιστική και βιώσιμη παραγωγή βιοαιθανόλης στο μέλλον. Τα βασικά στάδια παραγωγής είναι η προεπεξεργασία της βιομάζας, η αλκοολική ζύμωση και η κλασματική απόσταξη. Η προεπεξεργασία αποσκοπεί στην εκχύλιση των σακχάρων και τη σακχαροποίηση του αμύλου και της κυτταρίνης μέσω ενζυμικής υδρόλυσης. Η ζύμωση των σακχάρων γίνεται με τη χρήση ζυμών, όπως ο Saccharomyces cerevisiae ή βακτηρίων, όπως το Zymomonas mobilis, σε αντιδραστήρες διαλείποντος ή συνεχούς έργου, με εφαρμογή τεχνολογιών όπως η ανακύκλωση των κυττάρων, η κυτταρική ακινητοποίηση και η μέθοδος ‘very high gravity’.

Η ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση της λιγνοκυτταρίνης αποτελεί την ιδανικότερη μέθοδο για αποτελεσματική μετατροπή της βιομάζας σε αιθανόλη. Ωστόσο, οικονομικά και τεχνικά εμπόδια πρέπει να υπερκεραστούν, τα οποία αφορούν το κόστος των ενζύμων και τη συμβατότητα των δύο διεργασιών. Τη λύση θα δώσει η βιοτεχνολογία με τη δημιουργία κατάλληλων ενζύμων και αιθανολοπαραγωγών μικροοργανισμών, μέσω γενετικής τροποποίησης.

iv

Abstract The objective of the present study is to provide an overview of the classic and

advanced methods of bioethanol production via biochemical processes. Feedstock, process stages and co-products of bioethanol production are being displayed. Extra emphasis is given on lignocellulosic ethanol and fermentation technologies.

The depletion of oil reserves and the climate change have created an increased interest on biofuels, and especially bioethanol. Bioethanol is produced from sugar fermentation with the help of microorganisms. Feedstock for ethanol production include sugar, starchy and cellulosic plants, as well as cellulosic residues. Cellulosic biomass is the hope for competitive and sustainable bioethanol production in the future. The main production stages are pretreatment of biomass, fermentation and distillation. Pretreatment processes aim to sugar extraction from plants and saccharification of starch and cellulose through enzymatic hydrolysis. Sugar fermentation is carried by yeasts, such as Saccharomyces cerevisiae, or bacteria, like Zymomonas mobilis, into batch or continuous bioreactors. Novel technologies are also applied, such as cell recycling, cell immobilization and ‘very high gravity’ fermentation.

Simultaneous saccharification and fermentation of lignocellulose is considered as the best method for efficient conversion of biomass to ethanol. However, there are economic and technical barriers that have to be surpassed, which concern enzymes cost and compatibility of the two processes. The solution comes from biotechnology, with the creation of suitable enzymes and ethanologenic microorganisms, through the process of genetic modification.

v

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ .................................................................................................................... 1

1.1 Σκοπός της εργασίας ................................................................................................. 1 1.2 Γενικά στοιχεία για τα βιοκαύσιμα ........................................................................... 1 1.3 Βιοαιθανόλη .............................................................................................................. 4

1.3.1 Παγκόσμια παραγωγή βιοαιθανόλης .................................................................. 5 1.3.2 Χρήση της βιοαιθανόλης ως καύσιμο στα αυτοκίνητα ...................................... 6 1.3.3 Πλεονεκτήματα της βιοαιθανόλης ..................................................................... 8 1.3.4 Μειονεκτήματα της βιοαιθανόλης ...................................................................... 9

2. ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ............................................... 10

2.1 Εισαγωγή ................................................................................................................. 10 2.2 Σακχαρούχα Φυτά ................................................................................................... 13

2.2.1 Ζαχαρότευτλα (Beta vulgaris L.) ...................................................................... 13 2.2.2 Ζαχαροκάλαμο (Saccharum sp.) ...................................................................... 15 2.2.3 Γλυκό Σόργο (Sorghum bicolor L. Moench) .................................................... 16

2.3 Αμυλούχα Φυτά ....................................................................................................... 17 2.3.1 Αραβόσιτος (Zea Mays L.) ............................................................................... 17 2.3.2 Σιτάρι – Κριθάρι ............................................................................................... 18 2.3.3 Πατάτα .............................................................................................................. 19 2.3.4 Κασάβα (Manihot esculenta) ............................................................................ 19

2.4 Κυτταρινούχες πρώτες ύλες .................................................................................... 20 2.4.1 Κυτταρινούχα υπολείμματα ............................................................................. 20 2.4.2 Κυτταρινούχες ενεργειακές καλλιέργειες ........................................................ 21

3. ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ................................................... 26

3.1 Προεπεξεργασία πρώτων υλών ............................................................................... 28 3.1.1 Προεπεξεργασία σακχαρούχων πρώτων υλών ................................................. 28 3.1.2 Προεπεξεργασία των αμυλούχων πρώτων υλών – Υδρόλυση του αμύλου ..... 30 3.1.3 Προεργασία των λιγνοκυτταρινούχων πρώτων υλών (περίληψη διαδικασίας) 35

3.2 Αλκοολική ζύμωση των σακχάρων ......................................................................... 36 3.2.1 Παράγοντες που επηρεάζουν την αλκοολική ζύμωση από μικροοργανισμούς 37 3.2.2 Ζύμωση των σακχάρων από τον σακχαρομύκητα Saccharomyces cerevisiae . 44 3.2.3 Ζύμωση των σακχάρων από το βακτήριο Zymomonas mobilis ...................... 48 3.2.4 Γενετικά τροποποιημένοι μικροοργανισμοί ..................................................... 52 3.2.5 Μέθοδοι και νέες τεχνολογίες ζύμωσης βιομηχανικού ενδιαφέροντος ........... 55

3.3 Κλασματική Απόσταξη και αφυδάτωση για την παραγωγή άνυδρης αλκοόλης .... 70 4. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ 2ΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΑΠΟ ΛΙΓΝΟ- ................................... ΚΥΤΤΑΡΙΝΙΚΗ ΒΙΟΜΑΖΑ ............................................................................................ 73

4.1 Σύσταση της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας .............................................................. 74

vi

4.2 Ο ρόλος της προεπεξεργασίας των λιγνοκυτταρινούχων πρώτων υλών ................. 78 4.3 Μέθοδοι προεπεξεργασίας των λιγνοκυτταρινούχων πρώτων υλών ...................... 80

4.3.1 Χρήση ατμού (Steam explosion) ...................................................................... 81 4.3.2 Μέθοδος καρβονικού οξέος (carbonic acid process) ....................................... 83 4.3.3 Αλκαλική υδρόλυση (alkaline extraction) ........................................................ 83 4.3.4 Προϋδρόλυση με χρήση αραιού οξέος (dilute acid prehydrolysis) .................. 84

4.4 Υδρόλυση της κυτταρίνης ....................................................................................... 85 4.4.1 Υδρόλυση με αραιό οξύ ................................................................................... 85 4.4.2 Υρόλυση με πυκνό οξύ ..................................................................................... 85 4.4.3 Ενζυμική υδρόλυση .......................................................................................... 87

4.5 Μείωση της τοξικότητας ......................................................................................... 90 4.5.1 Βιολογικές μέθοδοι ........................................................................................... 90 4.5.2 Φυσικές μέθοδοι ............................................................................................... 90 4.5.3 Χημικές μέθοδοι ............................................................................................... 91

4.6 Επίπεδα ενοποίησης ενζυμικής υδρόλυσης, ζύμωσης και παραγωγής ενζύμων ..... 91 4.6.1 Ξεχωριστή υδρόλυση και ζύμωση (SHF) ......................................................... 92 4.6.2 Ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση (SSF) .............................................. 94 4.6.3 Ενοποιημένη βιοδιαδικασία (CBP) .................................................................. 95

4.7 Παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρίνη μέσω καταλυτικής μετατροπής ....... 97 syngas .............................................................................................................................. 97

4.7.1 Περιγραφή της διαδικασίας .............................................................................. 97 4.7.2 Εισαγωγή στην οικονομική αγορά ................................................................... 99

5. ΠΑΡΑΠΡΟΪΟΝΤΑ ΤΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ............................................ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ........................................................................................................... 100

5.1 Στερεά υπολείμματα από την ξηρή άλεση καλαμποκιού ...................................... 101 5.2 Ενδιάμεσα παραπροϊόντα από την υγρή άλεση του καλαμποκιού ........................ 101 5.3 Παραπροϊόντα παραγωγής βιοαιθανόλης από ζαχαροκάλαμο .............................. 102 5.4 Παραπροϊόντα παραγωγής βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρίνη ............................. 103 5.5 Διοξείδιο του άνθρακα .......................................................................................... 104 5.6 Κυτταρική μάζα ..................................................................................................... 104 5.7 Ζυμέλαια (Fusel Oils) ............................................................................................ 105 5.8 Νερό ....................................................................................................................... 105

6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ – ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΑ ΠΛΑΝΑ .................................................. 106

6.1 Συμπεράσματα ....................................................................................................... 106 6.2 Μελλοντικά Πλάνα ................................................................................................ 112

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ............................................................................................................. 114

vii

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1.1: Παγκόσμια παραγωγή βιοαιθανόλης το 2008 ................................................. 5 Πίνακας 2.1: Απόδοση σε αιθανόλη διαφόρων ειδών βιομάζας ......................................... 24 Πίνακας 3.1: Στάδια παραγωγής βιοαιθανόλης ανά τύπο βιομάζας και τεχνικής............... 28 Πίνακας 3.2: Κινητικές παράμετροι για την ανάπτυξη του στελέχους ΖΜ4 του Zymomonas mobilis σε καλλιέργειες με διαφορετικά υποστρώματα άνθρακα κατά παρτίδες (αρχική συγκέντρωση 250 g/L) ........................................................................................................ 51 Πίνακας 4.1: Σύνθεση διαφόρων τύπων λιγνοκυτταρινικής βιομάζας (% επί ξηρού ......... 76 Πίνακας 4.2: Περιεκτικότητα σακχάρων σε ξύλο φυλλοβόλων και κωνοφόρων δέντρων . 77 Πίνακας 4.3: Ποιοτική αξιολόγηση επιλεγμένων μεθόδων προεπεξεργασίας της.............. 81 Πίνακας 4.4: Σύγκριση των κύριων μεθόδων κυτταρινικής υδρόλυσης ............................. 89 Πίνακας 4.5: Σύγκριση επιπέδων ενοποιήσης διεργασιών .................................................. 96 Πίνακας 5.1: Παραπροϊόντα και χρήσεις αυτών, ανά τύπο πρώτης ύλης ......................... 100 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1: Η παγκόσμια παραγωγή βιοκαυσίμων την περίοδο 1990-2007 ......................... 3 Σχήμα 1.2: Κατανομή παγκόσμιας παραγωγής βιοαιθανόλης το 2008 ................................. 4 Σχήμα 1.3: Εκτίμηση παγκόσμιας παραγωγής καύσιμης, βιομηχανικής και πόσιμης .......... 6 Σχήμα 2.1: Βασικές κατηγορίες και παραδείγματα πρώτων υλών για την παραγωγή ........ 12 Σχήμα 2.2: Ενεργειακό ισοζύγιο παραγωγής αιθανόλης από διάφορους τύπους βιομάζας 25 Σχήμα 3.1: Διάγραμμα ροής σταδίων παραγωγής βιοαιθανόλης μέσω βιολογικών ........... 27 Σχήμα 3.2: Διάγραμμα ροής σταδίων παραγωγής βιοαιθανόλης και ζάχαρης από ............ 30 Σχήμα 3.3: Μόριο αμυλόζης ............................................................................................... 31 Σχήμα 3.4: Μόριο αμυλοπηκτίνης ....................................................................................... 31 Σχήμα 3.5: Διάγραμμα ροής σταδίων υγρής άλεσης καλαμποκιού .................................... 34 Σχήμα 3.6: Διάγραμμα ροής σταδίων ξηρής άλεσης καλαμποκιού .................................... 35 Σχήμα 3.7: Σχηματική αναπαράσταση τυπικού κυττάρου Saccharomyces cerevisiae με εκβλάστημα ........................................................................................................................... 46 Σχήμα 3.8: Σχηματική απεικόνιση της αλκοολικής ζύμωσης της γλυκόζης από σακχαρομύκητες .................................................................................................................. 48 Σχήμα 3.9: Διαγράμματα διεργασιών διαλείποντος (αριστερά) και ημι-διαλείποντος (δεξιά)

έργου 58 Σχήμα 3.10: Διάγραμμα απλού συστήματος συνεχούς ζύμωσης (F: ρυθμός ροής ............. 61 Σχήμα 3.11: Διάγραμμα συστήματος συνεχούς ζύμωσης πολλαπλών σταδίων (MSCF) με ανακύκλωση κυττάρων ........................................................................................................ 63 Σχήμα 3.12: Βελτίωση απόδοσης της ζύμωσης δημητριακών με χρήση τεχνολογιών ....... 69 Σχήμα 3.13: Η ενεργειακή απαίτηση για απόσταξη 95% κατ’ όγκο αιθανόλης. Το ενεργειακό περιεχόμενο της αιθανόλης είναι 21,2 MJ/l. Το θεωρητικό ελάχιστο βασίζεται στη θερμοδυναμική, το πρακτικό ελάχιστο λαμβάνει υπόψη του περιορισμούς στο μέγεθος των πύργων απόσταξης. ...................................................................................................... 72

viii

Σχήμα 4.1: Μόριο κυτταρίνης ............................................................................................. 74 Σχήμα 4.2: Μόριο ημικυτταρίνης (ξυλάνη) ........................................................................ 75 Σχήμα 4.3: Παράδειγμα πιθανής δομής της λιγνίνης με τα τρία κυρίως μονομερή κάτω .. 76 Σχήμα 4.4: Δομή του κυτταρικού τοιχώματος των φυτών .................................................. 77 Σχήμα 4.5: Γενικό διάγραμμα ροής παραγωγής βιοαιθανόλης 2ης γενιάς........................... 78 Σχήμα 4.6: Διάσπαση της λιγνίνης και απελευθέρωση της κυτταρίνης και ημικυτταρίνης79 Σχήμα 4.7: Διάγραμμα ροής παραγωγής βιοαιθανόλης με υδρόλυση πυκνού οξέος ......... 86 Σχήμα 4.8: Ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης (συνεργητισμός)...................................... 88 Σχήμα 4.9: Διάγραμμα ροής ‘ξεχωριστής υδρόλυσης και ζύμωσης’ (SHF) ....................... 93 Σχήμα 4.10: Διάγραμμα ροής ‘ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης’ (SSF) .......... 95 Σχήμα 4.11: Διάγραμμα ροής ‘ταυτόχρονης σακχαροποίησης και συν-ζύμωσης’ (SSCF) 95 Σχήμα 4.12: Διάγραμμα ροής ‘Ενοποιημένης βιοδιαδικασίας’ (CBP) ............................... 96 Σχήμα 4.13: Διάγραμμα ροής παραγωγής βιοαιθανόλης μέσω καταλυτικής μετατροπής .. 98 syngas .................................................................................................................................. 98 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1.1: Το μοντέλο FORD T .......................................................................................... 7 Εικόνα 1.2: Όχημα ευέλικτου καυσίμου (Flex Fuel Vehicle) ............................................... 7 Εικόνα 2.1: Ρίζες ζαχαρότευτλων ....................................................................................... 14 Εικόνα 2.2: Τεμαχισμένο ζαχαροκάλαμο ............................................................................ 14 Εικόνα 2.3: Γλυκό Σόργο .................................................................................................... 16 Εικόνα 2.4: Αραβόσιτος ...................................................................................................... 18 Εικόνα 2.5: Σιτάρι ............................................................................................................... 18 Εικόνα 2.6: Ρίζες Κασάβας ................................................................................................. 20 Εικόνα 2.7: Πρωτογενή κυτταρινούχα υπολείμματα, όπως δασικά υπολείμματα .............. 21 Εικόνα 2.8: Φυτεία ιτιάς (αριστερά) και φύλλα λεύκας (δεξιά).......................................... 22 Εικόνα 2.9: Μίσχανθος ........................................................................................................ 23 Εικόνα 2.10: Switchgrass .................................................................................................... 23 Εικόνα 3.1: Saccharomyces cerevisiae ................................................................................ 45 Εικόνα 3.2: Zymomonas mobilis ......................................................................................... 49 Εικόνα 3.3: Βιομηχανικές μονάδες ζύμωσης για παραγωγή βιοαιθανόλης ........................ 70 Εικόνα 3.4: Μονάδα απόσταξης βιοαιθανόλης ................................................................... 72 Εικόνα 4.1: Βιοαντιδραστήρας που χρησιμοποιείται στην έρευνα βιοαιθανόλης 2ης γενιάς ............................................................................................................................................. 93

1

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Σκοπός της εργασίας

Ο σκοπός αυτής της εργασίας είναι η ανασκόπηση των κλασσικών και προηγμένων

μεθόδων παραγωγής της βιοαιθανόλης μέσω βιοχημικών διεργασιών. Παρουσιάζονται οι

πρώτες ύλες παραγωγής, τα στάδια της επεξεργασίας τους και τα παραπροϊόντα που

προκύπτουν από την παραγωγή βιοαιθανόλης. Δίνεται δε ιδιαίτερη έμφαση στην

παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινική βιομάζα και στις μεθόδους της αλκοολικής

ζύμωσης.

1.2 Γενικά στοιχεία για τα βιοκαύσιμα

Η εξάντληση των αποθεμάτων του πετρελαίου, καθώς και οι αρνητικές επιπτώσεις

στο περιβάλλον από τη χρήση ορυκτών καυσίμων, έχει οδηγήσει σε μια ραγδαία αύξηση

του ενδιαφέροντος για τις εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Τα βιοκαύσιμα θεωρούνται ως η

μόνη βιώσιμη πηγή ενέργειας για το άμεσο μέλλον και μπορούν να αποτελέσουν τη βάση

για βιώσιμη ανάπτυξη από κοινωνικο-οικονομική και περιβαλλοντική σκοπιά.

Ο όρος βιοκαύσιμα (biofuels) χρησιμοποιείται συνήθως για καύσιμα υγρά, στερεά ή

αέρια που προέρχονται από βιομάζα. Ως βιομάζα (biomass) ορίζεται γενικά η ύλη που έχει

βιολογική (οργανική) προέλευση και πρακτικά περιλαμβάνεται σε αυτήν οποιοδήποτε

υλικό προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Αναλυτικότερα, οι πηγές των

βιοκαυσίμων μπορεί να είναι (Λάμπρου 2008):

Ενεργειακά φυτά, φυτά δηλαδή που καλλιεργούνται προορισμένα για την

παραγωγή ενέργειας

Φυτά που περιέχουν κυτταρίνη ή είναι ξυλώδη, σ’ αυτά συμπεριλαμβάνονται

χόρτα, δέντρα, υπολείμματα από φυτά ή επεξεργασία ξύλου

Οργανικά απόβλητα ποικίλων κατηγοριών, όπως αστικά, αγροτικά, εμπορικά και

βιομηχανικά

Η ενέργεια της βιομάζας αποτελεί μία δεσμευμένη και αποθηκευμένη μορφή της

ηλιακής ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της φωτοσυνθετικής ικανότητας των φυτικών

οργανισμών. Κατ΄ αυτήν η χλωροφύλλη μετασχηματίζει την ηλιακή ενέργεια, μέσω μίας

σειράς διεργασιών στις οποίες χρησιμοποιούνται ως βασικές πρώτες ύλες διοξείδιο του

2

άνθρακα από την ατμόσφαιρα, μαζί με νερό και ανόργανα συστατικά από το έδαφος, με

αποτέλεσμα την απόληψη βιομάζας και οξυγόνου. Από τη στιγμή που έχει σχηματισθεί η

βιομάζα, μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας για τους ανθρώπους και τα

ζώα (τροφή), για τα φυτά (λίπασμα) και για τις μηχανές (βιοκαύσιμα) (Λάμπρου 2008).

Βασικό πλεονέκτημα της βιομάζας σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα είναι ότι

αποτελεί μία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Ενώ το πετρέλαιο χρειάζεται πάνω από 400

εκατομμύρια χρόνια κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης για να

δημιουργηθεί, η βιομάζα που παράγεται από μονοετή φυτά, όπως π.χ. ο αραβόσιτος,

μπορεί να ανανεώνεται κάθε χρόνο. Επίσης, η παραγωγή και χρήση των βιοκαυσίμων σε

ορθολογική βάση είναι ουδέτερη όσον αφορά τις εκπομπές CO2. Εξασφαλίζεται

οικολογική ισορροπία, αφού όσο CO2 παράγεται κατά τη καύση της βιομάζας

απορροφάται κατά την παραγωγή της, αποτελώντας, έτσι, εναλλακτική λύση

αντικατάστασης των συμβατικών καυσίμων. Το κόστος και οι δυνατότητες μείωσης των

εκπομπών του CO2 κατά αυτόν τον τρόπο εξαρτάται από την απόδοση της ενεργειακής

μετατροπής κατά τη παραγωγή και τη καύση της βιομάζας και από τον τύπο του καυσίμου

που υποκαθιστά (Λάμπρου 2008).

Τα βιοκαύσιμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ποικίλους τομείς της καθημερινής

ζωής. Ένας από τους κυριότερους είναι ο τομέας των μεταφορών όπου τα πιο διαδεδομένα

βιοκαύσιμα είναι η βιοαιθανόλη και το βιοντήζελ.

Το 2003 η Ευρωπαϊκή Κοινότητα εξέδωσε την Οδηγία 30 για την προώθηση των

Βιοκαυσίμων στις χώρες μέλη, σύμφωνα με την οποία με τον όρο βιοκαύσιμα, νοούνται

μία σειρά από διαφορετικά προϊόντα, όπως (Λάμπρου 2008):

Bιοαιθανόλη: αιθανόλη η οποία παράγεται από βιομάζα ή/και από το βιοαποικοδομήσιμο

κλάσμα αποβλήτων, για χρήση ως βιοκαύσιμο.

Nτίζελ βιολογικής προέλευσης: μεθυλεστέρας ο οποίος παράγεται από φυτικά ή ζωικά

έλαια, ποιότητας ντήζελ, για χρήση ως βιοκαύσιμο.

Bιοαέριο: καύσιμο αέριο το οποίο παράγεται από βιομάζα ή/και από το

βιοαποικοδομήσιμο κλάσμα αποβλήτων, το οποίο μπορεί να καθαριστεί φτάνοντας την

ποιότητα του φυσικού αερίου, για χρήση ως βιοκαύσιμο ή ξυλαέριο.

Bιομεθανόλη: μεθανόλη η οποία παράγεται από βιομάζα, για χρήση ως βιοκαύσιμο.

3

Bιοδιμεθυλαιθέρας: διμεθυλαιθέρας ο οποίος παράγεται από βιομάζα, για χρήση ως

βιοκαύσιμο.

Bιο-ΕΤΒΕ (αιθυλοτριτοβουτυλαιθέρας): ΕΤΒΕ ο οποίος παράγεται από βιοαιθανόλη.

Bιο-ΜΤΒΕ (μεθυλοτριτοβουτυλαιθέρας): καύσιμο το οποίο παράγεται από βιομεθανόλη.

Συνθετικά βιοκαύσιμα: συνθετικοί υδρογονάνθρακες ή μείγματα συνθετικών

υδρογονανθράκων που έχουν παραχθεί από βιομάζα.

Βιοϋδρογόνο: υδρογόνο το οποίο παράγεται από βιομάζα ή/και από βιοαποικοδομήσιμο

κλάσμα αποβλήτων για χρήση ως βιοκαύσιμο.

Καθαρά φυτικά έλαια: έλαια από ελαιούχα φυτά, παραγόμενα με συμπίεση, έκθλιψη ή

ανάλογες μεθόδους, φυσικά ή εξευγενισμένα αλλά μη χημικώς τροποποιημένα, όταν είναι

συμβατά με τον τύπο του οικείου κινητήρα και τις αντίστοιχες προϋποθέσεις όσον αφορά

τις εκπομπές.

Σχήμα 1.1: Η παγκόσμια παραγωγή βιοκαυσίμων την περίοδο 1990-2007 [http://www.peopleandplanet.net/doc.php?id=522&section=7]

4

1.3 Βιοαιθανόλη

Η βιοαιθανόλη είναι η αιθανόλη που παράγεται από βιομάζα και χρησιμοποιείται

κυρίως ως καύσιμο στα αυτοκίνητα, αλλά και στη βιομηχανία αλκοολούχων ποτών. Η

βιοαιθανόλη παράγεται κυρίως από τη ζύμωση των σακχάρων που περιέχονται στα φυτά,

με τη βοήθεια μικροοργανισμών, όπως ζύμες και βακτήρια. Τα σάκχαρα μπορεί να

προέρχονται από σακχαρούχα φυτά όπως το ζαχαροκάλαμο και τα ζαχαρότευτλα, από

αμυλούχα φυτά όπως ο αραβόσιτος και το σιτάρι, ή από κυτταρινούχες ενεργειακές

καλλιέργειες όπως η λεύκα, η ιτιά, ο μίσχανθος και το switchgrass. Επίσης, ως πρώτη ύλη

χρησιμοποιούνται και κυτταρινούχα υπολείμματα, όπως είναι τα στερεά δημοτικά

απόβλητα, τα γεωργικά και τα δασικά υπολείμματα.

Η βιοαιθανόλη από σακχαρούχες και αμυλούχες πρώτες ύλες καλείται βιοαιθανόλη

1ης γενιάς, της οποίας η τεχνολογία παραγωγής είναι ευρέως διαδεδομένη και εφαρμόζεται

σε πολλές χώρες. Ωστόσο, αυτά τα φυτά χρησιμοποιούνται και για την παραγωγή

τροφίμων, η οποία ανταγωνίζεται την παραγωγή της βιοαιθανόλης και περιορίζει την

ανάπτυξή της, καθώς δημιουργούνται ηθικά ζητήματα. Η βιοαιθανόλη από κυτταρινούχες

ύλες ονομάζεται βιοαιθανόλη 2ης γενιάς και αποτελεί σημαντική ελπίδα για το μέλλον,

διότι οι κυτταρινούχες πρώτες ύλες βρίσκονται σε μεγάλη αφθονία, κοστίζουν λιγότερο

και δεν χρησιμοποιούνται για διατροφικούς σκοπούς. Αυτή τη στιγμή η βιοαιθανόλη 2ης

γενιάς δεν παράγεται σε εμπορική κλίμακα, λόγω του περιοριστικού κόστους παραγωγής.

Αναμένεται όμως σύντομα να εισέλθει στην αγορά, καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται με

γοργούς ρυθμούς, και να δημιουργηθούν έτσι οι προϋποθέσεις σοβαρού ανταγωνισμού της

βιοαιθανόλης με τα ορυκτά καύσιμα.

Η.Π.Α. 52%

Βραζιλία 37%

Ευρωπαϊκή Ένωση 4%

Κίνα 3%

Άλλες χώρες 4%

Σχήμα 1.2: Κατανομή παγκόσμιας παραγωγής βιοαιθανόλης το 2008

5

1.3.1

Παγκόσμια παραγωγή βιοαιθανόλης

Το 2008 η παραγωγή βιοαιθανόλης ανήλθε στα 65,6 δισεκατομμύρια λίτρα, με το

52% της παραγωγής να ανήκει στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής. Οι Η.Π.Α.

χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη τον αραβόσιτο, δυνητικής απόδοσης 50 δισεκατ. λίτρων,

στο οποίο μπορούν να προστεθούν γεωργικά υπολείμματα, ξύλο, στερεά δημοτικά

απόβλητα και ενεργειακές καλλιέργειες, με μια δυνατότητα παγκόσμιας παραγωγής 300

δισεκατ. λίτρων, η οποία μπορεί να αντικαταστήσει τη χρήση ορυκτών καυσίμων περίπου

κατά 30% (Centi and van Santen 2007). Η δεύτερη μεγαλύτερη παραγωγός βιοαιθανόλης

ήταν η Βραζιλία, η οποία κατείχε το 37% της παγκόσμιας παραγωγής και χρησιμοποιεί ως

πρώτη ύλη το ζαχαροκάλαμο. Στην ευρωπαϊκή ένωση, η αιθανόλη καταναλώνεται στην

Ισπανία, τη Γαλλία, τη Γερμανία και τη Σουηδία. Η τελευταία μάλιστα, κατέχει τα

πρωτεία χρήσης της βιοαιθανόλης ως καύσιμο στην Ευρώπη, με τη λειτουργία 1200

πρατηρίων βιοαιθανόλης και έναν στόλο 116.000 αυτοκινήτων κινούμενων με αιθανόλη

(http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_fuel).

Πίνακας 1.1: Παγκόσμια παραγωγή βιοαιθανόλης το 2008 [http://www.ethanolrfa.org/industry/statistics/]

Χώρα Δισεκατομμύρια Λίτρα

Η.Π.Α. 34

Βραζιλία 24,5

Ευρωπαϊκή Ένωση 2,8

Κίνα 1,9

Καναδάς 0,9

Άλλες χώρες 0,49

Ταϊλάνδη 0,34

Κολομβία 0,3

Ινδία 0,25

Αυστραλία 0,1

Σύνολο 65,6

6

Σχήμα 1.3: Εκτίμηση παγκόσμιας παραγωγής καύσιμης, βιομηχανικής και πόσιμης βιοαιθανόλης για την περίοδο 1795-2010, σε εκατομμύρια λίτρα [http://www.distill.com/World-Fuel-Ethanol-A&O-2004.html]

1.3.2

Χρήση της βιοαιθανόλης ως καύσιμο στα αυτοκίνητα

Η πρώτη μεγάλης κλίμακας χρήση της αιθανόλης ως καύσιμο έγινε στις αρχές του

1900. Στην Αμερική, αυτοκίνητα όπως το μοντέλο T του Henry Ford και άλλα στις αρχές

του 1920, κινούνταν με αιθανόλη. Η αιθανόλη όμως δεν έμεινε για πολύ στο προσκήνιο,

αφού το φθηνό πετρέλαιο την αντικατέστησε πολύ γρήγορα. Η κατάσταση αυτή

διατηρήθηκε ως την πετρελαϊκή κρίση της δεκαετίας του 1970. Το 1975 η κυβέρνηση της

Βραζιλίας εισήγαγε το πρόγραμμα «Proalcool» που σκοπό είχε την αντικατάσταση της

βενζίνης με αλκοόλη και έτσι η αιθανόλη επανήλθε στο εμπορικό προσκήνιο. Κατά την

πρώτη δεκαετία παρήχθησαν πάνω από 50 δισεκατομμύρια λίτρα αιθανόλης, ενώ το 1989

το 40% των οχημάτων της Βραζιλίας χρησιμοποιούσαν αιθανόλη (95%) και το υπόλοιπο

60% μίγμα βενζίνης (78%) και αιθανόλης (Παπανικολάου 2006).

H αιθανόλη (ή αιθυλική αλκοόλη), με χημικό τύπο C2H5OH, είναι το δεύτερο μέλος

της σειράς των αλειφατικών αλκοολών. Είναι ένα εύφλεκτο, άχρωμο διαυγές υγρό, με

χαρακτηριστική οσμή, διαλυτό στο νερό και στους περισσότερους οργανικούς διαλύτες. Ο

οξυγονωμένος αυτός υδρογονάνθρακας έχει μοριακό βάρος 46,07, σημείο βρασμού τους

78,5 οC, σημείο πήξης τους -112 οC και πυκνότητα 0,789 g/ml στους 20 οC. Δεν εμφανίζει

ούτε όξινες, ούτε βασικές ιδιότητες. Είναι βιοαποικοδομήσιμη, χαμηλής τοξικότητας και

7

προκαλεί πολύ μικρή περιβαλλοντική μόλυνση αν χυθεί στο περιβάλλον. Κατά την τέλεια

καύση της αιθανόλης παράγονται διοξείδιο του άνθρακα, νερό και μία μπλε φλόγα χωρίς

υπολείμματα και με σημαντική απόδοση ενέργειας (Παπανικολάου 2006).

Εικόνα 1.1: Το μοντέλο FORD T [http://gregssketch.blogspot.com]

Εικόνα 1.2: Όχημα ευέλικτου καυσίμου (Flex Fuel

Vehicle) [http://green.autoblog.com]

Η αιθανόλη είναι ένα καύσιμο υψηλού αριθμού οκτανίων και μπορεί να

χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο αύξησης του αριθμού οκτανίου της βενζίνης. Με τη ανάμιξή

της με τη βενζίνη επιτυγχάνουμε επίσης τον εμπλουτισμού του καυσίμου μίγματος σε

οξυγόνο, με αποτέλεσμα μια πιο ολοκληρωμένη καύση, άρα και μειωμένες εκπομπές

επικίνδυνων καυσαερίων.

Η αιθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κάυσιμο με τρεις τρόπους (Παπανικολάου 2006)

• Ως μείγμα με την βενζίνη σε ποσοστά 5-85%. Τα μείγματα που περιέχουν μικρές

συγκεντρώσεις αιθανόλης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε όλα τα αυτοκίνητα, χωρίς

καμία τροποποίηση στις μηχανές. Αντίθετα τα μείγματα με υψηλή συγκέντρωση

αιθανόλης χρησιμοποιούνται σε οχήματα με τροποποιημένες μηχανές που ονομάζονται

flexible fuel vehicles (FFV). Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται άνυδρη αιθανόλη.

Στα μείγματα αυτά η αιθανόλη δρα σαν ενισχυτής του αριθμού των οκτανίων και

αντικαθιστά διάφορα άλλα πρόσθετα όπως τον μόλυβδο. Τα πια γνωστά μίγματα είναι

το Ε85 (με 85% αιθανόλη και 15% βενζίνη), το Ε25 (με 25% αιθανόλη και 75%

βενζίνη) και το Ε10 (με 10% αιθανόλη και 90% βενζίνη). Το 2005, ο στόλος

αυτοκινήτων της Βραζιλίας αποτελούνταν από 16 εκατ. οχήματα που

χρησιμοποιούσαν μείγμα Ε25 και 2,3 εκατ. οχήματα που κινούνταν με καθαρή

αιθανόλη, ενώ κανένα όχημα δεν χρησιμοποιούσε καθαρή βενζίνη.

• Μόνη της σε καθαρή μορφή, σε ειδικά σχεδιασμένες μηχανές. Σε αυτή την περίπτωση

χρησιμοποιείται ένυδρη αιθανόλη.

8

• Εμμέσως, με την τροποποίηση της σε τριτοταγή βουτυλαιθέρα (ethyl tertio butyl ether

– ΕΤΒΕ), ο οποίος χρησιμοποιείται ως πρόσθετο στα συμβατικά καύσιμα.

1.3.3

Πλεονεκτήματα της βιοαιθανόλης

Η αιθανόλη ως καύσιμο έχει πολλά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών καυσίμων, με

κυριότερο ίσως την μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Πιο συγκεκριμένα, τα

πλεονεκτήματα της είναι (Παπανικολάου 2006):

Είναι μη ορυκτό καύσιμο του οποίου η παρασκευή και η καύση δεν αυξάνουν το

φαινόμενο του θερμοκηπίου.

Είναι βιοαποικοδομήσιμη, μη τοξική και διαλυτή στο νερό, με αποτέλεσμα να μην

προκαλεί αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον σε περίπτωση διαρροής.

Η χρήση της μπορεί να μειώσει σημαντικά τις εκπομπές CO2, αφού η παραγωγή της

μέσω της ζύμωσης της βιομάζας, αποτελεί μέρος του κύκλου του άνθρακα

Η υψηλή περιεκτικότητα της σε οξυγόνο, μειώνει τα επίπεδα του μονοξειδίου του

άνθρακα και μάλιστα σε μεγαλύτερο ποσοστό από οποιοδήποτε άλλον οξυγονοποιητή.

Εκτιμάται πως η μείωση είναι της τάξεως του 25 – 30 %. Στην Αγγλία εκτιμάται πως η

μείωση των εκπομπών των οξειδίων του άνθρακα με τη χρήση βιοαιθανόλης σε

ποσοστό 5 %, ισοδυναμεί με την απομάκρυνση από την κυκλοφορία 1000000

αυτοκινήτων.

Με τη χρήση μειγμάτων αιθανόλης μειώνονται δραστικά οι εκπομπές

υδρογονανθράκων, οι οποίοι αποτελούν μία από τις κύριες αιτίες για τη μείωση του

στρώματος του όζοντος

Τα υψηλής συγκέντρωσης αιθανόλης μείγματα μειώνουν τις εκπομπές μονοξειδίου του

αζώτου σε ποσοστό μεγαλύτερο του 20%.

Τα υψηλής συγκέντρωσης αιθανόλης μίγματα μπορούν να μειώσουν κατά 30 % τις

εκπομπές των πτητικών οργανικών συστατικών (Volatile Organic Compounds -

VOCs).

Σαν ενισχυτής των αριθμών οκτανίων, μπορεί να μειώσει κατά 50% ή και

περισσότερο, τις εκπομπές του βενζενίου και του βουταδιενίου, τα οποία είναι

καρκινογόνα.

Μειώνει επίσης σημαντικά τις εκπομπές του διοξειδίου του θείου αλλά και της

σωματιδιακής ουσίας (Particulate matter), καθώς η περιεκτικότητά της σε S είναι

χαμηλή εώς μηδενική.

9

Σαν ενισχυτής του αριθμού οκτανίων αντικαθιστά άλλα επιβλαβή πρόσθετα, όπως τον

μόλυβδο.

Σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα των οποίων τα αποθέματα είναι πεπερασμένα, η

αιθανόλη είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, αφού προέρχεται από τη βιομάζα

Αυξάνει των αριθμό των οκτανίων της βενζίνης με μικρό κόστος.

Η μηχανή αποδίδει καλύτερα, γίνεται υψηλότερη συμπίεση και το σύστημα καύσης

είναι καθαρότερο.

Μειώνεται η εξάρτηση των κρατών από το πετρέλαιο.

Δημιουργούνται νέες προοπτικές απασχόλησης στον γεωργικό τομέα, καθώς ανοίγει ο

δρόμος για τις ενεργειακές καλλιέργειες όπως του ζαχαροκάλαμου, του σόργου κ.ά.

Παράγεται εύκολα ακόμα και σε οικογενειακή κλίμακα και αποδίδει 34% περισσότερη

ενέργεια από αυτή που απαιτείται για την παραγωγή της.

1.3.4

Μειονεκτήματα της βιοαιθανόλης

Αν και η χρήση της καύσιμης αιθανόλης συγκεντρώνει σημαντικά πλεονεκτήματα,

υπάρχει και η αντίθετη άποψη που θεωρεί πως η χρήση της δεν θα λειτουργήσει θετικά.

Πιο συγκεκριμένα (Παπανικολάου 2006):

Διατυπώνεται η άποψη ότι είναι πιο σημαντικό να χρησιμοποιηθεί η βιομάζα ως τροφή

για να αντιμετωπιστεί η παγκόσμια πείνα, παρά να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για

την παραγωγή αιθανόλης.

Το ενεργειακό περιεχόμενο της αιθανόλης, ισοδυναμεί με τα 2/3 του αντίστοιχου της

βενζίνης. Συνεπώς χρειάζεται περισσότερη αιθανόλη για να καλυφθεί η ίδια απόσταση

από ένα όχημα

Το κόστος παραγωγής της αιθανόλης είναι ακόμα υψηλότερο από της βενζίνης.

Η αιθανόλη μπορεί να μπλοκάρει ή ακόμη και να καταστρέψει τμήματα του

συστήματος καυσίμων σε ορισμένα οχήματα και να σταματήσει τη ροή του μείγματος

καυσίμου, ειδικότερα σε ζεστές καιρικές συνθήκες.

Πιστεύεται πως η μείωση των εκπομπών δεν είναι σημαντική και ελάχιστα

συνεισφέρει στη βελτίωση της κατάστασης του περιβάλλοντος.

Οι παραγωγοί των υπόλοιπων καυσίμων εναντιώνονται στην παροχή ιδιαίτερων

κινήτρων στην βιομηχανία της βιοαιθανόλης

Απαιτείται κρατική στήριξη και ενίσχυση, ενημέρωση του κοινού και απεμπλοκή από

την πολιτική.

10

2. ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ

2.1 Εισαγωγή

Η βιοαιθανόλη μπορεί να παραχθεί από διάφορους τύπους βιομάζας,

χαρακτηριστικό των οποίων είναι η υψηλή περιεκτικότητα σε σάκχαρα ή ουσίες οι οποίες

μπορούν να μετατραπούν σε σάκχαρα, όπως το άμυλο και η κυτταρίνη. Συνεπώς,

διακρίνουμε τρεις βασικές κατηγορίες πρώτων υλών παραγωγής της βιοαιθανόλης

(Βουρδουμπάς 2002):

Σακχαρούχες ύλες

Αμυλούχες ύλες

Κυτταρινούχες ύλες

Στην κατηγορία των σακχαρούχων υλών ανήκουν φυτά όπως το ζαχαροκάλαμο, το

ζαχαρότευτλο και το γλυκό σόργο, τα οποία περιέχουν υψηλά ποσοστά σακχάρων, τα

οποία μπορούν πολύ εύκολα να μετατραπούν σε βιοαιθανόλη μέσω αλκοολικής ζύμωσης

με τη βοήθεια μικροοργανισμών. Η Βραζιλία έχει αναπτύξει ένα επιτυχημένο πρόγραμμα

παραγωγής βιοαιθανόλης από ζαχαροκάλαμο, ενώ το ζαχαρότευτλο χρησιμοποιείται στην

Ευρώπη, με πρωτοπόρο τη Γαλλία. Επίσης σε αυτήν την κατηγορία ανήκει και η μελάσσα,

που είναι παραπροϊόν της παρασκευής ζάχαρης από ζαχαροκάλαμο και ζαχαρότευτλο, και

περιέχει σημαντικά ποσά σακχαρόζης, γλυκόζης και φρουκτόζης. Η μελάσσα είναι η κύρια

πρώτη ύλη παραγωγής βιοαιθανόλης στην Ινδία (Pandey 2009).

Ο αραβόσιτος, το σιτάρι, η σίκαλη, το κριθάρι και άλλα δημητριακά είναι τυπικά

παραδείγματα πρώτων υλών που περιέχουν άμυλο στους σπόρους τους. Το άμυλο μπορεί

να μετατραπεί σχετικά εύκολα σε σάκχαρα και κατόπιν σε αιθανόλη. Στην Αμερική και

την Ευρώπη η αιθανόλη παράγεται κυρίως από αραβόσιτο και σιτηρά. Άλλα αμυλούχα

φυτά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή αιθανόλης είναι το σόργο, η κασάβα και οι

πατάτες. Πρόσφατες έρευνες περιλαμβάνουν την παραγωγή βιοαιθανόλης από πατάτες και

υπολείμματα πατάτας από τη βιομηχανία τροφίμων.

Εφόσον η αιθανόλη που παράγεται από σακχαρούχα και αμυλούχα φυτά είναι άμεσα

διαθέσιμη σήμερα, αυτές οι πρώτες ύλες ονομάζονται και ύλες πρώτης γενιάς.

Χαρακτηριστικό τους είναι το γεγονός ότι μόνο μέρη των φυτών (άμυλο, σάκχαρα)

11

χρησιμοποιούνται για την παραγωγή βιοκαυσίμου. Η βιοαιθανόλη που παράγεται από

αυτού του τύπου ενεργειακά φυτά, χαρακτηρίζεται ως βιοαιθανόλη πρώτης γενιάς.

Η βιοαιθανόλη που παράγεται από λιγνοκυτταρινούχες ύλες ονομάζεται

βιοαιθανόλη δεύτερης γενιάς. Η παραγωγή βασίζεται στην αξιοποίηση της κυτταρίνης

και της ημικυτταρίνης, οι οποίες μπορούν να μετατραπούν σε απλά σάκχαρα, αν και με

μεγαλύτερη δυσκολία σε σχέση με την αντίστοιχη μετατροπή του αμύλου. Η τεχνολογία

αυτή δεν εφαρμόζεται ακόμη σε εμπορική κλίμακα καθώς το κόστος είναι μεγάλο

συγκριτικά με την παραγωγή βιοαιθανόλης πρώτης γενιάς, αλλά αποτελεί αντικείμενο

έντονης έρευνας. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει τη χρησιμοποίηση σχεδόν ολόκληρου του

φυτού για την παραγωγή βιοαιθανόλης, και όχι μόνο μέρη των φυτών (κόκκους, βολβούς,

καλάμια). Στις κυτταρινούχες ύλες ανήκουν τα υπολείμματα γεωργικών καλλιεργειών, τα

δασικά υπολείμματα, τα στερεά δημοτικά απόβλητα, τα υπολείμματα από τη βιομηχανία

χαρτιού, καθώς και ενεργειακά φυτά (Rutz and Janssen 2007).

12

Σχήμα 2.1: Βασικές κατηγορίες και παραδείγματα πρώτων υλών για την παραγωγή βιοαιθανόλης (Rutz and Janssen 2007).

Σακχαρούχα

Ζαχαρότευτλα

Ζαχαροκάλαμο

Γλυκό Σόργο

Μελάσσα

Αμυλούχα

Αραβόσιτος

Σιτάρι

Κριθάρι

Σίκαλη

Σπόροι Σόργου

Πατάτα

Κασάβα

Κυτταρινούχα

Δασικά Υπολείμματα

Ενεργειακά Φυτά

Στερεά Δημοτικά Απόβλητα

Υπολείμματα Χαρτιού

Γεωργικά Υπολείμματα

Ιτιά

Λεύκα

switchgrass

Άχυρο

Βαγάσση

Υπολείμματα Καλλιέργειας Καλαμποκιού

13

2.2 Σακχαρούχα Φυτά 2.2.1

Ζαχαρότευτλα (Beta vulgaris L.)

Το ζαχαρότευτλο ανήκει στην υποοικογένεια Chenopodiaceae και στην οικογένεια

των Amaranthaceae. Είναι ένας διετής τύπος τεύτλου οι ρίζες του οποίου περιέχουν υψηλή

συγκέντρωση σακχαρόζης, κάνοντάς το τη δεύτερη πιο σημαντική πηγή σακχάρων μετά

το ζαχαροκάλαμο. Οι μεγαλύτεροι παραγωγοί ζαχαρότευτλου παγκοσμίως είναι η Γαλλία,

οι Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής, η Ρωσσία και η Γερμανία (32, 31, 29 και 26 εκατ. τόνοι

αντίστοιχα, για το 2007). Η συνολική παγκόσμια παραγωγή το έτος 2007 ήταν 248

εκατομμύρια τόνοι, καλλιεργούμενη σε 53 εκατ. στρέμματα. Από αυτά, 18 εκατ.

στρέμματα καλλιεργήθηκαν στην Ευρωπαϊκή Ένωση και 5 εκατ. στρέμματα στις Η.Π.Α.

(FAOSTAT 2009). Η μέση απόδοση της παραγωγής ζαχαρότευτλων στην Ελλάδα

ανέρχεται στους 6 τόνους ανά στρέμμα, που είναι από τις υψηλότερες στην Ευρώπη, ενώ η

παραγωγή για το 2007 ήταν 860.000 τόνοι από καλλιέργεια 140.000 στρεμμάτων.

Το ζαχαρότευτλο καλλιεργείται εμπορικά σε μια μεγάλη ποικιλία εύκρατων

κλιμάτων. Κατά την ανάπτυξή του παράγεται μια μεγάλη (1-2 kg) ρίζα η οποία περιέχει

15-20% σακχαρόζη, επί χλωρού βάρους. Η σακχαρόζη και άλλες θρεπτικές ουσίες

καταναλώνονται ωστέ να παραχθούν τα άνθη και οι σπόροι του φυτού, εφόσον δεν

θεριστεί τον πρώτο χρόνο. Στην εμπορική παραγωγή ζαχαρότευτλου, η ρίζα θερίζεται την

πρώτη εποχή, κατά την οποία αποκτά το μέγιστο μέγεθός της. Στα περισσότερα εύκρατα

κλίματα τα ζαχαρότευτλα φυτεύονται την άνοιξη και θερίζονται το φθινόπωρο. Μια

περίοδος 100 ημερών καλλιέργειας αρκεί για να παραχθεί μια εμπορικώς βιώσιμη σοδειά

ζαχαρότευτλων. Στα πιο θερμά κλίματα τα ζαχαρότευτλα μπορούν να καλλιεργηθούν το

χειμώνα, φυτεύοντάς τα το φθινόπωρο και θερίζοντάς τα την άνοιξη.

Ο θερισμός των ζαχαρότευτλων γίνεται εξ’ολοκλήρου με μηχανικά μέσα. Η

θεριστική μηχανή κόβει το πάνω –μη σακχαρούχο- μέρος του φυτού. Στη συνέχεια

συλλέγει τη ρίζα από το έδαφος ενώ συγχρόνως αφαιρεί από αυτήν το περίσσιο χώμα. Μια

μηχανή μπορεί να καλύψει ταυτόχρονα 6 σειρές. Οι ρίζες αφήνονται συνήθως στο χωράφι

σε στοίβες και κατόπιν παραδίδονται στο εργοστάσιο, όπου δεν πρέπει να αποθηκεύονται

για πολύ καιρό, καθώς έτσι μεταβάλλονται τα μόρια της σακχαρόζης και υποβαθμίζεται

ποιοτικά σαν πρώτη ύλη.

Το ζαχαρότευτλο μπορεί να καλλιεργηθεί μόνον κάθε τρία χρόνια στο ίδιο χωράφι

λόγω της επιβίωσης ζιζάνιων στο έδαφος. Οι σοδειές εξαρτώνται άμεσα από τις κλιματικές

14

συνθήκες. Γενικώς οι σοδειές είναι ικανοποιητικές σε πολλά εύκρατα κλίματα, αλλά και

σε τροπικά, καθώς το ζαχαρότευτλο είναι ένα φυτό που αντέχει στη ζέστη. Άλλο

χαρακτηριστικό του ζαχαρότευτλου είναι η αντοχή του στην αλατότητα και στην ξηρασία

σε σύγκριση με άλλα φυτά. Το γεγονός αυτό το κάνει ιδιαίτερα προσαρμόσιμο στις

κλιματικές αλλαγές (Streibig et al. 2009). Παρόλα αυτά, η καλλιέργεια ζαχαρότευτλων

είναι πιο ενεργοβόρος και πιο απαιτητική σε χημικά και κατ’επέκταση πιο ακριβή, σε

σύγκριση με το ζαχαροκάλαμο.

Το ζαχαρότευτλο καλλιεργείται κυρίως για την κάλυψη των αναγκών του

πληθυσμού σε διατροφή και άλλα προϊόντα, καθώς και για την παραγωγή ζωοτροφών.

Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται και σαν πρώτη ύλη για την παραγωγή

βιοαιθανόλης. Η Γαλλία είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός βιοαιθανόλης από ζαχαρότευτλα

στον κόσμο. Το 2003, το 80% (62.000 τόνοι) της παραγόμενης βιοαιθανόλης στη Γαλλία

προήλθε από ζαχαρότευτλα και το υπόλοιπο από άλλα δημητριακά φυτά.

Από ένα στρέμμα ζαχαρότευτλα παράγονται 900 kg σακχάρου και περίπου 500

λίτρα αιθανόλης. Ο λόγος της παραγόμενης ενέργειας από τη βιοαιθανόλη προς την

καταναλισκόμενη ενέργεια για την παραγωγή της από ζαχαρότευτλο ισούται με 1,76,

απόδοση που υπερβαίνει την αντίστοιχη του σιταριού και του καλαμποκιού (ΚΑΠΕ 2006,

Rutz and Janssen 2007, FAO 2008, Βερύκιος 2005).

Εικόνα 2.1: Ρίζες ζαχαρότευτλων [http://www.statesymbolsusa.org/Utah/hist_veg_sugarbeet.html]

Εικόνα 2.2: Τεμαχισμένο ζαχαροκάλαμο [http://www.rechargenews.com/energy/biofuels/article171745.ece]

15

2.2.2

Ζαχαροκάλαμο (Saccharum sp.)

Το ζαχαροκάλαμο είναι ένα γένος από 37 είδη πολυετών φυτών και ανήκει στην

οικογένεια Poaceae. Ευδοκιμεί σε θερμά εύκρατα και τροπικά κλίματα. Όλα τα είδη

αναπαράγονται με διασταύρωση και τα κυριότερα εμπορικά είδη είναι πολύπλοκα υβρίδια.

Το ζαχαροκάλαμο προέρχεται από την τροπική Νοτιοανατολική Ασία. Το φυτό διαθέτει

ανθεκτικά, αρθρωτά καλάμια ύψους 2-6 μέτρων, πλούσια σε χυμό σακχάρων. Σήμερα,

περίπου 195 χώρες καλλιεργούν το ζαχαροκάλαμο, ενώ η Βραζιλία είναι ο μεγαλύτερος

παραγωγός (514 εκατ. τόνοι το 2007), με την Ινδία και την Κίνα να ακολουθούν

(FAOSTAT 2009). Το ζαχαροκάλαμο είναι μία από τις σημαντικότερες πρώτες ύλες για

την παραγωγή βιοαιθανόλης, καθώς από αυτό προέρχεται το 40% της συνολικής

παγκόσμιας παραγωγής. Επίσης, το ζαχαροκάλαμο χρησιμοποιείται για την παραγωγή

ζάχαρης, μελάσας και ρουμιού.

Η καλλιέργεια του ζαχαροκάλαμου απαιτεί τροπικό ή υποτροπικό κλίμα, με

ελάχιστη ετήσια βροχόπτωση 600-850 mm. Το ζαχαροκάλαμο έχει μεγάλη φωτοσυνθετική

απόδοση και μπορεί να μετατρέψει έως και 2% της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας σε

βιομάζα. Στα πιο πρόσφορα εδάφη μπορεί να παράγει μέχρι και 20 kg για κάθε

τετραγωνικό μέτρο εκτιθέμενο στον ήλιο.

Το ζαχαροκάλαμο αναπαράγεται κυρίως μέσω του κλαδέματος, παρά από σπόρους.

Αφού φυτευτεί, ένα καλάμι μπορεί να θεριστεί αρκετές φορές, καθώς θα αναπτύσσονται

συνεχώς νέοι βλαστοί. Συνήθως, κάθε διαδοχικός θερισμός αποδίδει λιγότερο, και τελικά

είναι απαραίτητη η επαναφύτευση. Αναλόγως με τις διάφορες γεωργικές μεθόδους,

υπάρχει δυνατότητα 2 εώς 10 θερισμών ανάμεσα στις φυτεύσεις.

Το ζαχαροκάλαμο θερίζεται με τη χρήση κομπίνας και άλλων θεριστικών μηχανών,

αν και παραπάνω από τη μισή παγκόσμια παραγωγή, θερίζεται ακόμη με χειροκίνητα

μέσα, κυρίως στις αναπτυσσόμενες χώρες. Κατά το θερισμό με το χέρι, το χωράφι πρώτα

καίγεται, ώστε να καούν τα ξερά φύλλα, αφήνοντας όμως τα καλάμια και τις ρίζες άθικτα.

Αφού το καλάμι κοπεί, αμέσως τα μόρια της σακχαρόζης αρχίζουν να μεταβάλλονται

(Rutz and Janssen 2007).

Από ένα στρέμμα ζαχαροκάλαμου παράγονται περίπου 550 λίτρα βιοαιθανόλης. Η

ενεργειακή απόδοση κυμαίνεται από 2 έως 8 (FAO 2008).

16

2.2.3

σύγκριση με άλλα ενεργειακά φυτά. Για παράδειγμα, η καλλιέργειά του απαιτεί το ένα

τρίτο της ποσότητας του νερού που απαιτείται για την καλλιέργεια ζαχαροκάλαμου και

περίπου τη μισή ποσότητα νερού και λιπάσματος για την καλλιέργεια καλαμποκιού.

Επιπλέον, το σόργο μπορεί να φυτρώσει σε αλατούχα και αλκαλικά εδάφη, ενώ το γεγονός

ότι οι σπόροι του δεν χρησιμοποιούνται στην παραγωγή βιοαιθανόλης -παρά μόνον τα

στελέχη του- δεν επηρεάζει τις τιμές των τροφίμων, όπως συμβαίνει με το καλαμπόκι και

το ζαχαροκάλαμο. Τέλος, η καλλιέργειά του και η παραγωγή βιοαιθανόλης από αυτό,

κοστίζει λιγότερο (agribusinessweek.com).

Γλυκό Σόργο (Sorghum bicolor L. Moench)

Εκτός από τα στελέχη του γλυκού σόργου, αξία έχουν και τα υπόλοιπα μέρη του

φυτού: οι σπόροι του γλυκού σόργου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τροφή, τα φύλλα

ως ζωοτροφή, και οι ίνες (κυτταρίνη) είτε ως υλικό εδαφοκάλυψης, είτε ως ζωοτροφή, είτε

–με τεχνολογία δεύτερης γενιάς- ως πρώτη ύλη παραγωγής βιοαιθανόλης. Επίσης, μετά

την εξαγωγή των σακχάρων από τα στελέχη, μένουν μεγάλες ποσότητες υπολείμματος

(βαγάσση), υψηλής θερμογόνου δύναμης, οι οποίες μπορούν να καλύψουν τις ενεργειακές

ανάγκες, τόσο της παραγωγής, όσο και της μετατροπής του σόργου σε αιθανόλη. Η

βαγάσση που προκύπτει από την κατεργασία του γλυκού σόργου έχει μεγαλύτερη

Το γλυκό σόργο ανήκει στην

οικογένεια Poaceae και ευδοκιμεί σε

περιοχές με τροπικό, υποτροπικό και

εύκρατο κλίμα. Το ύψος του μπορεί να

φτάσει τα 4 μέτρα. Έχει σχετικά μικρή

περίοδο ανάπτυξης (3-5 μήνες) και μπορεί να

θεριστεί 1-3 φορές το χρόνο. Το γλυκό σόργο

χαρακτηρίζεται από μεγάλη φωτοσυνθετική

ικανότητα, υψηλή απόδοση σε βιομάζα και

μεγάλη περιεκτικότητα σε διαλυτά σάκχαρα

και κυτταρίνη, ενώ έχει σχετικά χαμηλές

απαιτήσεις σε άρδευση, λίπανση και

ζιζανιοκτόνα. Επίσης αντέχει στη ζέστη,

στην ξηρασία, στην πλημμύρα, στις

ασθένειες και στα ζιζάνια. Επομένως, το

γλυκό σόργο υπερτερεί σε πολλούς τομείς σε

Εικόνα 2.3: Γλυκό Σόργο [http://thefraserdomain.typepad.com/energy /2007/06/biofuels_from_s.html]

17

βιολογική αξία από τη βαγάσση του ζαχαροκάλαμου, όταν αυτή χρησιμοποιηθεί ως

ζωοτροφή, καθώς είναι πλούσια σε μέταλλα και ιχνοστοιχεία (Belum V S Reddy et al.

2007).

Στην Ευρώπη έχουν εξεταστεί πολλές ποικιλίες (Keller, Wray, Mn1500 κ.ά.). Οι

αποδόσεις τους ποικίλουν ανάλογα με την περιοχή, τις κλιματικές συνθήκες, τη

γονιμότητα του εδάφους και τις καλλιεργητικές τεχνικές που εφαρμόζονται. Το χλωρό

βάρος κυμαίνεται από 8-10 τόννους/στρέμμα στη Γερμανία, 9 τόννους/στρέμμα στην

Ισπανία, ενώ στην Ελλάδα μπορεί να φτάσει μέχρι και 14 τόννους/στρέμμα. Η

περιεκτικότητα σε σάκχαρα ποικίλει από 9 εώς 21 % επί χλωρού βάρους. Οι αποδόσεις με

βάση την παραγωγή φτάνουν τους 1,2 τόννους/στρέμμα. Σύμφωνα με πειραματικά

δεδομένα, από ένα στρέμμα γλυκού σόργου μπορούν να παραχθούν από 700 εώς 900

λίτρα βιοαιθανόλης (ΚΑΠΕ 2006). Η ενεργειακή απόδοση ισούται περίπου με 8, ίδια

σχεδόν με αυτήν του ζαχαροκάλαμου και περίπου 4 εώς 5 φορές υψηλότερη από αυτήν

του καλαμποκιού στις Η.Π.Α. (Belum V S Reddy et al. 2007).

2.3 Αμυλούχα Φυτά

2.3.1

Αραβόσιτος (Zea Mays L.)

Η παγκόσμια παραγωγή αραβοσίτου το έτος 2007 άγγιξε τα 784 εκατ. τόνους,

καλλιεργούμενη σε 1,578 δισεκατομμύρια στρέμματα. Από αυτά, 350 εκατ. στρέμματα

καλλιεργήθηκαν στις Η.Π.Α. και 80 εκατ. στρέμματα στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Οι

μεγαλύτεροι παραγωγοί παγκοσμίως είναι οι Η.Π.Α., η Κίνα και η Βραζιλία. Στην Ελλάδα

καλλιεργήθηκαν 2 εκατ. στρέμματα και παράχθηκαν 1,7 εκατ. τόνοι (FAOSTAT 2009). Οι

ελληνικές μέσες αποδόσεις αραβοσίτου κυμαίνονται από 600 ως 1800 κιλά/στρέμμα. Οι

αντίστοιχες αποδόσεις σε σπόρο είναι 35-50% του συνολικού βάρους του υπέργειου

τμήματος του φυτού (ΚΑΠΕ 2006). Την τελευταία δεκαπενταετία ο αραβόσιτος

χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοαιθανόλης, με κυριότερη παραγωγό

χώρα τις Η.Π.Α, όπου λειτουργούν 170 εργοστάσια συνολικής απόδοσης 40

δισεκατομμυρίων λίτρων το χρόνο, ενώ άλλα 20 εργοστάσια είναι υπό κατασκευή (RFA

2009). Από ένα στρέμμα αραβόσιτου μπορούν να παραχθούν 240 με 360 λίτρα

βιοαιθανόλης (ΚΑΠΕ 2006), ενώ η ενεργειακή απόδοση ισούται περίπου με 1,5 (WWI

2006).

18

Εικόνα 2.4: Αραβόσιτος

[http://en.wikipedia.org/wiki/Maize]

Εικόνα 2.5: Σιτάρι

[http://fooddemocracy.wordpress.com]

2.3.2 Σιτάρι – Κριθάρι

Το σιτάρι (Triticum aestivum L.) και το κριθάρι (Hordeum sativum/Vulgare L.) είναι

ετήσια φυτά, τα οποία ανήκουν στην οικογένεια των δημητριακών (Graminae). Το σιτάρι

θεωρείται παγκοσμίως ως το σημαντικότερο φυτό μεταξύ των άλλων δημητριακών, με

συνολική παραγωγή 607 εκατομμυρίων τόνων το 2007, καλλιεργούμενη σε έκταση 2,17

δισεκατομμυρίων στρεμμάτων. Οι μεγαλύτεροι παραγωγοί σιταριού είναι η Ευρωπαϊκή

Ένωση και η Κίνα με 121 και 110 εκατ. τόνους αντιστοίχως για το έτος 2007.

Το κριθάρι χρησιμοποιείται κυρίως σαν ζωοτροφή και στην παραγωγή αλκοολούχων

ποτών. Η συνολική παγκόσμια παραγωγή κριθαριού το 2007 ήταν 136 εκατ. τόνοι, ενώ η

Ευρωπαϊκή Ένωση παρήγαγε 58 εκατ. τόνους. Η παραγωγή σιταριού στην Ελλάδα το

2007 ήταν 1,4 εκατ. τόνοι, καλλιεργούμενη σε έκταση 6,3 εκατ. στρεμμάτων. Σύμφωνα με

το Ινστιτούτο Σιτηρών Θεσσαλονίκης οι αποδόσεις σκληρού σιταριού στην Ελλάδα

κυμαίνονται από 150-800 κιλά ανά στρέμμα και οι αντίστοιχες του μαλακού σιταριού σε

200- 900 κιλά ανά στρέμμα. Αντίστοιχα, η παραγωγή κριθαριού ήταν 264 χιλιάδες τόνοι,

καλλιεργούμενη σε έκταση 1,15 εκατ. στρεμμάτων, με μέση απόδοση 150-700

κιλά/στρέμμα (FAOSTAT 2009, ΚΑΠΕ 2006). Από ένα στρέμμα σιτάρι παράγεται κατά

19

μέσο όρο 150-800 κιλά σπόρος και 45-240 λίτρα βιοαιθανόλης (ΚΑΠΕ 2006). Η

ενεργειακή απόδοση είναι περίπου ίση με 2 (WWI 2006).

2.3.3 Πατάτα

Η πατάτα (Solanum tuberosum) είναι ένα πολυετές φυτό και ανήκει στην οικογένεια

Σολανίδες Solanaceae). Η προέλευσή της είναι Νοτιο-αμερικανική και έγινε γνωστή στον

υπόλοιπο κόσμο μετά την επαφή των Ευρωπαίων με την αμερικανική ήπειρο τα τέλη του

1400 με αρχές του 1500. Αποτελεί την τέταρτη μεγαλύτερη καλλιέργεια βασικών

τροφίμων στον κόσμο, μετά το ρύζι, το σιτάρι και το καλαμπόκι. Οι μεγαλύτεροι

παραγωγοί πατάτας είναι η Κίνα, η Ρωσσία, η Ινδία, η Ουκρανία, οι Η.Π.Α., η Γερμανία

και η Πολωνία. Η πατάτα είναι ένα κηπευτικό που αποτελείται από 80% νερό και 20%

περίπου ξηρή ουσία. Συγκεκριμένα στα 100 γραμμάρια περιέχει 18 γραμ. υδατάνθρακες, 2

γραμ. πρωτεΐνη, 1-3 γραμμάρια φυτικές ίνες και πολλά άλλα στοιχεία.

Τα τελευταία χρόνια αναπτύσσεται η παραγωγή βιοαιθανόλης από υπολείμματα

πατάτας που είναι παραπροϊόν της βιομηχανίας τροφίμων. Για παράδειγμα στη Φινλανδία

λειτουργεί εργοστάσιο που χρησιμοποιεί 1500 τόνους πατάτας κάθε χρόνο για την

παραγωγή βιοαιθανόλης. Πειραματικές μελέτες έχουν δείξει ότι από 100 γραμμάρια

πατάτας (ξηρό βάρος) παράγονται κατά μέσο όρο 7,6 γραμμάρια βιοαιθανόλης (Henrikki

Liimatainen et al. 2004).

Η ενεργειακή απόδοση από την παραγωγή βιοαιθανόλης από πατάτα ισούται με 1,7

(Βερύκιος 2005).

2.3.4

Κασάβα (Manihot esculenta)

Η κασάβα είναι ένας ξυλώδης θάμνος και ανήκει στην οικογένεια Euphorbiaceae.

Προέρχεται από τη Νότια Αμερική και καλλιεργείται ως πολυετές φυτό σε τροπικές και

υποτροπικές περιοχές, και ως ετήσιο σε περιοχές με εύκρατο κλίμα. Η κασάβα είναι η

τρίτη μεγαλύτερη πηγή υδατανθράκων για την ανθρώπινη διατροφή παγκοσμίως, με την

Αφρική, και συγκεκριμένα τη Νιγηρία, να είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός. Υπολογίζεται

ότι είναι η κύρια πηγή θερμίδων για ένα πληθυσμό 800 εκατομμυρίων σε όλο τον κόσμο,

συμπεριλαμβανομένων 250 εκατομμυρίων ανθρώπων στην υποσαχαρική Αφρική. Η

κασάβα μπορεί να αναπαραχθεί εύκολα, ενώ η ικανότητά της να παράγει σοδιές σε μια

ευρεία γκάμα περιβάλλοντων, υπό συνθήκες χαμηλής βροχόπτωσης και σε ‘φτωχά’ εδάφη,

20

την κάνει ένα εξαιρετικό διατροφικό φυτό. Η περιεκτικότητα της ρίζας σε άμυλο

κυμαίνεται από 20-36 % (επί χλωρού βάρους) (Hillocks et al. 2002, wikipedia.org).

Σε πολλές χώρες διεξάγεται

σημαντική έρευνα με σκοπό την

αξιοποίηση της κασάβας ως πρώτη ύλη

για την παραγωγή βιοαιθανόλης. Το

2007 ολοκληρώθηκε στο Beihai (Κίνα) η

κατασκευή του μεγαλύτερου

εργοστασίου παραγωγής βιοαιθανόλης

από κασάβα, με ετήσια απόδοση 200.000

τόνων αιθανόλης από 1,5 εκατομμύρια

τόνους κασάβας (chinadaily.com.cn

2008). Επίσης, το 2008 επενδύθηκαν

51,5 εκατ. δολλάρια για την κατασκευή

Εικόνα 2.6: Ρίζες Κασάβας [http://thailandtravel-

hotels.blogspot.com/2008/03/thai-vegetabel-cassava-root.html]

εργοστασίου στην Κίνα, με αναμενόμενη απόδοση 125 εκατ. λίτρων βιοαιθανόλης το

χρόνο, χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη κασάβα (businessgreen.com 2008).

Από καλλιέργεια ενός στρέμματος παράγονται 1,2 τόνοι κασάβας και 207 λίτρα

βιοαιθανόλης (FAO 2008). Η ενεργειακή απόδοση ισούται με 1,73 (Βερύκιος 2005).

2.4 Κυτταρινούχες πρώτες ύλες

2.4.1 Κυτταρινούχα υπολείμματα

Αναλόγως της προελεύσεώς τους, τα κυτταρινούχα υπολείμματα μπορούν να

χωριστούν σε πρωτογενή, δευτερογενή και τριτογενή.

Στα πρωτογενή κυτταρινούχα υπολείμματα ανήκουν τα υπολείμματα από το

θερισμό διαφόρων γεωργικών καλλιεργειών, όπως είναι το άχυρο από το σιτάρι, το ρύζι

και τα λοιπά δημητριακά, οι μίσχοι, τα φύλλα και η κορύνη του καλαμποκιού. Επίσης, σε

αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα δασικά υπολείμματα που προκύπτουν από την αραίωση

δασών, αλλά και απορριπτέο ξύλο από την υλοτομία. Αυτοί οι τύποι βιομάζας βρίσκονται

διαθέσιμοι στα χωράφια και στα δάση και πρέπει να συλλεχθούν για περαιτέρω χρήση, η

αφαίρεση δε μεγάλων ποσοτήτων οδηγεί μακροπρόθεσμα σε οικονομικές και

περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Τέτοιες επιπτώσεις είναι η ποιοτική υποβάθμιση και

διάβρωση του εδάφους και η μείωση του στοιχείου του άνθρακα στο έδαφος, που με τη

21

σειρά της οδηγεί σε μειωμένη παραγωγικότητα-κερδοφορία. Ωστόσο, ανάλογα με το είδος

του εδάφους, η απομάκρυνση του υλικού αυτού ως ένα βαθμό μπορεί να αποδειχθεί

ωφέλιμη.

Τα δευτερογενή κυτταρινούχα υπολείμματα προκύπτουν κατά την παραγωγή

τροφίμων και προϊόντων από ξυλώδη βιομάζα. Τυπικά παραδείγματα είναι οι φλοιοί

καρυδιών, η βαγάσση από ζαχαροκάλαμο ή γλυκό σόργο και το πριονίδι, τα οποία

διατίθενται σε βιομηχανίες τροφίμων και ποτών, καθώς και σε πριονιστήρια και

χαρτοποιεία.

Τα τριτογενή κυτταρινούχα υπολείμματα προέρχονται αφού ένα προϊόν από

βιομάζα έχει χρησιμοποιηθεί. Τέτοια υπολείμματα είναι τα οργανικά μέρη από τα στερεά

δημοτικά απόβλητα, ξυλώδης ύλη από μπάζα, χαρτί-χαρτόνι κ.ά. (Rutz and Janssen 2007).

Εικόνα 2.7: Πρωτογενή κυτταρινούχα υπολείμματα, όπως δασικά υπολείμματα (αριστερά) και γεωργικά υπολείμματα (δεξιά) (Rutz and Janssen 2007)

2.4.2 Κυτταρινούχες ενεργειακές καλλιέργειες

Στα ενεργειακά φυτά, που καλλιεργούνται ειδικά για την παραγωγή βιοαιθανόλης,

περιλαμβάνονται ταχυαυξή, μη διατροφικά φυτά με πολύ μεγάλη στρεμματική παραγωγή

βιομάζας όπως, μίσχανθος, switchgrass, λεύκα και ιτιά. Η καλλιέργεια αυτών των φυτών

έχει αρκετά πλεονεκτήματα. Κατ’αρχάς, η αλλαγή της χρήσης της γης, από εντατικές

ετήσιες καλλιέργειες σε καλλιέργεια πολυετών φυλλωδών ή ταχυαυξών ξυλωδών φυτών,

αυξάνει προοδευτικά την οργανική ύλη του εδάφους. Επίσης, οι ρίζες των πολυετών

φυτών προστατεύουν το έδαφος από τη διάβρωση. Τέλος, αυτές οι καλλιέργειες γενικά

απαιτούν λιγότερο λίπασμα, ζιζανιοκτόνα και μικρότερη κατανάλωση ενέργειας, εφόσον

δεν είναι απαραίτητο το όργωμα της γης κάθε χρόνο.

22

Στα ταχυαυξή ξυλώδη ενεργειακά φυτά ανήκουν τα δέντρα και οι θάμνοι της ιτιάς

(Salix sp.), τα οποία είναι πολύ παραγωγικά και μπορεί να επιτευχθεί μεγάλη απόδοση σε

βιομάζα μέσω του θερισμού των νεαρών βλαστών. Το φυτό αναγεννάται γρήγορα και

αναπτύσσονται νέοι βλαστοί και κλαδιά από τον κορμό του. Η ιτιά μπορεί να θερίζεται

κάθε 2-5 χρόνια για μία περίοδο 20-25 χρόνων. Έρευνες στη γενετική και την

αναπαραγωγή έχουν βελτιώσει δραματικά τις σοδειές. Στην Ευρώπη, μεγαλύτερη εμπειρία

στις φυτείες ιτιάς κατέχει η Σουηδία, όπου καλλιεργούνται περίπου 140.000 στρέμματα.

Εκτός από την ιτιά, καλλιεργούνται με τον ίδιο τρόπο υβριδικά είδη λεύκας, καθώς

έχουν παρόμοια ταχεία ανάπτυξη και απόδοση σε παραγωγή. Παράλληλα με την ιτιά και

τη λεύκα στην Ευρώπη, στις τροπικές περιοχές καλλιεργούνται φυτείες ευκάλυπτου

(Eucalyptus sp.) (Rutz and Janssen 2007).

Εικόνα 2.8: Φυτεία ιτιάς (αριστερά) και φύλλα λεύκας (δεξιά) (Rutz and Janssen 2007)

Στα πολυετή αγρωστώδη φυτά ανήκουν ο μίσχανθος και το switchgrass.

Ο μίσχανθος (Miscanthus x giganteus, Miscanthus sinensis, M. sacchariflorus) είναι

ένα ριζωματώδες φυτό, που κατάγεται από τις χώρες της νοτιο-ανατολικής Ασίας και

καλλιεργείται στην Ευρώπη εδώ και πολλά χρόνια ως καλλωπιστικό φυτό.

Χαρακτηρίζεται από σχετικά υψηλές αποδόσεις σε χλωρή και ξηρή ουσία, χαμηλή

περιεκτικότητα σε υγρασία και ανθεκτικότητα σε ασθένειες και παθογόνα. Επιπλέον

παρουσιάζει υψηλή αποτελεσματικότητα χρήσης νερού και νιτρικών. Στη νότια Ευρώπη

και ειδικά στην Ελλάδα, παρουσιάζει πολύ καλή προσαρμοστικότητα, έχει καλές

23

αποδόσεις και η περιεκτικότητά του σε υγρασία είναι σχετικά χαμηλή. Οι αποδόσεις του

μίσχανθου διαφοροποιούνται ανάλογα με την περιοχή και τις κλιματικές συνθήκες.

Γενικά, οι αποδόσεις αυξάνουν σημαντικά από το δεύτερο έτος μετά την εγκατάσταση.

Στην Ελλάδα, ο μέσος όρος ύψους της φυτείας φτάνει τα 3 μέτρα και η παραγωγή ξηρής

ουσίας κυμαίνεται από 0,8 εώς 3 τόνους ανά στρέμμα ανά έτος. Η συγκομιδή του

μίσχανθου γίνεται από τα τέλη Νοέμβρη έως και τα τέλη Φεβρουαρίου, όταν το φυτό

ξεραίνεται με φυσικό τρόπο στον αγρό (ΚΑΠΕ 2006).

Εικόνα 2.9: Μίσχανθος

[http://bioenergyuiuc.blogspot.com]

Εικόνα 2.10: Switchgrass

[http://news.mongabay.com/2008/0107-switchgrass.html]

Το switchgrass (Panicum vigratum) συναντάται κυρίως στη βόρειο και κεντρική

Αμερική, αλλά επίσης έχει βρεθεί στη νότιο Αμερική και την Αφρική. Το ριζικό του

σύστημα μπορεί να ξεπεράσει τα 3 μέτρα σε βάθος. Σχηματίζει λεπτά ριζώματα και από

τους οφθαλμούς τους εκπύσσονται, νωρίς την άνοιξη, αρκετά λεπτά στελέχη διαμέτρου 10

χιλιοστών. Κάτω από κατάλληλες συνθήκες μπορεί να φτάσει σε ύψος 2,5 μέτρων. Η

εγκατάσταση του φυτού γίνεται με σπόρους και στην Ελλάδα λαμβάνει χώρα το Μάιο

όταν η θερμοκρασία εδάφους ξεπεράσει τους 10-15 οC. Η σπορά πρέπει να γίνει σε βάθος

μεγαλύτερο του 1 cm και η συνιστώμενη πυκνότητα της φυτείας είναι 200-300 φυτά ανά

m2. Κατάλληλη εποχή συγκομιδής είναι το χρονικό διάστημα από τέλη Νοεμβρίου εώς και

τον Ιανουάριο. Η καλλιέργεια του switchgrass παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα, καθώς

μπορούν να παραχθούν σημαντικές ποσότητες βιομάζας ακόμη και σε συνθήκες

μειωμένων εισροών λίπανσης και ζιζανιοκτόνων. Επίσης οι αρδευτικές ανάγκες είναι

χαμηλές καθώς χαρακτηρίζεται από αποδοτική χρήση του νερού. Αρδεύσεις συνολικού

24

ύψους 400 mm είναι αρκετές για ικανοποιητική παραγωγή, η οποία κυμαίνεται μεταξύ 1

και 2 τόνων ξηρής βιομάζας ανά στρέμμα (ΚΑΠΕ 2006).

Πίνακας 2.1: Απόδοση σε αιθανόλη διαφόρων ειδών βιομάζας

Πρώτη Ύλη Τόνοι / Στρέμμα αιθανόλη

Πηγή λίτρα / τόνο λίτρα / στρέμμα

Σακχαρούχες ύλες

Ζαχαρότευτλα 4,6 110 506 [1]

Ζαχαροκάλαμο 7,35 74,5 548

Γλυκό Σόργο 1,2 665 700-900 [2]

Αμυλούχες ύλες

Αραβόσιτος 0,6-1,8 250 240-360 [2]

Σιτάρι 0,15-0,8 340 45-240

Κριθάρι 0,15-0,7 235 100 [2],[3]

Βρώμη 0,2-0,4 310-350 70-130 [4]

Ρύζι 0,42 430 181 [1]

Πατάτες 2-3 100-120 220-230 [4]

Γλυκοπατάτες 1-2 140-170 160-310

Κασσάβα 1,2 180 207 [1]


Μίσχανθος - - 1403

[5] Switchgrass - - 1076

Λεύκα (υβρίδιο) - - 935

Άχυρο σιταριού - 260 - [6]

Άχυρο καλαμποκιού,

σόργου, ρυζιού - 500 -

[7] Βαγάσση ζαχαροκάλαμου - 500 -

Ξύλο αραίωσης δασών - 370 -

Πριονίδι - 450 -

Χαρτί - 420 -

Πηγές: [1] FAO 2008 [2] ΚΑΠΕ 2006 [3] WWI 2006 [4] Βουρδουμπάς Ιωάννης 2002 [5] Centi and van Santen 2007 [6] Kerstetter and Lyons 2001 [7] Belum V S Reddy et al. 2007

25

Στο σχήμα 2.2 παρουσιάζεται η ενεργειακή απόδοση της παραγωγής βιοαιθανόλης

από διάφορους τύπους βιομάζας. Ως ενεργειακή απόδοση / ισοζύγιο ορίζεται ο λόγος της

παραγόμενης ενέργειας από τη βιοαιθανόλη προς την καταναλισκόμενη ενέργεια για την

παραγωγή της. Παρατηρούμε ότι ο λόγος για τις κυτταρινούχες ύλες υπερβαίνει το 10, ενώ

σύμφωνα με κάποιες μελέτες μπορεί να φτάσει το 36. Αυτή η υπεροχή οφείλεται στο

μικρό κόστος των κυτταρινούχων πρώτων υλών. (FAO 2008)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ζαχαρότευτλο


Γλυκό Σόργο

Αραβόσιτος

Σιτάρι

Πατάτα

Κασάβα


Σχήμα 2.2: Ενεργειακό ισοζύγιο παραγωγής αιθανόλης από διάφορους τύπους βιομάζας

26

3. ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ

Η βιοαιθανόλη παράγεται μέσω αλκοολικής ζύμωσης των σακχάρων με τη βοήθεια

ενζύμων που παράγονται από ειδικές ποικιλίες ζύμης (σακχαρομύκητες) ή βακτηρίων. Τα

πέντε κύρια είδη σακχάρων περιλαμβάνουν αυτά με 6 άτομα άνθρακα (εξόζες), όπως η

γλυκόζη, η γαλακτόζη και η μαννόζη και τα σάκχαρα με 5 άτομα άνθρακα (πεντόζες),

όπως η ξυλόζη και η αραβινόζη. Οι συμβατικές μέθοδοι παραγωγής βιοαιθανόλης πρώτης

γενιάς, βασίζονται στα είδη ζύμης που μετατρέπουν τις εξόζες σε αιθανόλη. Ο

σακχαρομύκητας που χρησιμοποιείται κατά κόρον είναι ο Saccharomyces cerevisiae ενώ

το προτιμόμενο είδος μονοσακχαρίτη προς ζύμωση είναι η γλυκόζη. Στην παραγωγή

βιοαιθανόλης δεύτερης γενιάς από λιγνοκυτταρινούχες ύλες περιλαμβάνεται και ζύμωση

των πεντοζών. Η βιοαιθανόλη λοιπόν μπορεί να παραχθεί από οποιοδήποτε τύπο βιομάζας

η οποία περιέχει σημαντικά ποσά αυτών των σακχάρων, ή πολυμερών γλυκόζης

(πολυσακχαρίτες), όπως είναι το άμυλο και η κυτταρίνη. Τα σάκχαρα που προέρχονται

από σακχαρούχες πρώτες ύλες όπως το ζαχαροκάλαμο, το ζαχαρότευτλο ή η μελάσσα,

μπορούν να ζυμωθούν απ’ευθείας. Το άμυλο που περιέχεται στα δημητριακά (καλαμπόκι,

σιτάρι) πρέπει πρώτα να διασπαστεί σε μονομερή γλυκόζης μέσω της διαδικασίας της

υδρόλυσης (σακχαροποίηση) με τη βοήθεια ενζύμων ή οξεών. Παρόμοια μέθοδος

ακολουθείται και στην παραγωγή αιθανόλης από λιγνοκυτταρινούχες πρώτες ύλες, με τη

διαφορά ότι η προεπεξεργασία είναι πιο απαιτητική και πιο ενεργοβόρος λόγω της

συνοχής μεταξύ της κυτταρίνης, της ημικυτταρίνης και της λιγνίνης. Επίσης, η παρουσία

σακχάρων πέραν της γλυκόζης στη βιομάζα, περιπλέκει τη διεργασία της ζύμωσης, διότι η

μετατροπή των πεντοζών σε αιθανόλη είναι λιγότερο αποδοτική σε σχέση με αυτήν των

εξοζών.

Η παραγωγή βιοαιθανόλης από βιομάζα μπορεί να χωριστεί στα ακόλουθα στάδια:

• Παραγωγή πρώτης ύλης: θερισμός, συγκομιδή, αποθήκευση

• Προεπεξεργασία πρώτης ύλης: καθαρισμός, τεμαχισμός, εκχύλιση σακχάρων,

άλεσμα σπόρων δημητριακών, σακχαροποίηση του αμύλου και της κυτταρίνης

μέσω υδρόλυσης

• Ζύμωση: διάλυση των σακχάρων σε νερό και προσθήκη ζύμης ή αλλων

μικροοργανισμών προς παραγωγή αιθανόλης

27

• Απόσταξη - αφυδάτωση: διαχωρισμός βιοαιθανόλης συγκέντρωσης 95 % και

κατόπιν απομάκρυνση υπολειμματικού νερού με χρήση μοριακού διαχωριστή προς

παραγωγή άνυδρης αλκοόλης συγκέντρωσης 99,5 %

• Διαχείριση παραπροϊόντων: ξήρανση του υπολείμματος της απόσταξης και

χρήση του ως ζωοτροφή, ανάκτηση νερού, αξιοποίηση CO2

Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται τα στάδια της προεπεξεργασίας, της ζύμωσης και της

απόσταξης, ενώ τα παραπροϊόντα από την παραγωγή βιοαιθανόλης παρουσιάζονται σε

ξεχωριστό κεφάλαιο.

Αυτά τα στάδια εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το είδος της πρώτης ύλης. Στο

σχήμα 3.1 παρουσιάζονται σε μορφή διαγράμματος τα στάδια παραγωγής βιοαιθανόλης

από τις τρείς κατηγορίες βιομάζας (σακχαρούχες, αμυλούχες και κυτταρινούχες πρώτες

ύλες). Επίσης, στον πίνακα 3.1 παρουσιάζονται συνοπτικά τα βήματα της παραγωγής για

διάφορα είδη βιομάζας, ενώ δίνεται και η πηγή της θερμότητας που χρησιμοποιείται για

τις διεργασίες της παραγωγής.

Σχήμα 3.1: Διάγραμμα ροής σταδίων παραγωγής βιοαιθανόλης μέσω βιολογικών διεργασιών

Σακχαρούχες πρώτες ύλες

Αμυλούχες πρώτες ύλες

Κυτταρινούχες πρώτες ύλες

Εκχύλιση σακχάρων Όξινη-ενζυμική υδρόλυση

Ζύμωση

Απόσταξη

Αφυδάτωση

Παραπροϊόντα

Άνυδρη βιοαιθανόλη

28

Πίνακας 3.1: Στάδια παραγωγής βιοαιθανόλης ανά τύπο βιομάζας και τεχνικής μετατροπής (Rutz and Janssen 2007)

Τύπος βιομάζας

Πρώτη ύλη Τεχνική συγκομιδής

Μετατροπή σε σάκχαρα

Πηγή θέρμανσης

Μετατροπή σακχάρων

σε αλκοόλη

Σακχαρούχες καλλιέργειες

Ζαχαροκάλαμο Συλλογή των καλαμιών

Λιώσιμο του καλαμιού εμποτισμός

και χημική επεξεργασία

Κυρίως από τα λιωμένα

στελέχη (βαγάσση)

Ζύμωση και απόσταξη αλκοόλης

Ζαχαρότευτλο Συλλογή των τεύτλων Εκχύλιση

Κυρίως ορυκτά καύσιμα Αμυλούχες

καλλιέργειες

Σιτάρι Συλλογή των αμυλούχων τμημάτων

Διαχωρισμός του αμυλούχου τμήματος μετατροπή με ένζυμα Αραβόσιτος

Πατάτες Συλλογή των βολβών

Καθαρισμός πολτοποίηση

θέρμανση, μετατροπή με ένζυμα

Κυτταρινούχες καλλιέργειες

Δέντρα Συλλογή ολόκληρου του

φυτού Μετατροπή της

κυτταρίνης μέσω σακχαροποίησης

(ενζυμική υδρόλυση)

Από λιγνίνη και

περίσσεια κυτταρίνης

Χλόη

Υπολείμματα

Γεωργικά και δασικά

υπολείμματα

στερεά δημοτικά απόβλητα

Συλλογή διαχωρισμός και καθαρισμός των

πλούσιων σε κυτταρίνη μερών

3.1 Προεπεξεργασία πρώτων υλών

3.1.1 Προεπεξεργασία σακχαρούχων πρώτων υλών

Στη συγκεκριμένη παράγραφο θα χρησιμοποιηθεί ως κύριο παράδειγμα το

ζαχαροκάλαμο. Μετά τη συγκομιδή του, το ζαχαροκάλαμο μεταφέρεται αμέσως στη

μονάδα επεξεργασίας έτσι ώστε να αποφευχθεί απώλεια σακχαρόζης. Το ζαχαροκάλαμο

δεν μπορεί να αποθηκευτεί για πάνω από μερικές ημέρες και οι μύλοι λειτουργούν μόνο

κατά τη διάρκεια της περιόδου συγκομιδής. Τα αρχικά στάδια επεξεργασίας για την

παραγωγή βιοαιθανόλης είναι βασικά τα ίδια με αυτά της παρασκευής ζάχαρης. Κατά την

προεργασία, το ζαχαροκάλαμο καθαρίζεται ωστέ να αφαιρεθούν οργανικά υλικά από τον

αγρό και στη συνέχεια κόβεται σε μικρότερα κομμάτια των 20-25 εκατοστών. Έπειτα, τα

κομμάτια εισάγονται σε 4-7 διαδοχικούς τριπλούς μύλους (three roll mills) οι οποίοι

διαχωρίζουν το σακχαρούχο χυμό από τη βαγάσση (ινώδες υπόλειμμα), η οποία

χρησιμοποιείται ως καύσιμο για τη λειτουργία των μύλων. Σε μερικές νέες μονάδες στη

29

Βραζιλία, η εκχύλιση των σακχάρων γίνεται με τη χρήση διαχυτήρων, η οποία έχει κάποια

πλεονεκτήματα όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας. Κατά τη μέθοδο αυτή, τα

τεμαχισμένα καλάμια πλένονται κατ’επανάληψιν με καυτό νερό μέσα σε διαχυτήρες και

έτσι απελευθερώνονται τα σάκχαρα. Στη συνέχεια, το προϊόν συμπιέζεται σε έναν

στεγνωτήρα και έτσι παράγεται η βαγάσση που οδηγείται στους καυστήρες. Ο

σακχαρούχος χυμός αναμιγνύεται με οξείδιο του ασβεστίου (CaO) ώστε να ρυθμιστεί το

pH στο 7. Αυτή η ανάμιξη εμποδίζει τη διάσπαση της σακχαρόζης σε γλυκόζη και

φρουκτόζη ενώ απομακρύνει και κάποιες ακαθαρσίες. Έπειτα, το υδαρές σακχαρούχο

διάλυμα περνάει από περιστροφικό φίλτρο κενού απ’όπου ανακτάται ζάχαρη, ενώ το

διήθημα διατίθεται ως λίπασμα. Το διάλυμα συμπυκνώνεται σε εξατμιστήρες πολλαπλών

βαθμίδων και η περιεκτικότητά του σε σάκχαρα αυξάνεται από 14-16% σε 50-58%. Το

σιρόπι αυτό συμπυκνώνεται κι άλλο ώσπου γίνεται υπερκορεσμένο και τελικά

κρυσταλλοποιείται κατά την ψύξη. Η κρυσταλλοποίηση οδηγεί σε ένα μείγμα καθαρών

κρυστάλλων ζάχαρης και μελάσσας. Η μελάσσα απομακρύνεται με φυγοκέντρηση, ενώ οι

κρύσταλλοι καθαρίζονται με προσθήκη ατμού και στη συνέχεια ξηραίνονται από ρεύμα

αέρος. Η μελάσσα υπόκειται σε περαιτέρω επεξεργασία, όπως παστεριοποίηση και συνεχή

προσθήκη CaO για αφαίρεση ακαθαρσιών, και τελικά μπορεί να διατεθεί για αλκοολική

ζύμωση καθώς περιέχει τουλάχιστον 46 % σάκχαρα. Έτσι λοιπόν, κατά την παραγωγή

βιοαιθανόλης από ζαχαροκάλαμο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε μονάχα ο σακχαρούχος

χυμός, είτε μείγμα χυμού με μελάσσα. (BNDES and CGEE 2008, Smeets et al. 2006,

Pandey 2009)

Παρόμοια διαδικασία ακολουθείται και στην περίπτωση του ζαχαρότευτλου. Μία

εναλλακτική μέθοδος ανάκτησης των σακχάρων από ζαχαρότευτλα, περιλαμβάνει βρασμό

των τεμαχισμένων τεύτλων για αρκετές ώρες και κατόπιν συμπίεση αυτού του πολτού και

συγκέντωση των σακχάρων. O ακατέργαστος χυμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την

παραγωγή ζάχαρης ή βιοαιθανόλης. Εάν προορίζεται για την παρασκευή ζάχαρης πρέπει

να καθαριστεί, να συμπυκνωθεί μέσω εξάτμισης και τέλος να κρυσταλλοποιηθεί. Το

σιρόπι που απομένει μετά από την τελική κρυσταλλοποίηση ονομάζεται μελάσσα

ζαχαρότευτλου. Περιέχει τουλάχιστον 48% σάκχαρα, κυρίως σακχαρόζη, αλλά και

σημαντικά ποσά γλυκόζης και φρουκτόζης και μπορεί να ζυμωθεί για την παραγωγή

βιοαιθανόλης. (Deurwaarder and Reith 2006, Pandey 2009)

30

Σχήμα 3.2: Διάγραμμα ροής σταδίων παραγωγής βιοαιθανόλης και ζάχαρης από ζαχαροκάλαμο (BNDES and CGEE 2008)

3.1.2 Προεπεξεργασία των αμυλούχων πρώτων υλών – Υδρόλυση του αμύλου

3.1.2.1 Δομή του αμύλου Το άμυλο είναι ένας πολυσακχαρίτης που αποτελείται από μεγάλο αριθμό μορίων

γλυκόζης, ενωμένων με γλυκοζιτικούς δεσμούς. Το άμυλο είναι σώμα λευκό, αδιάλυτο

στο ψυχρό νερό και στο οινόπνευμα. Βρίσκεται υπό μορφή κόκκων (granules) δηλ.

«πακέτα» χαρακτηριστικού μεγέθους και σχήματος. Οι κόκκοι του αμύλου ανάλογα με την

προέλευσή τους διαφέρουν ως προς το μέγεθος και τη μορφή, πράγμα που επιτρέπει τη

μικροσκοπική αναγνώριση του αμύλου διαφόρων πρoελεύσεων. Η δομή του κόκκου είναι

ψευδοκρυσταλλική, δεν υπάρχει δηλαδή μια σαφής επαναλαμβανόμενη συμμετρία αλλά

εμφανίζει περισσότερο τη μορφή ενός θυσάνου από στενά «πλεγμένους» έλικες αμυλόζης

και μόρια αμυλοπηκτίνης με ένα κεντρικό σημείο έναρξης. Η αμυλόζη αποτελεί περίπου

το 20-25% του αμύλου. Είναι άλυσος 350-1000 μορίων γλυκόζης, (MW=50,000-200,000)

διαλυτή στο νερό χωρίς διόγκωση. Τα μόρια γλυκόζης είναι ενωμένα με α(14) δεσμούς,


Λιώσιμο στελεχών

Χημική επεξεργασία

Σάκχαρα

Καυστήρες Βαγάσση

Διήθηση Διήθημα (λίπασμα)

Εξάτμιση

Κρυσταλλοποίηση

Φυγοκέντρηση

Ξήρανση

Ζάχαρη

Ζύμωση

Απόσταξη

Αφυδάτωση

Βινάσσα

Βιοαιθανόλη 95%

Άνυδρη Βιοαιθανόλη 99,5%

Μελάσσα

31

σε ευθεία δομή (διαμόρφωση α έλικα σε διάλυμα). Έχει την ικανότητα φυσικού

εγκλεισμού άλλων μορίων π.χ. λιπαρά, ιώδιο (δείκτης αμύλου). Η αμυλοπηκτίνη αποτελεί

περίπου το 75-80% του αμύλου. Είναι διακλαδωμένη άλυσος, με πλευρικές αλύσους 20-30

γλυκοζών και βαθμό πολυμερισμού 2.000-200.000 χιλιάδες γλυκόζες (MW = 1-10

εκατομύρια). Έχει α(14) δεσμούς και α(16) δεσμούς (διακλαδώσεις). Βρίσκεται

κυρίως στο εξωτερικό του κόκκου του αμύλου. Δεν διαλύεται στο νερό αλλά διογκώνεται

και με θέρμανση δίνει αμυλόκολλα.

Σχήμα 3.3: Μόριο αμυλόζης [http://www.chemeng.ntua.gr/courses/trbio/files/KEF%201% 20XHMEIA%202.pdf]

Σχήμα 3.4: Μόριο αμυλοπηκτίνης [http://www.chemeng.ntua.gr/courses/trbio/ files/KEF%201%20XHMEIA%202.pdf]

3.1.2.2 Υδρόλυση του αμύλου Το άμυλο δεν μπορεί να ζυμωθεί απ’ευθείας όπως συμβαίνει με τα απλά σάκχαρα.

Πρέπει να διασπαστεί σταδιακά σε γλυκόζη μέσω της διαδικασίας της υδρόλυσης

(hydrolysis). Η υδρόλυση του αμύλου μπορεί να είναι είτε όξινη, είτε ενζυμική. Η όξινη

υδρόλυση ήταν διαδεδομένη στο παρελθόν, αλλά σήμερα έχει αντικατασταθεί από την

ενζυμική υδρόλυση, διότι απαιτούσε υλικά ανθεκτικά στη οξείδωση, περισσότερη

ενέργεια για θέρμανση και ο έλεγχός της ήταν σχετικά δύσκολος. Η ενζυμική υδρόλυση

περιλαμβάνει τρία βασικά στάδια:

32

o Ζελατινοποίηση (gelatinization)

o Υγροποίηση (liquefaction)

o Σακχαροποίηση (saccharification)

Ως ζελατινοποποίηση ορίζεται η μη αντιστρεπτή διόγκωση των κόκκων του αμύλου

με νερό κατά την θέρμανση του πάνω από μια κρίσιμη θερμοκρασία. Τα στάδια της

ζελατινοποίησης έχουν ως εξής:

α) Το άμυλο εμβαπτίζεται σε κρύο νερό. Οι κόκκοι παραμένουν αδιάλυτοι,

απορροφούν νερό αντιστρεπτά (μέχρι 25%) και διογκώνονται ελαφρά (9-20%)

β) Με την αύξηση της θερμοκρασίας η δομή του κόκκου σταδιακά μειώνεται, μέχρι

το σημείο ζελατινοποιήσεως (για το καλαμπόκι 61-72 οC). Παρατηρείται απώλεια

«κρυσταλλικότητας», αύξηση ιξώδους, ταχεία διόγκωση, μεγάλη συγκράτηση νερού.

Διαλυτά μόρια αμυλόζης διαρρέουν από τον κόκκο. Στο σημείο αυτό το φαινόμενο της

ζελατινοποίησης είναι αναντίστρεπτο.

γ) Με συνέχιση της θέρμανσης έχουμε αύξηση διόγκωσης και το διαλυτό άμυλο

αυξάνει. Τελικά οι κόκκοι διαρρηγνύονται, το ιξώδες μειώνεται απότομα και οι κόκκοι

«συγκολούνται» αναντίστρεπτα. Στο σημείο αυτό έχουμε σχηματισμό πήγματος (gel).

Στη φάση της υγροποίησης προστίθεται το ένζυμο α-αμυλάση, το οποίο λύει τους

α(14) δεσμούς και διασπά το άμυλο σε δεξτρίνες και μαλτόζη. Οι δεξτρίνες είναι μία

ομάδα υδατανθράκων μικρού μοριακού βάρους και θεωρούνται πρoϊόντα αποικοδομήσεως

του αμύλου, που αποτελούν ενδιάμεση βαθμίδα, με ελαττούμενο μοριακό μέγεθος,

ανάμεσα στο άμυλο και τους ολιγοσακχαρίτες. Το ένζυμο α-αμυλάση παράγεται μέσω

ζύμωσης από μια μεγάλη ποικιλία μυκήτων και βακτηρίων, όπως π.χ. το βακτήριο B.

Licheniformis και οι μύκητες A. niger και A. Oryzae (Pandey 2009).

Στο τελικό στάδιο της σακχαροποίησης, προστίθεται το ένζυμο γλυκοαμυλάση, το

οποίο μπορεί να διασπάσει εκτός από τους α(14) και τους α(16) δεσμούς. Έτσι οι

δεξτρίνες και η μαλτόζη υδρολύονται τελικά σε απλά μόρια γλυκόζης, τα οποία είναι

έτοιμα προς ζύμωση και παραγωγή βιοαιθανόλης. Η γλυκοαμυλάση παράγεται επίσης από

μύκητες και βακτήρια.

Η υδρόλυση του αμύλου εφαρμόζεται στην προεπεξεργασία του αραβοσίτου για την

παραγωγή βιοαιθανόλης. Αρχικά η ακατέργαστη πρώτη ύλη καθαρίζεται από άμμο, χώμα,

πέτρες κλπ. Στη συνέχεια η ψίχα του καλαμποκιού μπορεί να αλεστεί με δύο τρόπους: με

υγρή ή ξηρή άλεση. Η υγρή άλεση (wet milling) ήταν η πιο συνηθισμένη επιλογή εώς τη

δεκαετία του 1990, αλλά σήμερα η ξηρή άλεση (dry milling) είναι η μέθοδος που

33

προτιμάται περισσότερο (BNDES and CGEE 2008). Ενώ η υγρή άλεση εξασφαλίζει την

παραγωγή καθαρότερου αμύλου και υψηλότερης αξίας παρα-προϊόντων, η ξηρή άλεση

προσφέρει πλεονεκτήματα, όπως χαμηλότερη ενεργειακή απαίτηση, μικρότερο επενδυτικό

κεφάλαιο και υψηλότερη απόδοση σε βιοαιθανόλη (Ranalli 2007).

3.1.2.3 Υγρή άλεση

Η συμβατική διεργασία της υγρής άλεσης ξεκινά με την εμβάπτιση της ψίχας του

καλαμποκιού σε υδατικό διάλυμα SO2 συγκέντρωσης 0,1-0,2 % σε θερμοκρασία 50 οC για

24-48 ώρες. Η ψίχα μαλακώνει και στη συνέχεια αλέθεται, οπότε και διαχωρίζονται το

άμυλο, ο κόκκος και οι ίνες, ενώ ανακτώνται πρωτεΐνες (γλουτένη) και καλαμποκέλαιο.

Μετά το τέλος αυτής της φάσης, το συμπυκνωμένο υγρό (50 % v/v) που ονομάζεται Corn

Steep Liquor (CSL) μπορεί είτε να συνδυαστεί με γλουτένη και ίνες και να πωληθεί ως

ζωοτροφή, είτε να χρησιμοποιηθεί για μικροβιολογικούς σκοπούς, με ή χωρίς περαιτέρω

επεξεργασία (Liggett and Koffler 1948). Το υπόλοιπο υγρό που απομένει χρησιμοποιείται

για ρύθμιση του pH (4-4,5) της διαδικασίας της σακχαροποίησης, για τροφοδότηση

θρεπτικών συστατικών στη διαδικασία της ζύμωσης και για επαρκή αραίωση του ζωμού

της ζύμωσης ώστε να είναι συμβατός με τις ζύμες. Στη συνέχεια, μετά από πρόσθεση

NaOH στους 70 οC (για ρύθμιση pH σε 5,5-6,2), το ζελατινοποιημένο άμυλο υγροποιείται

με πρόσθεση α-αμυλάσης (σταθεροποιημένη με πρόσθεση CaCl2). Τέλος λαμβάνει χώρα

σακχαροποίηση με κατάλυση της γλυκοαμυλάσης και παραγωγή γλυκόζης προς ζύμωση

(Ranalli 2007). Μέσω της διαδικασίας της υγρής άλεσης επιτυγχάνεται απόδοση 440

λίτρων βιοαιθανόλης ανά τόνο (ξηρό βάρος) καλαμποκιού (BNDES and CGEE 2008).

3.1.2.4 Ξηρή άλεση

Στη διαδικασία της ξηρής άλεσης η ψίχα του καλαμποκιού αλέθεται απ’ευθείας σε

σφυρόμυλο απ’όπου εξάγεται σε μορφή σκόνης μεγέθους 1,5 mm. Προθερμασμένο νερό

και α-αμυλάση προστίθενται και ο πολτός θερμαίνεται με ατμό στους 65-95 οC. Η

υγροποίηση διαρκεί από 30 λεπτά εώς και μερικές ώρες. Ο πολτός κρυώνει για τη

σακχαροποίηση και στη συνέχεια κρυώνει κι άλλο για να λάβει χώρα η ζύμωση. Κατά την

υγροποίηση/σακχαροποίηση μπορεί να ανακυκλωθεί μέρος βινάσσας για να μειωθεί το pH

και να παραχθούν θρεπτικά για τη ζύμωση. Η απελευθέρωση των σακχάρων, αν και

ραγδαία στα πρώτα στάδια, σύντομα επιβραδύνεται, οπότε μπορεί να χρειαστεί η

34

παραμονή τους στους αντιδραστήρες ως και 48-72 ώρες για την επίτευξη μέγιστης

σακχαροποίησης. Με σκοπό τη μείωση αυτής της παραμονής αλλά και αποφυγή ρίσκων

μόλυνσης, μερικές μονάδες παραγωγής εφαρμόζουν ταυτόχρονη διεξαγωγή

σακχαροποίησης και ζύμωσης . Σε αυτήν την περίπτωση η μετατροπή σε γλυκόζη επίσης

μειώνεται. Ωστόσο, διεργασίες που χρησιμοποιούν ανακύκλωση, επιτρέπουν την

επαναχρησιμοποίηση των σακχάρων που δεν μετατράπηκαν αρχικώς. Η απόδοση της

ξηρής άλεσης εξαρτάται από την αποτελεσματικότητα στη διάσπαση των κυττάρων κατά

την άλεση και από την αποτελεσματικότητα των χρησιμοποιούμενων ενζύμων. Το

παραπροϊόν που προκύπτει από την ξηρή άλεση είναι ένα πρωτεϊνούχο συμπλήρωμα

ζωοτροφής που ονομάζεται DDGS (Distillers Dried Grains with Solubles). Η απόδοση σε

βιοαιθανόλη και DDGS είναι 460 λίτρα και 380 kg αντίστοιχα ανά ξηρό τόνο

καλαμποκιού. (Deurwaarder and Reith 2006, BNDES and CGEE 2008)

Σχήμα 3.5: Διάγραμμα ροής σταδίων υγρής άλεσης καλαμποκιού (BNDES and CGEE 2008)

Καλαμπόκι

Διαβροχή με δ/μα SO2

Διαχωρισμός κόκκων/ινών

Διαχωρισμός Γλουτένης Πρωτεΐνη 60 %

Υγροποίηση

Απόσταξη

Σακχαροποίηση

Ξήρανση Άνυδρη Βιοαιθανόλη 99,5%

α-αμυλάση

Corn Steep Liquor

Καλαμποκέλαιο

γλυκοαμυλάση

Ζύμωση

Ξήρανση Πρωτεΐνη 20 %

ζύμη


35

Σχήμα 3.6: Διάγραμμα ροής σταδίων ξηρής άλεσης καλαμποκιού (BNDES and CGEE 2008)

3.1.3 Προεργασία των λιγνοκυτταρινούχων πρώτων υλών (περίληψη διαδικασίας)

Η προεργασία της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας περιλαμβάνει δύο στάδια: την

προεπεξεργασία της βιομάζας και την κύρια φάση της υδρόλυσης της κυτταρίνης. Κατά

την προεπεξεργασία πραγματοποιείται αφαίρεση της λιγνίνης και μερική ή ολική

υδρόλυση της ημικυτταρίνης προς παραγωγή κυρίως ξυλόζης, με φυσικές, φυσικο-χημικές

ή βιολογικές μεθόδους. Επίσης, κατά την προεπεξεργασία μειώνεται ο βαθμός

πολυμερισμού και η κρυσταλλικότητα της κυτταρίνης. Στο δεύτερο στάδιο γίνεται

υδρόλυση (σακχαροποίηση) της κυτταρίνης, δηλαδή διάσπαση των πολυσακχαριτών σε

απλά μόρια γλυκόζης. Η υδρόλυση της κυτταρίνης μπορεί να είναι όξινη (με χρήση αραιού

ή πυκνού οξέος), είτε ενζυμική, με χρήση ενζύμων (κυτταρινάσες). Από την προεργασία

της βιομάζας παράγονται και κάποιες τοξικές ουσίες που δρουν ανασταλτικά στην

περαιτέρω παραγωγή αιθανόλης. Έτσι είναι απαραίτητο ένα στάδιο κατά το οποίο γίνεται

μείωση της τοξικότητας με χρήση διάφορων μεθόδων. Τα απλά σάκχαρα που προκύπτουν

από την προεργασία, κυρίως γλυκόζη και ξυλόζη, οδηγούνται προς αλκοολική ζύμωση για

παραγωγή αιθανόλης.

Τα στάδια της προεργασίας της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας θα παρουσιαστούν

αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο, το οποίο είναι αφιερωμένο στην παραγωγή

βιοαιθανόλης 2ης γενιάς από λιγνοκυτταρινική βιομάζα.

Καλαμπόκι Άλεση Υγροποίηση Σακχαροποίηση Ζύμωση

Απόσταξη

Αφυδάτωση

Φυγοκέντρηση Συμπύκνωση

Ξήρανση DDGS

Άνυδρη βιοαιθανόλη 99,5%

Αραιό μείγμα

Πυκνό μείγμα

Σιρόπι

36

3.2 Αλκοολική ζύμωση των σακχάρων

Η αλκοολική ζύμωση είναι η βιολογική διαδικασία κατά την οποία σάκχαρα, όπως η

γλυκόζη, η φρουκτόζη και η σακχαρόζη, μετατρέπονται σε κυτταρική ενέργεια,

παράγοντας ως παραπροϊόντα αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα. Οι αντιδράσεις που

περιγράφουν συνοπτικά τη ζύμωση των εξοζών και των πεντοζών είναι οι εξής:

C6H12O6 (εξόζη) → 2 C2H5OH (αιθανόλη) + 2 CO2

3 C5H10O5 (πεντόζη) → 5 C2H5OH (αιθανόλη) + 5 CO2

Ο καταβολισμός των σακχάρων από τους μικροοργανισμούς γίνεται απουσία οξυγόνου,

οπότε η διεργασία χαρακτηρίζεται ως αναερόβια. Στη βιομηχανική παραγωγή

βιοαιθανόλης ο μικροοργανισμός που χρησιμοποιείται κατά κόρον είναι ο Saccharomyces

cerevisiae, ένα από τα πολλά είδη σακχαρομυκήτων (ζύμες). Άλλα είδη ζύμης που

χρησιμοποιούνται είναι τα Saccharomyces uvarum (carlsbergensis), Saccharomyces

pastorianus, Schizosaccharomyces pombe και Kluyveromyces lactis. Επίσης, το βακτήριο

Zymomonas mobilis παρουσιάζει πολλές δυνατότητες και αποτελεί αντικείμενο

εντονότατης έρευνας τα τελευταία χρόνια. Το υπόστρωμα που προτιμάται είναι τα

σάκχαρα που προέρχονται από σαχαρούχες ή αμυλούχες πρώτες ύλες. Οι μικροοργανισμοί

αυτοί μπορούν να μεταβολίσουν εύκολα τους δισακχαρίτες και τις εξόζες, ωστόσο

εκδηλώνουν αδυναμία καταβολισμού της κελλοβιόζης και των πεντοζών που προκύπτουν

από την υδρόλυση της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας. Άλλα βακτήρια και μη συμβατικές

ζύμες μπορούν να μεταβολίσουν εξίσου εξόζες και πεντόζες, με χαμηλή όμως απόδοση.

Επιπλέον, η αποτελεσματικότητά τους περιορίζεται από παράγοντες, όπως είναι η υψηλή

συγκέντρωση αιθανόλης, οι υψηλές θερμοκρασίες, το χαμηλό pH κ.ά. Προκειμένου να

υπερκεραστούν αυτά τα εμπόδια, γίνονται προσπάθειες γενετικής τροποποίησης των

μικροοργανισμών με την τεχνολογία ανασυνδυασμένου DNA. Άλλα παραδείγματα

αιθανολοπαραγωγών μικροοργανισμών που ερευνώνται εντατικά από τους επιστήμονες,

είναι: τα βακτήρια Escherichia coli, Bacillus subtilis, Baccilus stearothrermophilus,

Klebsiella oxytoca, Erwinia chrysanthemi, Clostridium sporogenes, C. indolis,

Leuconostoc mesenterioids, Streptococcus lactis και οι μύκητες Kluyveromyces marxianus,

Pichia stipitis, Pachysolen tanophilus και Candida shehatae.

37

Στη βιομηχανική παραγωγή βιοαιθανόλης, η ζύμωση πραγματοποιείται σε

αντιδραστήρες διαλείποντος (batch) ή συνεχούς (continuous) έργου. Οι συνήθεις

θερμοκρασίες ζύμωσης είναι 25-35οC, ενώ η διάρκεια ζύμωσης (σε batch διεργασίες)

μπορεί να ποικίλει μεταξύ 6 και 72 ωρών, ανάλογα με τη σύνθεση του υποστρώματος, τον

τύπο, την πυκνότητα και τη δραστηριότητα των μικροοργανισμών. Το τελικό διάλυμα,

τυπικά περιέχει αιθανόλη σε ποσοστό 8-14% κατ’όγκο. Επίσης, από τη ζύμωση παράγεται

ως παραπροϊόν διοξείδιο του άνθρακα. Το παραγόμενο αέριο περιέχει 90% CO2 κατ’όγκο,

καθώς και αξιόλογη ποσότητα αιθανόλης σε ατμό, η οποία ανακτάται με μία διαδικασία

που ονομάζεται scrubbing. Προτού αυτό το αέριο απελευθερωθεί στην ατμόσφαιρα πρέπει

να αφαιρεθούν τα αρωματικά συστατικά. Εναλλακτικά, το CO2 μπορεί να δεσμευτεί και

να χρησιμοποιηθεί στην παρασκευή αναψυκτικών ή στην βελτιωμένη ανάκτηση

πετρελαίου. Τεχνικές που αποσκοπούν στην αύξηση της αποτελεσματικότητας της

ζύμωσης περιλαμβάνουν ανακύκλωση ή ακινητοποίηση των κυττάρων των

μικροοργανισμών, καθώς και ζύμωση σακχαρούχου διαλύματος μεγάλης συγκέντρωσης

με την τεχνολογία ‘very high gravity’ (VHG). Τέλος, η ζύμωση των σακχάρων μπορεί να

διεξαχθεί ταυτόχρονα με τη διαδικασία της υδρόλυσης των αμυλούχων ή των

κυτταρινούχων υλών. Αυτή η μέθοδος που ονομάζεται SSF (Simultaneous

Saccharification and Fermentation) ερευνάται ακόμα σε πειραματικό στάδιο. Η μέθοδος

SSF για λιγνοκυτταρινική βιομάζα θα συζητηθεί στο επόμενο κεφάλαιο. (Deurwaarder and

Reith 2006, Pandey 2009)

3.2.1 Παράγοντες που επηρεάζουν την αλκοολική ζύμωση από μικροοργανισμούς

Τα μεγέθη που περιγράφουν την ζυμωτική ικανότητα των μικροοργανισμών είναι η

απόδοση σε αιθανόλη και η παραγωγικότητα. Η απόδοση (yield) περιγράφει το ποσό

αιθανόλης που παράγεται ανά μονάδα υποστρώματος που καταναλώνεται από τον

μικροοργανισμό, και εκφράζεται συνήθως σε μονάδες μάζας (gr/gr), ή ως ποσοστό της

θεωρητικής απόδοσης. Θεωρητικά, από 1 gr εξόζης ή πεντόζης παράγονται 0,511 gr

αιθανόλης και 0,489 gr CO2. Ωστόσο, πρακτικά η απόδοση είναι πάντα μικρότερη της

θεωρητικής (π.χ. 90-95% για τις ζύμες), καθώς ο μικροοργανισμός καταναλώνει ένα μέρος

του υποστρώματος για τη σύνθεση νέας βιομάζας και για τη συντήρηση των κυττάρων

του. Για το βακτήριο Escherichia coli και τοn S. cerevisiae αυτές οι τιμές είναι περίπου

ίσες με 0.054 και 0.018 gr γλυκόζης / gr ξηρής κυτταρικής μάζας ανά ώρα, αντίστοιχα.

38

(Demirbas 2005, Roehr 2001) Η παραγωγικότητα (productivity) εκφράζεται σε

γραμμάρια αιθανόλης ανά λίτρο ανά ώρα.

Αυτά τα χαρακτηριστικά επηρεάζονται από διάφορους παράγοντες, με

σημαντικότερους να είναι η θερμοκρασία, η συγκέντρωση αιθανόλης και η παρουσία

ανασταλτικών ουσιών. Όταν αυτοί οι παράγοντες δρουν μεμονωμένα, είναι εφικτός ο

έλεγχός τους, εώς ένα βαθμό. Ο συνδυασμός τους όμως δημιουργεί δύσκολα ελέγξιμες

συνθήκες στον αντιδραστήρα. Άλλες παράμετροι επιρροής είναι το pH, ο ρυθμός

ανάπτυξης, η συγκέντρωση του υποστρώματος, η οσμωτική πίεση, η παρουσία οξυγόνου,

τα θρεπτικά συστατικά, οι βακτηριακές μολύνσεις, άλλα παραπροϊόντα μεταβολισμού και

η γενετική σταθερότητα του μικροοργανισμού.

Θερμοκρασία

Γενικά, οι ζυμωτικοί μικροοργανισμοί είναι μεσόφιλοι και αποδίδουν καλύτερα σε

θερμοκρασίες 30 με 38οC. Σε θερμοκρασίες πάνω από 46-48οC οι μικροοργανισμοί

παύουν να αναπτύσσονται διότι τα ένζυμα που καταλύουν όλες τις βιοχημικές αντιδράσεις

του κυττάρου μετουσιώνονται και απενεργοποιούνται. Αντίστοιχα, σε θερμοκρασίες

κάτων των 20οC η δράση των ενζύμων επιβραδύνεται τόσο, ώστε να μην μπορούν να

υποστηρίξουν την ανάπτυξη, η οποία τελικά σταματά. Μικροοργανισμοί με αυξημένη

αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες είναι επιθυμητοί για τους εξής λόγους (Hettenhaus 1998,

Roehr 2001):

• Υψηλή θερμοκρασία ζύμωσης αυξάνει εκθετικά το ρυθμό ανάπτυξης και την

παραγωγικότητα, ενώ μειώνει τη διάρκεια ζύμωσης

• Το ιξώδες του ζωμού μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Συνεπώς,

απαιτείται λιγότερη ενέργεια για τη διατήρηση κατάλληλης ανάδευσης

• Το λειτουργικό κόστος μειώνεται λόγω της αυξημένης παραγωγικότητας ανά

μονάδα όγκου του αντιδραστήρα, καθώς μειώνεται και το κόστος εξοπλισμού

ψύξης

• Τα λειτουργικά κόστη μειώνονται διότι λιγότερη ενέργεια απαιτείται για τη

διατήρηση επιθυμητής θερμοκρασίας ζύμωσης και την ανάκτηση αιθανόλης

• Η διαλυτότητα του οξυγόνου και άλλων αερίων στον πολτό της ζύμωσης μειώνεται

με την αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό το φαινόμενο υποστηρίζει τη διαμόρφωση

και τη μακροπρόθεσμη διατήρηση των αναερόβιων συνθηκών. Η βέλτιστη

θερμοκρασία για ακραίους θερμόφιλους οργανισμούς κυμαίνεται μεταξύ 66 και

39

69οC, και σε αυτές τις θερμοκρασίες η διαλυτότητα του Ο2 στο μέσο είναι 80%

χαμηλότερη απ’ότι στους 30οC

• Υποστρώματα με μικρή διαλυτότητα σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος θα

επιδεικνύουν μεγαλύτερη διαλυτότητα σε βέλτιστες θερμοκρασίες ζύμωσης. Έτσι,

η διαθεσιμότητα του υποστρώματος δεν θα αποτελεί πλέον περιοριστική

παράμετρο του ρυθμού της διαδικασίας

• Ελαττώνεται το ενδεχόμενο μόλυνσης καθώς λιγότεροι οργανισμοί επιβιώνουν σε

υψηλές θερμοκρασίες

• Η διαδικασία της ενζυμικής υδρόλυσης (σακχαροποίηση) – η οποία διεξάγεται σε

θερμοκρασία ως και 55οC – μπορεί να συνδυαστεί με τη ζύμωση, με περαιτέρω

μείωση του κόστους και της ανασταλτικής δράσης της γλυκόζης

Συγκέντρωση αιθανόλης

Η πλειονότητα των οργανισμών δεν μπορεί να αντέξει σε συγκεντρώσεις αιθανόλης άνω

του 10-15% (w/v), λόγω της τοξικής δράσης της. Αύξηση της συγκέντρωσης αιθανόλης

στην εκθετική φάση ανάπτυξης της καλλιέργειας έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του

ρυθμού ανάπτυξης (πιθανώς λόγω επίδρασης στην πρωτεϊνική σύνθεση), μείωση της

κυτταρικής βιωσιμότητας (λόγω ανεπανόρθωτης αλλοίωσης των ενζύμων) και σε

μικρότερο βαθμό μείωση της παραγωγικότητας της ίδιας της αιθανόλης (Roehr 2001). Η

αιθανόλη σε υψηλές συγκεντρώσεις φαίνεται να μεταβάλλει το βαθμό πολικότητας της

κυτταρικής μεμβράνης και του κυτοπλάσματος, προκαλώντας αυξημένη ρευστότητα της

μεμβράνης. Η μεμβράνη γίνεται περισσότερο διαπερατή από πρωτόνια, οπότε αυξάνεται η

εισροή πρωτονίων και η απαίτηση ενέργειας για τη διατήρηση του ενδοκυτταρικού pH,

ενώ μπορεί να προκληθεί μέχρι και διακοπή της ανάπτυξης (Devantier et al. 2005). Τα

φωσφολιπίδια της πλασματικής μεμβράνης παίζουν σημαντικό ρόλο στο μηχανισμό

αντοχής. Υψηλές συγκεντρώσεις ακόρεστων λιπαρών οξέων, βιταμίνες και πρωτεΐνες στη

μεμβράνη ενισχύουν την αντοχή στην αιθανόλη. Άλλοι παράγοντες όπως η σύνθεση του

υποστρώματος, η ενδοκυτταρική συγκέντρωση αιθανόλης, η οσμωτική πίεση και η

θερμοκρασία, μπορούν να επηρεάσουν την αντοχή στην αιθανόλη, η οποία φυσικά

εξαρτάται και από το είδος του μικροοργανισμού (Banat et al. 1998). Γενικά, υψηλότερη

θερμοκρασία μειώνει την αντοχή. Σε θερμοκρασίες άνω των 35οC η βιωσιμότητα των

μικροοργανισμών ελαττώνεται σε συγκεντρώσεις αιθανόλης 10% (w/v) (Hettenhaus

1998). Η ανάπτυξη μικροοργανισμών με αυξημένες αντοχές στην αιθανόλη θα επιτρέπει

τελικά διαλύματα με υψηλότερες συγκεντρώσεις αιθανόλης, γεγονός που οδηγεί σε

40

μείωση του κόστους της απόσταξης (Olofsson et al. 2008). Επίσης, ένας τρόπος μείωσης

της συγκέντρωσης αιθανόλης είναι η παράλληλη απόσταξή της κατά τη διάρκεια της

ζύμωσης (Τόσης 2008).

Αντοχή σε ανασταλτικές ουσίες

Οι αναστολείς της ζύμωσης μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες (Hettenhaus

1998):

Συστατικά που προκύπτουν από την υδρόλυση της βιομάζας: σε αυτά περιλαμβάνονται

οργανικά οξέα, όπως το οξικό, το γλυκουρονικό και το γαλακτουρονικό οξύ από την

ημικυτταρίνη, καθώς και φαινολικές ενώσεις από τη λιγνίνη. Το πιο ανασταλτικό

συστατικό για τα βακτήρια και τις ζύμες είναι το οξικό οξύ. Η διαλυμένη λιγνίνη

αποτελεί επίσης έναν παράγοντα

Ενώσεις που σχηματίζονται από την αποδόμηση των προϊόντων της προεπεξεργασίας

και της υδρόλυσης της βιομάζας: η φουρφουράλη από την ξυλόζη και η υδροξυ-

μεθυλο-φουρφουράλη (HMF) από τη γλυκόζη είναι τα πιο σημαντικά. Επιπλέον εδώ

ανήκει και ένα σύνολο αλδεϋδών, οξέων και αλκοολών από την αποδόμηση της

λιγνίνης, των σακχάρων και των πρωτεϊνών

Συστατικά από άλλες πηγές: ιόντα μετάλλων από τη διάβρωση του εξοπλισμού, θειώδη

άλατα, διοξείδιο του θείου και γαλακτικό οξύ

Όλα αυτά τα συστατικά είναι τοξικά για τους μικροοργανισμούς. Οργανικά συστατικά

μικρού μοριακού βάρους ή άλατα μπορούν να διαπεράσουν την κυτταρική μεμβράνη, ενώ

ενώσεις μεγάλου μοριακού βάρους επηρεάζουν τη δραστηριότητα των μεταφορέων

σακχάρων και ιόντων στην κυτταρική μεμβράνη. Γενικά, οι μικροοργανισμοί που

ζυμώνουν πεντόζες αναστέλλονται περισσότερο απ’ότι οι μικροοργανισμοί που ζυμώνουν

εξόζες. Ωστόσο, είναι απαραίτητο ένα στάδιο μείωσης της τοξικότητας πριν από τη

ζύμωση (Klinke et al. 2004).

Εύρος τιμών πε-χα (pH)

Τα περισσότερα βακτήρια αναπτύσσονται σε ένα εύρος τιμών pH 6,5 με 7,5, ενώ οι ζύμες

σε pH 3,5-5. Η δυνατότητα μείωσης του pH κάτω από 4 ελαττώνει τις απώλειες λόγω

βακτηριακής μόλυνσης και τις απαιτήσεις αποστείρωσης του εξοπλισμού. Ωστόσο, το

χαμηλό pH επηρεάζει δυσμενώς την περίπτωση διεξαγωγής ταυτόχρονης σακχαροποίησης

και ζύμωσης, καθώς οι κυτταρινάσες αποδίδουν καλύτερα σε pH ίσο με 5. Χαμηλότερο

41

pH επιφέρει μετουσίωση της πρωτεΐνης, εξαρτήσει της διάρκειας, της θερμοκρασίας και

της αντοχής στην αιθανόλη. (Hettenhaus 1998)

Ειδικός ρυθμός ανάπτυξης (specific growth rate)

Ο ειδικός ρυθμός ανάπτυξης (μ) ορίζεται ως η αύξηση της κυτταρικής μάζας ανά μονάδα

κυτταρικής μάζας ανά μονάδα χρόνου και εκφράζεται συνήθως ως gr/gr/h. Εξαρτάται από

πολλές άλλες παραμέτρους, όπως θρεπτικά συστατικά, ανασταλτικές ουσίες, pH και

θερμοκρασία. Ένας υψηλός ειδικός ρυθμός ανάπτυξης είναι επιθυμητός (Hettenhaus

1998).

Συγκέντρωση υποστρώματος – Οσμωτική πίεση

Σταδιακή αύξηση της αρχικής συγκέντρωσης υποστρώματος επιφέρει εώς ένα βαθμό

αύξηση της απόδοσης σε αιθανόλη, της τελικής συγκέντρωσης αιθανόλης, της

παραγωγικότητας και της ανάπτυξης των μικροοργανισμών. Από ένα σημείο όμως και

έπειτα, η υπερβολική συγκέντρωση σακχάρων επιφέρει τα αντίθετα αποτελέσματα, λόγω

αυξημένης οσμωτικής πίεσης σε συνδυασμό με αυξημένη θερμοκρασία από την επώαση.

Η ημιπερατή μεμβράνη που περιβάλλει το κύτταρο πρέπει να είναι ικανή να αντέχει στις

αλλαγές της οσμωτικής πίεσης, ειδάλλως το κύτταρο μπορεί να υποστεί σοβαρές βλάβες ή

και να θανατωθεί. Τα κύτταρα μπορούν να ‘εκραγούν’ σε ένα υποτονικό διάλυμα, όπου το

εξωκυτταρικό υγρό είναι αραιότερο απ’ότι το ενδοκυτταρικό. Αντίθετα, σε ένα υπερτονικό

διάλυμα, τα κύτταρα συρρικνώνονται λόγω της διαφοράς στην οσμωτική πίεση. Συνεπώς,

η αντοχή στην οσμωτική πίεση αποτελεί έναν από τους παράγοντες που περιορίζουν τη

μέγιστη συγκέντρωση υποστρώματος. (Hettenhaus 1998, Banat et al. 1998) Η

συγκέντρωση σακχάρων που χρησιμοποιείται συνήθως είναι 20-24% κατά βάρος.

Συγκεντρώσεις άνω των 300 gr/l εφαρμόζονται στην τεχνολογία ‘very high gravity’

(VHG) στην οποία θα αναφερθούμε στη συνέχεια (Wang et al. 1999).

Παρουσία οξυγόνου

Η επιροή του οξυγόνου στην αποτελεσματικότητα της ζύμωσης είναι πολύπλοκη.

Υπερβολική παροχή Ο2 μπορεί να αναστείλει τη ζύμωση πολλών ζυμών, ενώ

περιορισμένη παροχή ενισχύει τη ζύμωση σε άλλα είδη. Υπάρχουν τέσσερα σημαντικά

μεταβολικά φαινόμενα που σχετίζονται με το οξυγόνο, και εκδηλώνονται αναλόγα με το

είδος του μικροοργανισμού (Mousdale 2008):

42

o Φαινόμενο Kluyver: ορισμένες ζύμες μπορούν να μεταβολίσουν σημαντικούς

δισακχαρίτες (μαλτόζη, κελλοβίοζη) μόνο κάτω από αερόβιες συνθήκες και δεν

μπορούν να παράγουν αιθανόλη κάτω από οποιοδήποτε βαθμό αναεροβίωσης

o Φαινόμενο Pasteur: αναστολή του ρυθμού κατανάλωσης σακχάρων παρουσία Ο2,

αύξηση της κυτταρικής ανάπτυξης και μείωση του ρυθμού της ζύμωσης

o Φαινόμενο Crabtree: συνέχιση σχηματισμού αιθανόλης παρουσία Ο2 σε υψηλούς

ρυθμούς ανάπτυξης ή όταν παρέχεται περίσσεια σακχάρων

o Φαινόμενο Custers: αναστολή της ζύμωσης απουσία Ο2 – εκδηλώνεται μόνο από

μικρό αριθμό ειδών ζύμης, ικανών να ζυμώνουν γλυκόζη σε αιθανόλη υπό πλήρως

αεροβικές συνθήκες

Ο βέλτιστος συνδυασμός φαινοτύπων για έναν αποτελεσματικό μικροοργανισμό θα ήταν:

Θετικός κατά Pasteur, δεδομένης της αποτελεσματικής χρήσης της γλυκόζης και

άλλων σακχάρων για ανάπτυξη, όταν τα επίπεδα Ο2 είναι σχετικά υψηλά

Θετικός κατά Crabtree, για υψηλούς ρυθμούς παραγωγής αιθανόλης, με παροχή

άφθονων ζυμώσιμων σακχάρων όσο το δυνατόν συντομότερα κατά τη διεξαγωγή της

ζύμωσης

Αρνητικός κατά Custers, δηλαδή μη επιρρόη σε αυξομειούμενα και ενίοτε χαμηλά

επίπεδα Ο2

Αρνητικός κατά Kluyver, για μεγαλύτερο εύρος ζυμώσιμων σακχάρων

Θρεπτικά συστατικά

Για βέλτιστη ζύμωση, οι ζύμες απαιτούν θρεπτικές ουσίες για την παραγωγή ενέργειας και

τη σύνθεση κυτταρικών πολυμερών. Οι σχετικές απαιτήσεις σε θρεπτικά που δεν

χρησιμοποιούνται στη σύνθεση αιθανόλης βρίσκονται σε αναλογία με τα κύρια συστατικά

του κυττάρου. Αυτά περιλαμβάνουν άνθρακα, οξυγόνο, άζωτο και υδρογόνο. Μικρές

ποσότητες φωσφόρου, θείου, καλίου και μαγνησίου πρέπει επίσης να παρέχονται. Επίσης,

μέταλλα (K, Na, Mg, Ca, Zn, Fe, Mn, Cu, Co), πεπτόνη, βιταμίνες, νουκλεϊκά οξέα και

αμινοξέα απαιτούνται σε ιχνοποσοτήτες. Οι σημαντικότεροι αναπτυξιακοί παράγοντες για

τις ζύμες είναι οι βιταμίνες: βιοτίνη (Β7), παντοθενικό οξύ (Β5), ινοσιτόλη, θειαμίνη (Β1),

νιασίνη (Β3) και φολικό οξύ (Β9) (Roehr 2001). H πρόσθεση βιταμινών στο θρεπτικό μέσο

έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης σε αιθανόλη, της παραγωγικότητας και

της βιωσιμότητας των κυττάρων. Επιπλέον, το άζωτο θεωρείται ως ένα από τα πιο

σημαντικά στοιχεία, καθώς ωφελεί σε μεγάλο βαθμό στην ανάπτυξη των

μικροοργανισμών, στην αντοχή σε υψηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης και στην

43

αποτελεσματικότητα της ζύμωσης, ειδικά στην τεχνολογία ‘very high gravity’, όπου

έχουμε μεγάλες συγκεντρώσεις υποστρώματος. (Alfenore et al. 2002). Επιπλέον, έχει

αποδειχθεί ότι αυξημένες δόσεις μαγνησίου στον προς ζύμωση ζωμό ελαττώνει τις

επιπτώσεις της μεγάλης θερμοκρασίας και της τοξικότητας της αιθανόλης στα κύτταρα

των μικροοργανισμών, διατηρώντας τη δομική και λειτουργική ακεραιότητα της

κυτταρικής μεμβράνης (Birch and Walker 2000). Πολλές πρώτες ύλες για την παραγωγή

βιοαιθανόλης παρέχουν όλα τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά. Επιπρόσθετη παροχή

θρεπτικών μπορεί να απαιτείται κατά περίπτωση. Τα θρεπτικά μπορεί να παρέχονται ως

μεμονωμένα συστατικά, όπως αμμωνιακά άλατα και φωσφορικό κάλιο, είτε από φθηνές

πηγές, όπως ‘corn steep liquor’. (Roehr 2001)

Βακτηριακές μολύνσεις

Ένα από τα κύρια προβλήματα στη συνεχή παραγωγή αιθανόλης είναι η επικράτηση

βακτηριακών μολύνσεων από τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος (lactic acid bacteria –

LAB). Συνήθως, το 60% των μολύνσεων προκαλείται από είδη του γένους Lactobacilli,

όπως τα Lactobacillus delbrueckii subsp. delbrueckii, L. acidophilus, L. paracasei subsp.

paracasei και L. Brevis. Άλλα επιβλαβή βακτήρια αποτελούν είδη των Pediococcus και

Leuconostoc. Αυτά τα βακτήρια μολύνουν τη διαδικασία της ζύμωσης από τον

Saccharomyces cerevisiae και ανταγωνίζονται επιθετικά για τα θρεπτικά στοιχεία,

επηρεάζοντας τη βιωσιμότητα του κύριου μικροοργανισμού και μειώνοντας την απόδοση

σε αιθανόλη. Επιπλέον, το γαλακτικό και το οξικό οξύ, τα δύο κύρια προϊόντα από τη

ζύμωση γλυκόζης από τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος, εμποδίζουν την ανάπτυξη του

S. cerevisiae σε επίπεδα του 2,5% (κ.β.) και 0,6% (κ.β.) αντίστοιχα. Προκειμένου να

ελεγχθεί η βακτηριακή μόλυνση, χρησιμοποιούνται ακριβά αντιβιοτικά, όπως πενικιλλίνη

και virginiamycin. Ωστόσο, αναπτύσσεται αντίσταση από τα βακτήρια και δημιουργούνται

προβληματικές καταστάσεις που μπορούν να αναστείλουν τη συνεχή διεργασία. Ακόμη, η

χρήση τέτοιων αντιβιοτικών μπορεί να απελευθερώσει τοξικές ουσίες στο περιβάλλον,

μέσω του απόβλητου νερού, ή ακόμα χειρότερα, στο κατάλοιπο της απόσταξης το οποίο

θα καταναλωθεί αργότερα ως ζωοτροφή. Συνεπώς, διεξάγονται έρευνες για την παραγωγή

φυσικών αντιμικροβιακών παραγόντων, όπως τα λεγόμενα ‘hop acids’ που συνιστούν μια

ενδιαφέρουσα δυνατότητα. (Cyr 2006)

Εξίσου ανασταλτικά δρουν και μυκοτοξίνες προερχόμενες από δημητριακά που φέρουν

μολύνσεις από διάφορα είδη μυκήτων, όπως τα Aspergillus, Penicillium, Fusarium,

Claviceps και Acremonium (Mousdale 2008).

44

Άλλα παραπροϊόντα μεταβολισμού

Ένα ποσοστό 4-5% του υποστρώματος καταναλώνεται από τις ζύμες σε χημικές

αντιδράσεις για σχηματισμό ουσιών, όπως γλυκερίνη, ηλεκτρικό οξύ και οξικό άλας. Έχει

θεωρηθεί ότι εάν αυτές οι αντιδράσεις μπορούσαν να ‘εξουδετερωθούν’, η απόδοση σε

αιθανόλη θα αυξάνονταν κατά 2,7%. Η παραγωγή γλυκερίνης μπορεί να περιοριστεί μέσω

μιας προσπάθειας ρύθμισης της οξειδοαναγωγικής ισορροπίας μέσα στα κύτταρα, κάτω

από συγκεκριμένες συνθήκες μικρο-οξυγόνωσης. Επίσης, τα βακτήρια εκτός από

αιθανόλη, παράγουν και άλλα παραπροϊόντα όπως ανώτερες αλκοόλες (βουτανόλη,

ισοπροπυλική αλκοόλη, 2,3-βουτανοδιόλη), οργανικά οξέα (οξικό οξύ, μυρμηγκικό οξύ,

γαλακτικά οξέα), κετόνες (ακετόνη), πολυόλες (αραβιτόλη, γλυκερίνη, ξυλιτόλη) και

αέρια (μεθάνιο, υδρογόνο, CO2), τα οποία επηρεάζουν αρνητικά την απόδοση σε

αιθανόλη. (Cyr 2006, Roehr 2001)

Γενετική σταθερότητα

Οι ζύμες αρχικά προσαρμόζονται στο υπόστρωμα και μετά από τον εγκλιματισμό τους, η

παραγωγή αιθανόλης αυξάνεται. Η ικανότητα των τροποποιημένων μικροοργανισμών να

παραμένουν γενετικά σταθεροί έπειτα από πλήθος γενεών, είναι απαραίτητη για τη

διασφάλιση σταθερής απόδοσης. Ανασυνδυασμένα στελέχη, στα οποία η τροποποίηση

έχει γίνει στο χρωμόσωμα, γενικά επιδεικνύουν καλή γενετική σταθερότητα μετά από

πολλές γενιές που προκύπτουν σε διάστημα αρκετών μηνών. Οργανισμοί που

τροποποιούνται με εισαγωγή εξωκυτταρικού DNA σε οποιοδήποτε άλλο μέρος του

κυττάρου, όπως στο πλασμίδιο, παρουσιάζουν μεγαλύτερη γενετική αστάθεια μετά από

ημέρες η εβδομάδες λειτουργίας. Αυτό συνήθως καταλήγει σε μία πτώση της απόδοσης.

(Hettenhaus 1998)

3.2.2

Ζύμωση των σακχάρων από τον σακχαρομύκητα Saccharomyces cerevisiae

Ο Saccharomyces cerevisiae αποτελεί έναν από τους πιο ενδελεχώς ερευνηθέντες

ευκαρυωτικούς οργανισμούς στη μοριακή και κυτταρική βιολογία. Ανήκει στο γένος των

σακχαρομυκήτων (saccharomyces) του βασιλείου των μυκήτων (fungi). Είναι

μονοκύτταρος οργανισμός ωοειδούς σχήματος, μήκους 10μm και πλάτους 5μm, ο οποίος

πολλαπλασιάζεται με εκβλάστηση (budding). Πιστεύεται ότι απομονώθηκε αρχικά από τη

φλούδα των σταφυλιών, και γενικώς θεωρείται ως το πιο χρήσιμο είδος ζύμης, καθώς

χρησιμοποιείται από τα αρχαία χρόνια για την παρασκευή ψωμιού και αλκοολούχων

45

ποτών. Είναι επίσης σημαντικό το γεγονός ότι ο Saccharomyces cerevisiae έχει

αναγνωριστεί από τον αμερικανικό οργανισμό τροφίμων και φαρμάκων (FDA) ως ένας

γενικά ασφαλής οργανισμός (GRAS – generally regarded as safe).

Εικόνα 3.1: Saccharomyces cerevisiae

[http://www.magma.ca/~scimat/yeast.htm]

Επιστημονική Ταξινόμηση

Βασίλειο:

Συνομοταξία:

Υποσυνομοταξία:

Ομοταξία:

Τάξη:

Οικογένεια:

Γένος:

Είδος:

Μύκητες

Ascomycota

Saccharomycotina

Saccharomycetes

Saccharomycetales

Saccharomycetaceae

Saccharomyces

S. cerevisiae

Η παραγωγή βιοαιθανόλης από ζύμωση με τον S. cerevisiae επηρεάζεται άμεσα από

την παρουσία ή όχι οξυγόνου. Ο S. cerevisiae μπορεί να μεταβολίσει σάκχαρα όπως η

γλυκόζη, είτε εξ’ολοκλήρου σε CO2 και νερό παρουσία οξυγόνου (αεροβίωση), είτε σε

αιθανόλη και CO2 απουσία οξυγόνου (αναεροβίωση). Κατά την αεροβίωση, η γλυκόζη

οξειδώνεται πλήρως και απελευθερώνεται όλη η βιοχημική ενέργεια που περιέχεται στο

μόριό της. Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται από τον σακχαρομύκητα ώστε να επιβιώσει,

να αναπτυχθεί και να πολλαπλασιαστεί. Έτσι κάτω από αερόβιες συνθήκες παράγεται

περισσότερη βιομάζα και ελάχιστη αιθανόλη. Στην αναεροβίωση, η οξείδωση της

γλυκόζης είναι ελλειπής, οπότε παράγεται πολύ λιγότερη ενέργεια και η ζύμη

πολλαπλασιάζεται ελάχιστα, αλλά παράγεται σημαντική ποσότητα αιθανόλης. Η ανάπτυξη

της ζύμης τελικώς σταματά, διότι συστατικά απαραίτητα για την ανάπτυξη του κυττάρου,

όπως ακόρεστα λιπαρά οξέα και στερόλες, δεν μπορούν να συντεθούν χωρίς την παρουσία

οξυγόνου. Συνεπώς, ο S. cerevisiae αποδίδει καλύτερα υπό μικροαερόβιες συνθήκες, με

παροχή συγκεκριμένων μικρο-ποσοτήτων οξυγόνου, οι οποίες τυπικά κυμαίνονται μεταξύ

0,05 και 0,1 mmHg ως πίεση οξύγονου. Υψηλότερες από αυτές τιμές θα προωθήσουν την

κυτταρική ανάπτυξη εις βάρος της παραγωγικότητας σε αιθανόλη (φαινόμενο Pasteur)

(Roehr 2001). Ωστόσο, έχει αποδειχθεί ότι η παραγωγή βιοαιθανόλης κάτω από αερόβιες

συνθήκες είναι εφικτή, δεδομένων υψηλών συγκεντρώσεων γλυκόζης (>250g/l) στο

διάλυμα ζύμωσης (φαινόμενο Crabtree). (Mousdale 2008, Τόσης 2008)

46

Η ικανότητα του S. cerevisiae να παράγει μεγάλα ποσά αιθανόλης από αρκετά είδη

σακχάρων, τον καθιστά ως το πιο διαδεδομένο και εμπορικό είδος ζύμης που

χρησιμοποιείται στη βιομηχανική παραγωγή βιοαιθανόλης από σάκχαρα ή άμυλο. Τα

σάκχαρα τα οποία μπορεί να μεταβολίσει ταχέως είναι τα εξής: γλυκόζη, φρουκτόζη,

σακχαρόζη, γαλακτόζη, μαννόζη και μαλτόζη. Επίσης μπορεί να μεταβολίσει βραδέως

τους δισακχαρίτες τρεχαλόζη και ισομαλτόζη, τους τρισακχαρίτες ραφινόζη και

μαλτοτριόζη, την πεντόζη ριβόζη και το γλυκουρονικό οξύ. Αντιθέτως, δεν μπορεί να

μεταβολίσει την κελλοβιόζη, τη λακτόζη, την ξυλόζη (εκτός από μια ελάχιστη αναγωγή σε

ξυλιτόλη), τη ραμνόζη, τη σορβόζη και την μαλτοτετραόζη (Mousdale 2008). Ο S.

cerevisiae μπορεί να αναπτύσσεται και να ζυμώνει σε θερμοκρασίες 28-35οC και pH 3,5

εώς 6 (Cyr 2006). Συνήθως παράγει 10-15% (v/v) αιθανόλη με παραγωγικότητα περίπου

2,5 gr/l ανά ώρα. Η απόδοσή του σε αιθανόλη μπορεί να ξεπεράσει τα 0,45 g/g γλυκόζης

κάτω από βέλτιστες συνθήκες, ενώ έχει υψηλό ρυθμό ανάπτυξης, ως και 1,3 g/g

κυτταρικής μάζας ανά ώρα. Επίσης, χαρακτηρίζεται από μεγάλη αντοχή σε υψηλές

συγκεντρώσεις αιθανόλης ως και 100 g/l. Επιπλέον, έχει αποδειχθεί ανθεκτικός σε

ανασταλτικούς παράγοντες, γεγονός που τον καθιστά κατάλληλο για ζύμωση

λιγνοκυτταρινούχων υλών (Hettenhaus 1998, Olofsson et al. 2008). Ειδικότερα, όσον

αφορά τα κωνοφόρα δέντρα, τα οποία περιέχουν πολύ περισσότερη μαννόζη απ’ότι

ξυλόζη, ο S. cerevisiae πλεονεκτεί έναντι του ‘ανταγωνιστή’ του Zymomonas mobilis,

αφού μπορεί να ζυμώσει ταχέως, όπως αναφέρθηκε, μαννόζη και γαλακτόζη (Galbe and

Zacchi 2002).

Σχήμα 3.7: Σχηματική αναπαράσταση τυπικού κυττάρου Saccharomyces cerevisiae με εκβλάστημα (Παπανικολάου 2006)

47

Η μετατροπή της σακχαρόζης σε αιθανόλη περιλαμβάνει δύο στάδια: ενζυματική

υδρόλυση και κατόπιν ζύμωση των απλών σακχάρων. Η υδρόλυση της σακχαρόζης σε

γλυκόζη και φρουκτόζη καταλύεται από το ένζυμο ιμβερτάση (invertase), το οποίο

περιέχεται στη ζύμη, σύμφωνα με την εξής αντίδραση:

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 (γλυκόζη) + C6H12O6 (φρουκτόζη)

Έπειτα, πραγματοποιείται αλκοολική ζύμωση της γλυκόζης και της φρουκτόζης προς

παραγωγή αιθανόλης και CO2, καταλυόμενη από ένα άλλο ένζυμο της ζύμης, που καλείται

ζυμάση (zymase). Η ζύμωση περιγράφεται συνοπτικά από την εξής αντίδραση:

C6H12O6 (γλυκόζη -φρουκτόζη) → 2 C2H5OH (αιθανόλη) + 2 CO2

Η ζυμάση αποτελεί ουσιαστικά το μείγμα των ενζύμων που καταλύουν τις επιμέρους

αντιδράσεις της αλκοολικής ζύμωσης. Αναλυτικότερα, η ζύμωση της γλυκόζης έχει ως

εξής:

Αρχικά, η γλυκόζη μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό οξύ μέσω της γλυκολυτικής οδού

(όδος Embden-Meyerhoff) σύμφωνα με την απλουστευμένη αντίδραση:

C6H12O6 → 2 CH3COCOO− + 2H+

Η αντίδραση αυτή έχει σαν καθαρό αποτέλεσμα την αποθήκευση ενέργειας με τη

μετατροπή 2 μορίων ADP σε 2 μόρια ATP. Επίσης έχουμε αναγωγή 2 μορίων NAD+ και

παραγωγή 2 μορίων νερού. Στη συνέχεια, γίνεται αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού

οξέος προς ακεταλδεΰδη, που καταλύεται από το ένζυμο ‘αποκαρβοξυλάση του

πυροσταφυλικού οξέος’ που έχει σαν συνένζυμο την πυροφωσφορική θειαμίνη:

CH3COCOO− + H+ → CH3CHO + CO2

Τελικά, η ακεταλδεΰδη ανάγεται προς αιθανόλη από το ένζυμο αλκοολική δεϋδρογονάση,

με συνένζυμο NADH (Γεωργάτσος 2001):

CH3CHO + NADH + H+ ↔ C2H5OH + NAD+

48

Σχήμα 3.8: Σχηματική απεικόνιση της αλκοολικής ζύμωσης της γλυκόζης από σακχαρομύκητες [http://www.emc.maricopa.edu]

3.2.3

Ζύμωση των σακχάρων από το βακτήριο Zymomonas mobilis

Το Zymomonas mobilis είναι ένα αρνητικό κατά Gram βακτήριο το οποίο ανήκει στο

γένος Zymomonas. Είναι ραβδοειδούς σχήματος μήκους 2-6 μm και πλάτους 1-1,4 μm. Το

πρώτο στέλεχος απομονώθηκε πρώτη φορά το 1911 από τους Baker και Hillier, οι οποίοι

του απέδωσαν την “ασθένεια του μηλίτη οίνου” (cider sickness), κατά την οποία το

βακτήριο αναπτύσσεται στον αποθηκευμένο μηλίτη και παράγει μεγάλες ποσότητες

ακαταλδεΰδης, η οποία αλλοιώνει τη γεύση του. Στη συνέχεια απομονώθηκαν και άλλα

στελέχη από μηλίτες, ζύθο, χυμό σακχαροκάλαμου, χυμό φοινικόδεντρου και μέλι

(Κεφαλά 2003). Επίσης, θεωρείται ως γενικά ασφαλής οργανισμός (GRAS). Το Z. mobilis

μελετάται ως αιθανολοπαραγωγός οργανισμός από τα μέσα της δεκαετίας του ’70, λόγω

των ασυνήθιστων φυσιολογικών και βιοχημικών χαρακτηριστικών του. Σήμερα

χρησιμοποιείται για την παραγωγή βιοαιθανόλης από βιομηχανικές μονάδες, όπως η

Arkenol και η DuPond/Broin στις Η.Π.Α., και Iogen στον Καναδά (Μικροβιόκοσμος

2008). Έχει αναφερθεί πως η τεχνολογία παραγωγής αιθανόλης με χρήση του Z. mobilis

αποτελεί μια πραγματικότητα και πως θα αντικαταστήσει την τεχνολογία των ζυμών στην

εμπορική παραγωγή βιοαιθανόλης (Duff and Murray 1996).

49

Εικόνα 3.2: Zymomonas mobilis [http://www.ejbiotechnology.info]

Επιστημονική Ταξινόμηση

Βασίλειο:

Συνομοταξία:

Ομοταξία:

Τάξη:

Οικογένεια:

Γένος:

Είδος:

Βακτήρια

Πρωτεοβακτήρια

α-πρωτεοβακτήρια

Sphingomonadales

Sphingomonadaceae

Zymomonas

Z. mobilis

Το Z. mobilis είναι ένας αεροανεκτικός οργανισμός, δηλαδή το οξυγόνο δεν

απαιτείται ούτε βελτιώνει την ανάπτυξη. Ο μεταβολισμός του γίνεται αυστηρώς με

ζύμωση, ωστόσο, η παραγωγή αιθανόλης είναι εφικτή και σε αερόβιες συνθήκες, εφόσον

το βακτήριο δεν επιδεικνύει το φαινόμενο Pasteur (Roehr 2001). Το Z. mobilis πλεονεκτεί

έναντι του S. cerevisiae και γενικά των ζυμών σε αρκετούς τομείς. Εμφανίζει απλές

ζυμωτικές απαιτήσεις και παράγει καθαρότερο προϊόν σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις

χωρίς ιδιαίτερη αναστολή. Επίσης, οι ρυθμοί παραγωγικότητας είναι 2,5 με 5 φορές

μεγαλύτεροι απ’ότι στις ζύμες, ενώ η απόδοση σε αιθανόλη αγγίζει το θεωρητικό μέγιστο

(0,49-0,5 g/g γλυκόζης), 5-10% υψηλότερη από ζύμωση με τον S. cerevisiae. (Mousdale

2008, Μικροβιόκοσμος 2008)

Αυτά τα πλεονεκτήματα οφείλονται στο εξής ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του Z.

mobilis: αν και αναερόβιος οργανισμός, ζυμώνει μέσω της οδού Entner-Doudoroff, η

οποία γενικά χρησιμοποιείται μόνο από υποχρεωτικώς αερόβια βακτήρια. Είναι ανίκανο

να αποκτήσει ενέργεια με άλλους τρόπους, καθώς στερείται ενζύμων που απαιτούνται

στην γλυκολυτική οδό Embden-Meyerhof-Parnas και στον κύκλο του τρικαρβοξυλικού

οξέος. Ο μεταβολισμός της γλυκόζης μέσω της οδού Entner-Doudoroff παράγει 1 μόριο

ATP ανά μόριο γλυκόζης, ενώ οι ζύμες μεταβολίζουν τη γλυκόζη αναερόβια μέσω της

γλυκόλυσης, αποκτώντας 2 μόρια ATP ανά μόριο γλυκόζης. Αυτή η χαμηλή ενεργειακή

απόδοση αναγκάζει το βακτήριο σε υψηλότερους ρυθμούς κατανάλωσης γλυκόζης και

παραγωγής αιθανόλης στην προσπάθεια να συντηρήσει την ανάπτυξη. Επίσης,

συσσωρεύεται λιγότερη βιομάζα, καθώς περισσότερη γλυκόζη διοχετεύεται για την

50

παραγωγή αιθανόλης, παρά για κυτταρική ανάπτυξη. Οι υψηλοί παραγωγικοί ρυθμοί

επιτυγχάνονται με ελάχιστη έκλυση θερμότητας, μια σημαντική παράμετρος που πρέπει να

ελεγχθεί στην περίπτωση ζύμωσης μεγάλης κλίμακας από ζύμες. Η οδός Entner-Doudoroff

αποτελεί τη βάση για τη δυνατότητα του Z. mobilis ως ένα βιομηχανικά σημαντικό

μικροοργανισμό. Ένα ακόμα πλεονέκτημα του Z. mobilis είναι ότι κατά τη ζύμωση δεν

‘χάνεται’ υπόστρωμα γλυκόζης για την παραγωγή παραπροϊόντων (γλυκέρινη και

ανώτερες αλκοόλες), όπως συμβαίνει με τις ζύμες. Επιπλέον, οι βέλτιστες θερμοκρασίες

για τον οργανισμό κυμαίνονται μεταξύ 30 και 40οC, γεγονός σημασίας, όσον αφορά τη

περίπτωση ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης. (Mousdale 2008, Roehr 2001,

Duff and Murray 1996, Μικροβιόκοσμος 2008)

Τα πλεονεκτήματα του Zymomonas mobilis δεν σταματούν εδώ. Το Z. mobilis

επιδεικνύει αντοχή σε υψηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης που ξεπερνούν το 13% (w/v).

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η λιπιδική μεμβράνη του βακτηρίου παρουσιάζει μεγάλη

περιεκτικότητα σε οπανοειδή και βαξενικό οξύ. Όπως συμβαίνει και με τις στερόλες των

ευκαρυωτών, αυτές οι ενώσεις δρουν ως μεμβρανικοί σταθεροποιητές, ισχυροποιώντας τις

δυνάμεις Van der Waals μεταξύ των λιπιδίων, ώστε να μειώνεται η διαπερατότητα της

μεμβράνης σε μικρά μόρια (Κεφαλά 2003). Η πλασματική μεμβράνη έχει μια

φωσφολιπιδική σύνθεση, με κύριο συστατικό την φωσφατιδυλοαιθανολαμίνη και

μικρότερα ποσά φωσφατιδυλγλυκερόλης, καρδιολιπίνης, διμεθυλ-

φωσφατιδυλοαιθανολαµίνης και φωσφατιδυλοχολίνης. Σε περιβάλλοντα με υψηλές

συγκεντρώσεις αιθανόλης και γλυκόζης συμβαίνει μείωση της

φωσφατιδυλοαιθανολαμίνης και της φωσφατιδυλγλυκερόλης και αύξηση της

φωσφατιδυλοχολίνης (microbewiki.kenyon.edu). Επιπλέον, η αναστολή από το

υπόστρωμα δεν είναι σοβαρή για αυτό το βακτήριο, όπως έχει δειχθεί. Όλα τα στελέχη

αναπτύσσονται σε 20% (w/v) γλυκόζη, ενώ η ανάπτυξη μερικών στελεχών μπορεί να

συνεχιστεί μέχρι και σε 40% (w/v) γλυκόζη, αφού περάσουν μια μεγάλη φάση

εφησυχασμού (Roehr 2001, Κεφαλά 2003). Τέλος, ένα βασικό πλεονέκτημα των κυττάρων

του Z. mobilis για τη βιομηχανική παραγωγή αιθανόλης, είναι η ικανότητά τους να

παρουσιάζουν κροκίδωση. Έτσι αποφεύγεται το δαπανηρό στάδιο της φυγοκέντρισης για

το διαχωρισμό των κυττάρων από το υπερκείμενο (Κεφαλά 2003).

Τα πλεονεκτήματα του Z. mobilis έρχεται να αντισταθμίσει μια σειρά

μειονεκτημάτων. Το κύριο μειονέκτημά του είναι ότι, σε αντίθεση με άλλα βακτήρια,

μπορεί να μεταβολίσει μόνο γλυκόζη, φρουκτόζη και σακχαρόζη. Πιο συγκεκριμένα, όλα

τα στελέχη του βακτηρίου μπορούν να ζυμώσουν γλυκόζη, αλλά μόνο το 50% από αυτά

51

μπορεί να μετατρέψει τη σακχαρόζη σε γλυκόζη. Η αδυναμία ζύμωσης πεντοζών από τον

‘άγριο’ τύπο του βακτηρίου, περιόρισε αρχικά την εμπορική του χρήση. Στον πίνακα 3.2

παρουσιάζονται τα δεδομένα που προκύπτουν από τη ζύμωση γλυκόζης, φρουκτόζης και

σακχαρόζης από το Z. mobilis.

Πίνακας 3.2: Κινητικές παράμετροι για την ανάπτυξη του στελέχους ΖΜ4 του Zymomonas mobilis σε καλλιέργειες με διαφορετικά υποστρώματα άνθρακα κατά παρτίδες (αρχική συγκέντρωση 250 g/L)

Παράμετρος Υπόστρωμα

Γλυκόζη Φρουκτόζη Σακχαρόζη

Ειδικός ρυθμός ανάπτυξης, μ [h-1] 0.18 0.10 0.14

Ειδικός ρυθμός κατανάλωσης υποστρώματος, qs[g g-1h-1] 11.3 10.4 10.0

Ειδικός ρυθμός παραγωγής αιθανόλης, qp [g g-1 h-1] 5.4 5.1 4.6

Κυτταρική παραγωγή, Y [g g-1] 0.015 0.009 0.0014

Απόδοση σε αιθανόλη, YP/S [g g-1] 0.48 0.48 0.46

Απόδοση σε αιθανόλη [% της θεωρητικής τιμής] 94.1 94.1 90.2

Μέγιστη συγκέντρωση αιθανόλης [g L-1] 117 119 89

Χρονική διάρκεια υπολογισμού των μέγιστων ρυθμών [h] 0-19 0-28 0-15

(Πηγή: Roehr 2001)

Είναι προφανές ότι οι ειδικοί ρυθμοί κατανάλωσης σακχάρων και παραγωγής αιθανόλης

είναι μέγιστοι όταν χρησιμοποιείται ως υπόστρωμα η γλυκόζη. Αντίθετα, παρατηρείται

μειωμένη κυτταρική ανάπτυξη κατά τη ζύμωση φρουκτόζης ή σακχαρόζης. Η χρήση της

σακχαρόζης προκαλεί παραγωγή υπερβολικής ποσότητας ανεπιθύμητων παραπροϊόντων,

όπως λεβάνη και σορβιτόλη, κάτι που αυξάνει τη βιομάζα και περιορίζει την παραγωγή

αιθανόλης. Ακόμη, αναστολή στη ζύμωση δημιουργεί και η παραγωγή άλλων

παραπροϊόντων, όπως το οξικό, το μυρμηγκικό, το γαλακτικό ή το προπιονικό οξύ, καθώς

και υψηλότερες συγκεντρώσεις οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, η

αιθανόλη από μόνη της φαίνεται να είναι ο μεγαλύτερος ανασταλτικός παράγοντας λόγω

της επιρροής της στην πλασματική μεμβράνη, καθώς αυξάνει τη διαπερατότητά της

επιτρέποντας την απώλεια κάποιων συν-ενζύμων της γλυκολυτικής οδού Entner-

Douduroff. Ένα ακόμη μειονέκτημα είναι ότι το Z. mobilis δεν παρουσιάζει καμία

ανθεκτικότητα σε υψηλές οσμωτικές πιέσεις, που προέρχονται από υψηλές συγκεντρώσεις

αλάτων, ενώ παρουσιάζει μικρότερη αντοχή σε αναστολείς που προέρχονται από την

υδρόλυση της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας, γεγονός που καθιστά απαραίτητο ένα στάδιο

52

αποτοξίνωσης πρίν από τη ζύμωση. Τέλος, οι βέλτιστες τιμές pH για το Z. mobilis

κυμαίνονται από 4 εώς 5, οπότε το μέσο πρέπει να αποστειρώνεται όταν χρησιμοποιείται

αυτός ο μικροοργανισμός. (Mousdale 2008, Roehr 2001, Κεφαλά 2003, Olofsson et al.

2008, microbewiki.kenyon.edu)

Η απάντηση στο ποιος οργανισμός, το Z. mobilis ή ο S. cerevisiae, είναι

καταλληλότερος για τη βιομηχανική παραγωγή βιοαιθανόλης, πρέπει να αποφασιστεί με

βάση την ευκολία μεταχείρισης. Η υψηλή απόδοση σε αιθανόλη και η χαμηλή παραγωγή

βιομάζας από το Z. mobilis αντισταθμίζεται από την αναγκαιότητα αποστείρωσης του

μέσου της καλλιέργειας. Επομένως, από οικονομική σκοπιά, γενικά προτιμάται ο S.

cerevisiae (Roehr 2001).

3.2.4

Γενετικά τροποποιημένοι μικροοργανισμοί

Η βιοτεχνολογία έρχεται να δώσει λύσεις σε προβλήματα που περιορίζουν την

αποτελεσματικότητα της ζύμωσης και αποτελεί το κλειδί για ανταγωνιστική παραγωγή

βιοαιθανόλης στο μέλλον. Η γενετική τροποποίηση των μικροοργανισμών αποσκοπεί

βραχυπρόθεσμα στη βελτίωση της απόδοσης και της παραγωγικότητας, και ειδικότερα

στην επίτευξη ταυτόχρονης χρησιμοποίησης μεγάλης ποικιλίας σακχάρων, με μια

συνολική απόδοση της τάξης του 90%. Επίσης, στοχεύεται μείωση της αναστολής της

δράσης των οργανισμών από διάφορους παράγοντες, όπως π.χ. η αιθανόλη.

Μακροπρόθεσμα, αναμένεται η επίτευξη ζύμωσης αρχικά σε θερμοκρασίες 50 με 65οC,

και αργότερα σε θερμοκρασίες τουλάχιστον 70οC. Ακόμη, στοχεύεται μείωση του pH σε

τιμές 3,5 με 4 με σκοπό τη μείωση μολύνσεων, καθώς και πλήρης εξάλειψη αναστολών

και πρόσθεση αξίας μέσω παραγωγής παραπροϊόντων. Η επεξεργασία του γενετικού

υλικού είναι ευκολότερη στα βακτήρια απ’ότι στις ζύμες. Σήμερα, χρησιμοποιούνται

ανασυνδυασμένα στελέχη των Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis,

Escherichia coli, Klebsiella oxytoca και Erwinia chrysanthemi. Στην επόμενη γενιά

ανήκουν τα Bacillus stearothermophilus, Clostridium και Lactobacillus, ικανά να

ζυμώνουν σε θερμοκρασίες πολύ υψηλές σε σύγκριση με τις ζύμες. (Hettenhaus 1998,

Roehr 2001)

Προκειμένου να γίνει βιώσιμη η παραγωγή αιθανόλης από λιγνοκυτταρινική

βιομάζα, απαιτείται αποτελεσματική ζύμωση των εξοζών της κυτταρίνης και των

πεντοζών της ημικυτταρίνης. Οι πεντόζες μπορούν να ζυμωθούν από ορισμένα φυσικά

στελέχη μυκήτων, όπως οι Pichia stipitis, Pachysolen tanophilus και Candida shehatae.

53

Αυτοί οι μύκητες μπορούν να ζυμώσουν επιτυχώς ‘καθαρά’ διαλύματα ξυλόζης. Ωστόσο,

αποδείχθηκαν λιγότερο αποτελεσματικοί στη ζύμωση υδατικών διαλυμάτων

ημικυτταρίνης που προέρχονται από τα στάδια της προεπεξεργασίας της

λιγνοκυτταρινικής βιομάζας, χωρίς να έχει προηγηθεί μείωση της τοξικότητας. Αυτό

οφείλεται στη μειωμένη ανθεκτικότητά τους στις ανασταλτικές ενώσεις. Επίσης,

απαιτείται μια χαμηλή και καλά ελεγχόμενη παροχή οξυγόνου για βέλτιστη ζύμωση

ξυλόζης. (Duff and Murray 1996, Olofsson et al. 2008)

Η τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA προσφέρει τη δυνατότητα επιτυχούς

ζύμωσης των πεντοζών. Αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους:

Ενσωμάτωση γονιδίων στο γονιδίωμα μικροοργανισμών οι οποίοι έχουν την

ικανότητα να παράγουν αιθανόλη από εξόζες (π.χ. Z. mobilis, S. cerevisiae), ώστε

να χρησιμοποιούν και πεντόζες, όπως ξυλόζη και αραβινόζη για την παραγωγή

βιοαιθανόλης

Βελτίωση της παραγωγικότητας σε αιθανόλη μικροοργανισμών που έχουν την

ικανότητα να χρησιμοποιούν εξόζες και πεντόζες (π.χ. Ε. coli, K. oxytoca)

3.2.4.1 Γενετική βελτίωση του Zymomonas mobilis

Τα γενετικώς τροποποιημένα στελέχη του Z. mobilis μπορούν να χρησιμοποιούν

ξυλόζη και αραβινόζη για την παραγωγή αιθανόλης. Η τροποποίηση έγινε με ενσωμάτωση

4 γονιδίων από το Ε. coli που ελέγχουν τη μετατροπή της ξυλόζης προς αιθανόλη και

άλλων 5 γονιδίων από το Ε. coli που ελέγχουν τη μετατροπή της αραβινόζης σε αιθανόλη,

στο χρωμόσωμα του Z. mobilis. Επίσης, έχουν δημιουργηθεί στελέχη τα οποία

αναπτύσσονται σε νέα υποστρώματα, όπως άμυλο, μαννόζη και μελοβιόζη, καθώς και

στελέχη που παράγουν νέα προϊόντα, όπως L-αλανίνη, β-καροτένια και πρωτεΐνη

παγοπυρήνωσης. Τα ανασυνδυασμένα στελέχη έχουν υψηλή αντοχή στην αιθανόλη

(περίπου 11% v/v) στους 32οC, αναπτύσσονται σχετικά γρήγορα και επιδεικνύουν καλή

παραγωγικότητα. Το εύρος τιμών του pH είναι 5 ως 6 και η απόδοση σε μη ασηπτικές

συνθήκες είναι αμφισβητίσιμη. Άλλο μειονέκτημα των νέων στελεχών είναι η υψηλή

ευαισθησία σε ουσιές-αναστολείς που ελευθερώνονται κατά την προεπεξεργασία (π.χ.

οξικό οξύ), αλλά και η εκδήλωση φαινοτυπικής αστάθειας. Τέλος, η θερμοκρασία

περιορίζεται στους 35οC και ο οργανισμός είναι ευαίσθητος σε περιορισμό υποστρώματος.

(Mousdale 2008, Hettenhaus 1998, Κεφαλά 2003)

54

3.2.4.2 Γενετική βελτίωση του Saccharomyces cerevisiae

Στελέχη του S. cerevisiae ικανά να μεταβολίζουν ξυλόζη μπορούν να

κατασκευαστούν με προσθήκη του γονιδίου xylA που κωδικοποιεί την ισομεράση της

ξυλόζης (xylose isomerase - XI) από το βακτήριο Thermus thermophilus στο γονιδίωμα

της ζύμης. Εναλλακτικά, μπορεί να γίνει ενσωμάτωση γονιδίων xyl1 και xyl2 από τη ζύμη

Pichia stipitis που κωδικοποιούν τα ένζυμα xylose reductase (XR) και xylitol

dehydrogenase (XDH) αντιστοίχως. Επιπλέον, γίνεται υπερέκφραση του ενδογενούς

γονιδίου XKS1 το οποίο κωδικοποιεί το ένζυμο xylulokinase (XK), ώστε να αποκτηθεί

σημαντική ζυμωτική ικανότητα της ξυλόζης (Mousdale 2008). Επίσης, χρειάζονται

μεταφορικές πρωτεΐνες για την κατανάλωση της ξυλόζης και άλλων σακχάρων από τη

ζύμη. Στο S. cerevisiae η ξυλόζη μεταφέρεται από τους μεταφορείς των εξοζών, αλλά η

έλξη για την ξυλόζη είναι περίπου 200 φορές μικρότερη απ’ότι για τη γλυκόζη. Συνεπώς, η

κατανάλωση της ξυλόζης αναστέλλεται ανταγωνιστικά από τη γλυκόζη (Olofsson et al.

2008). Ενσωμάτωση γονιδίων από ζύμες, όπως η Candida aurigiensis, στο γονιδίωμα του

S. cerevisiae επιτρέπει την παραγωγή αιθανόλης από καταβολισμό της αραβινόζης

(Pandey 2009). Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία για τη βιομηχανία της υγρής άλεσης του

καλαμποκιού, όπου οι ίνες περιέχουν 18% αραβινάνη. Τα γενετικά τροποποιημένα

στελέχη του S. cerevisiae παράγουν συνήθως 10-15% (v/v) αιθανόλη σε pH 3,5-4,5 στους

32-38οC, με παραγωγικότητα ως και 4,5 g L-1 h-1. Αντέχουν σε συγκεντρώσεις αιθανόλης

ως και 20% (v/v) στους 30οC, ενώ εμφανίζουν υψηλή αντοχή στην οσμωτική πίεση σε

συγκέντρωση σακχάρων ως και 38% (w/v), χωρίς να προκαλείται βλάβη στη ζύμη.

Μειονέκτημα αποτελεί η γενετική αστάθεια η οποία όμως αποφεύγεται με τροποποιημένα

χρωμοσώματα, οπότε και επιδεικνύεται σταθερή απόδοση σε πολλαπλούς κύκλους,

υπερβαίνοντας τις χίλιες ώρες χωρίς μείωση της ζυμωτικής ικανότητας (Hettenhaus 1998).

3.2.4.3 Γενετική βελτίωση του Escherichia coli

Μια σειρά από τυχαίες μεταλλάξεις οδήγησαν στην εμφάνιση του στελέχους ΚΟ11

του βακτηρίου Ε. coli, το οποίο κατείχε το οπερόνιο PET από το βακτήριο Z. mobilis. Το

οπερόνιο PET περιέχει τα γονίδια που κωδικοποιούν την παραγωγή της αλκοολικής

αφυδρογονάσης (adhB) και πυρουβικής αποκαρβοξυλάσης (pdc) που ελέγχουν τα δύο

τερματικά βήματα για την μετατροπή του πυρουβικού οξέος σε αιθανόλη. Το στέλεχος

ΚΟ11 παρουσιάζει υψηλή παραγωγικότητα και ανάπτυξη, περίπου δύο φορές περισσότερο

55

από τις ζύμες. Επίσης, μπορεί να μετατρέψει πλήρως γλυκόζη, ξυλόζη και αραβινόζη σε

αιθανόλη με υψηλές αποδόσεις. Έχουν αναφερθεί αποδόσεις από 86% εώς 100% της

θεωρητικής τιμής, και τελικές συγκεντρώσεις αιθανόλης ως και 40 g/L από ζύμωση

σακχάρων που προήλθαν από υδρόλυση ημικυτταρίνης από βαγάσση, φλούδα και άχυρο

καλαμποκιού. Πλεονέκτημα επίσης αποτελεί και η ύπαρξη εμπειρίας χειρισμού του Ε. coli

σε βιομηχανική κλίμακα. Κύριο μειονέκτημά του είναι ότι η κοινή γνώμη το θεωρεί

παθογόνο μικροοργανισμό. Επίσης, το βέλτιστο pH είναι 6,5, οπότε το Ε. coli είναι

λιγότερο κατάλληλο για ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση (SSF) με τις

κυτταρινάσες από το T. reesei, των οποίων το βέλτιστο pH θεωρείται γενικά ότι είναι ίσο

με 4,8. Επιπλέον, το στέλεχος εμφανίζει ευαισθησία στη θερμοκρασία και μικρή αντοχή

στην αιθανόλη. Στους 30οC θα επιβιώσει αλλά δεν θα αναπτυχθεί σε 7-8% (v/v) αιθανόλη.

(Hettenhaus 1998, Olofsson et al. 2008)

3.2.4.4 Γενετική βελτίωση του Klebsiella oxytoca

Το βακτήριο K. oxytoca απομονώθηκε από μύλους χαροπολτού και χαρτιού και

αναπτύσσεται γύρω από άλλες πηγές από ξύλο. Μπορεί να μεταβολίσει εξόζες και

πεντόζες, και να χρησιμοποιήσει κελλοβιόζη και κελλοτριόζη, αλλά δεν εκκρίνει

ενδογλουκανάση. Μια ερευνητική ομάδα του πανεπιστημίου της Φλόριδας ενσωμάτωσε

στο στέλεχος K. oxytoca Μ5Α1 πλασμίδιο που περιείχε το οπερόνιο PET. Αυτό οδήγησε

σε αυξημένη παραγωγή αιθανόλης από γλυκόζη (94-98% της θεωρητικής τιμής) και

ταχύτατη μετατροπή της ξυλόζης σε αιθανόλη, διπλάσια απ’ότι με το Ε. coli ΚΟ11. Η

χρήση του Μ5Α1 οδηγεί σε μείωση της απαίτησης σε κυτταρινάσες, διότι το στέλεχος

παράγει κάποιες ενδογενώς. Οι βέλτιστες συνθήκες είναι pH<5 και θερμοκρασία ίση με

35οC. Το K. oxytoca είναι ιδανικό βακτήριο για συστήματα SSF και η χρήση του οδηγεί σε

μείωση απαίτησης εξωγλουκανασών, οι οποίες υδρολύουν την κελλοβιόζη και την

κελλοτριόζη. (Mousdale 2008)

3.2.5

Μέθοδοι και νέες τεχνολογίες ζύμωσης βιομηχανικού ενδιαφέροντος

Η βιομηχανική παραγωγή βιοαιθανόλης μπορεί να διεξαχθεί με την εφαρμογή τριών

κύριων μεθόδων ζύμωσης: διεργασία διαλείποντος (batch), ημι-διαλείποντος (fed-batch)

και συνεχούς (continuous) έργου. Οι διεργασίες διαλείποντος και συνεχούς έργου είναι

αυτές που χρησιμοποιούνται ευρέως. Η ανακύκλωση των κυττάρων μπορεί να εφαρμοστεί

56

επωφελώς σε οποιαδήποτε από αυτές τις μεθόδους, αλλά το υπόστρωμα πρέπει να είναι

ελεύθερο από αδιάλυτα υλικά, τα οποία θα μπορούσαν να συσσωρευτούν μαζί με τα

κύτταρα κατά τη φυγοκέντριση σε ποσά μη αποδεκτά για το σύστημα. Όλα αυτά τα

συστήματα έχουν κάποια πλεονεκτήματα αλλά και μειονεκτήματα. Ο τύπος της διεργασίας

πρέπει να επιλέγεται σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά του υποστρώματος, το επενδυτικό

και το λειτουργικό κόστος. Η παραγωγικότητα και η απόδοση είναι επίσης σημαντική

παράγοντες για την επιλογή του συστήματος. Ως ιδανική διεργασία για τη βιομηχανική

παραγωγή θεωρείται αυτή που απαιτεί ελάχιστο κόστος και παρουσιάζει μέγιστη

ανάκτηση προϊόντος. Άλλες μέθοδοι που βελτιώνουν την παραγωγή είναι η τεχνολογία

ακινητοποίησης των κυττάρων και η τεχνολογία ‘very high gravity’ (VHG).

3.2.5.1 Διεργασία διαλείποντος έργου (batch process)

Σήμερα η βιοαιθανόλη παράγεται κυρίως με την ίδια μέθοδο που αναπτύχθηκε για

τη βιομηχανική παραγωγή αλκοολούων ποτών, πρίν από τουλάχιστον εκατό χρόνια. Αυτή

η μέθοδος βασίζεται στην απλή ζύμωση κατά παρτίδες (batch) των πλούσιων σε

υδατάνθρακες υποστρωμάτων. Κατά τη μέθοδο αυτή, το υπόστρωμα και τα κύτταρα που

αναπτύχθηκαν ξεχωριστά, τροφοδοτούνται στον αντιδραστήρα μαζί με τα απαιτούμενα

θρεπτικά συστατικά και ένζυμα. Συνήθως, ο χρόνος που απαιτείται για την πλήρη

κατανάλωση του υποστρώματος είναι 36 με 48 ώρες. Η θερμοκρασία διατηρείται στους

10-30οC και το αρχικό pH προσαρμόζεται στην τιμή 4,5. Αναλόγως με τη φύση του

υποστρώματος, η αποτελεσματικότητα της μετατροπής κυμαίνεται μεταξύ 90 και 95% της

θεωρητικής τιμής, με τελική συγκέντρωση αιθανόλης 10-16% (w/v). Υπάρχει μια

συγκεκριμένη περίοδος αντίδρασης για την καλλιέργεια, κατά την οποία οι συγκεντρώσεις

των κυττάρων, του υποστρώματος (υδατάνθρακες, θρεπτικά άλατα, βιταμίνες) και των

προϊόντων μεταβάλλονται. Αυτή η ταχεία ανάπτυξη επιβραδύνεται κατά το τέλος της

περιόδου καλλιέργειας, με το ρυθμό να προσεγγίζει μηδενική τιμή. Μετά από 50-60 ώρες

το ζυμωμένο υλικό οδηγείται προς απόσταξη. Έπειτα, ο αντιδραστήρας πλένεται,

αποστειρώνεται και ανατροφοδοτείται με μια νέα παρτίδα. Ο χρόνος που ‘χάνεται’ κατά το

άδειασμα, τον καθαρισμό και την πλήρωση του αντιδραστήρα, ευθύνεται για τη μείωση

του ενεργού όγκου του αντιδραστήρα κατά 20%. Τα πλεονεκτήματα της διαλείπουσας

λειτουργίας είναι τα εξής:

Μικρότερη απαίτηση επενδυτικού κόστους και ελέγχου

Μικρή απαίτηση για πλήρη αποστείρωση

57

Χαμηλό ρίσκο οικονομικών απωλειών

Εύκολη μεταχείριση των πρώτων υλών

Δυνατότητα βέλτιστου καθορισμού των περιόδων καλλιέργειας, με επίτευξη

υψηλότερων επιπέδων μετατροπής

Χαμηλότερο ρίσκο μόλυνσης και μετάλλαξης των κυττάρων, εφόσον

χρησιμοποιούνται σχετικά μικρές περίοδοι καλλιέργειας

Ωστόσο υπάρχουν και μειονεκτήματα όπως:

Μη παραγωγικός χρόνος αδράνειας, για το άδειασμα, καθαρισμό, αποστείρωση,

ψύξη, θέρμανση και επαναπλήρωση του βιοαντιδραστήρα, οπότε μόνο το 80% του

αντιδραστήρα θεωρείται ενεργό

Συχνή αποστείρωση οδηγεί σε αποκλίσεις των οργάνων μέτρησης

Η εργοστασιακή παραγωγή απαιτεί μια εγκατάσταση για την αναπαραγωγή και

προετοιμασία εμβολιάσματος για κάθε παρτίδα. Έτσι γεννάται η ανάγκη

εξειδικευμένου προσωπικού για διατήρηση καθαρών καλλιεργειών και αποφυγή

πιθανής εισόδου μολύνσεων. Η προετοιμασία αρκετών υπο-καλλιεργειών για το

εμβολίασμα και ο έλεγχος αυτής της μη-στατικής διαδικασίας απαιτεί

περισσότερες δαπάνες

Αυξημένος κίνδυνος για το προσωπικό από επαφή με κάποιο παθογόνο

μικροοργανισμό ή τοξικά προϊόντα

Η αρχική λανθάνουσα φάση μειώνει την παραγωγικότητα του αντιδραστήρα, σε

αντίθεση με τις συνεχείς διεργασίες, όπου τα κύτταρα διατηρούνται στην εκθετική

φάση του κύκλου ανάπτυξης

Η δράση των κυττάρων αναστέλλεται από τη συσσώρευση υψηλής συγκέντρωσης

αιθανόλης στο τέλος της ζύμωσης

Η διεργασία διαλείποντος έργου είναι επιθυμητή από μικρά εργοστάσια τα οποία

δεσμεύουν μικρό επενδυτικό κόστος και γενικά προτιμάται όταν:

• Μόνο μικρά ποσά προϊόντων απαιτούνται

• Ένας αντιδραστήρας είναι αρκετός για την παραγωγή διάφορων προϊόντων

• Υπάρχει υψηλός κίνδυνος μόλυνσης

• Υπάρχει ενδεχόμενο μετάλλαξης των μικροοργανισμών

• Το προϊόν διαχωρίζεται από τον αντιδραστήρα ασυνεχώς

Σε μια προσπάθεια αύξησης της παραγωγικότητας αλλά και διατήρησης της απλότητας της

διαδικασίας, έχει εφαρμοστεί ανακύκλωση των κυττάρων σε πολλές περιπτώσεις. Όταν η

58

ζύμωση στην πρώτη παρτίδα έχει τελειώσει, η ζύμη ανακτάται και επαναχρησιμοποιείται

στην επόμενη παρτίδα. Αυτή η τεχνική ελαττώνει το χρόνο ολοκλήρωσης της ζύμωσης

κατά 60-70%, σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους. Αυτό συμβαίνει διότι μειώνεται η

λανθάνουσα φάση στην επόμενη παρτίδα, παρέχοντας μια μεγάλη ποσότητα

εμβολιάσματος. Επίσης, η αυξημένη αρχική συγκέντρωση βιομάζας στην επόμενη παρτίδα

ελαττώνει την ανάγκη κατανάλωσης υποστρώματος για κυτταρική ανάπτυξη,

βελτιώνοντας την απόδοση σε αιθανόλη. (Roehr 2001, Cyr 2006)

Συνήθως, χρησιμοποιούνται αρκετοί αντιδραστήρες οι οποίοι λειτουργούν διαδοχικά

προκειμένου να παρέχεται συνεχής ροή στο σύστημα απόσταξης. Η συνολική

παραγωγικότητα αυτής της διαδικασίας είναι περίπου 1,8-2,5 kg αιθανόλης ανά m3 ανά

ώρα. Προκειμένου να αυξηθεί η αποτελεσματικότητα της ζύμωσης, εφαρμόζεται η

μέθοδος ‘Melle Boinot’ στα περισσότερα αποστακτήρια της Βραζιλίας. Αυτή η μέθοδος

περιλαμβάνει ανάκτηση μέσω φυγοκέντρισης της ζωντανής ζύμης από το ζυμωμένο

διάλυμα και επανεμβολιασμό της σε άλλους αντιδραστήρες. (Roehr 2001, Cyr 2006)

Σχήμα 3.9: Διαγράμματα διεργασιών διαλείποντος (αριστερά) και ημι-διαλείποντος (δεξιά) έργου [http://m-biotech.biol.uoa.gr/Microbial%20Technology%20CD.pdf]

3.2.5.2 Διεργασία ημι-διαλείποντος έργου (fed-batch process)

Αυτή η μέθοδος θεωρείται ως ένας συνδυασμός των διεργασιών διαλείποντος και

συνεχούς έργου, και είναι πολύ δημοφιλής στη βιομηχανία της βιοαιθανόλης. Σε αυτή τη

μέθοδο το θρεπτικό διάλυμα που περιέχει υπόστρωμα, καλλιέργεια ζύμης, απαιτούμενα

μέταλλα και βιταμίνες, τροφοδοτείται περιοδικά καθ’όλη τη διεργασία, ενώ η εκροή

1 φορά: αρχή διεργασίας

1 φορά: τέλος διεργασίας

περιοδικά καθ’όλη τη διεργασία

1 φορά: τέλος διεργασίας

59

γίνεται ασυνεχώς. Ο στόχος αυτού του συστήματος είναι να περιοριστεί η αναστολή λόγω

υψηλών συγκεντρώσεων υποστρώματος ή αιθανόλης. Η διαδικασία ξεκινά όπως η batch

μέθοδος, αλλά με έναν όγκο σημαντικά μικρότερο από το μέγιστο ενεργό όγκο του

αντιδραστήρα. Όταν επιτευχθεί επαρκής πυκνότητα εμβολιάσματος, ξεκινά μια

στρατηγική τροφοδοσίας. Πολλές διαφορετικές τεχνικές τροφοδοσίας μπορούν να

εφαρμοστούν. Ένας τρόπος είναι η τροφοδοσία του θρεπτικού διαλύματος με σταθερό

ρυθμό ωσότου μέγιστος όγκος πληρωθεί. Επίσης, τροφοδοσία κατά εκθετικό τρόπο που

ακολουθεί τις απαιτήσεις της βιομάζας μπορεί να δώσει αποτελεσματικότερη μετατροπή

υποστρώματος σε προϊόν. Ένας τρίτος τρόπος τροφοδοσίας των θρεπτικών στον

αντιδραστήρα, γίνεται μέσω ενός συστήματος ελέγχου. Η συγκέντρωση των σακχάρων

μπορεί να μετρηθεί από παράγοντες όπως ο ρυθμός παραγωγής CO2. Όταν λοιπόν η

συγκέντρωση των σακχάρων πέσει κάτω από ένα συγκεκριμένο επίπεδο, η αντλία

τροφοδοσίας ενεργοποιείται και παρέχει το απαιτούμενο ποσό υποστρώματος. Τα

πλεονεκτήμα της μεθόδου fed-batch είναι τα εξής:

Επιτυγχάνεται υψηλή απόδοση διότι ο χρόνος καλλιέργειας καθορίζεται

αποτελεσματικά, εφόσον δεν προστίθενται ή απομακρύνονται κύτταρα κατά τη

διάρκεια καλλιέργειας. Επομένως, ο αντιδραστήρας λειτουργεί όπως στην batch

διαδικασία, όσον αφορά τους μικροοργανισμούς

Υψηλό επίπεδο ευελιξίας

Ημι-στατική μέθοδος λειτουργίας ακόμα και στις περιπτώσεις ελαφριάς

μετάλλαξης των μικροοργανισμών και ρίσκου μόλυνσης

Δυνατότητα βελτιστοποίησης των συνθηκών περιβάλλοντος, της φάσης ανάπτυξης

και παραγωγής και της ηλικίας της καλλιέργειας των μικροοργανισμών

Μειονεκτήματα της διαδικασίας εξακολουθούν να είναι η απώλεια παραγωγικού

χρόνου και ο κίνδυνος έκθεσης του προσωπικού σε παθογόνους μικροοργανισμούς, όπως

στη μέθοδο batch. Επιπρόσθετα προβλήματα αποτελούν οι υψηλότερες απαιτήσεις σε

εργατικό δυναμικό, το υψηλό κόστος οργάνων, όπως υπολογιστές, καθώς και φθορά των

οργάνων από συχνή αποστείρωση. Παρά τα μειονεκτήματα, η μέθοδος fed-batch

προτιμάται όταν η εφαρμογή συνεχούς διεργασίας είναι αδύνατη (π.χ. λόγω μετάλλαξης ή

μόλυνσης των μικροοργανισμών) ή όταν η λειτουργία batch καταλήγει σε χαμηλές τιμές

παραγωγικότητας. (Roehr 2001, Cyr 2006)

60

3.2.5.3 Διεργασία συνεχούς έργου (continuous process)

Η συνεχής ζύμωση εξαλείφει τον μη παραγωγικό χρόνο αδράνειας της μεθόδου

batch, που περιλαμβάνει όπως είπαμε άδειασμα, καθαρισμό, αποστείρωση, πλήρωση του

αντιδραστήρα, καθώς και το χρόνο της λανθάνουσας φάσης του κύκου ανάπτυξης των

κυττάρων. Το υπόστρωμα, η καλλιέργεια και άλλα θρεπτικά συστατικά τροφοδοτούνται

συνεχώς σε έναν αναδευόμενο αντιδραστήρα. Τα σάκχαρα καταναλώνονται κατά μεγάλο

μέρος, ενώ αιθανόλη και νέα κυτταρική μάζα παράγονται. Το προϊόν που αφαιρείται

συνεχώς από το άνω μέρος του αντιδραστήρα, περιέχει αιθανόλη, κύτταρα και

υπολειμματικά σάκχαρα. Ο όγκος διατηρείται σταθερός. Επίσης, παρέχεται αέρας

προκειμένου να διατηρηθεί η κυτταρική ανάπτυξη. Η λειτουργία του αντιδραστήρα γίνεται

υπό στατικές συνθήκες, οπότε η θερμοκρασία και η συγκέντρωση του διαλύματος είναι

ομοιόμορφη παντού. Στον βιοαντιδραστήρα, νέα κύτταρα γεννιούνται συνεχώς, αλλά και

αφαιρούνται συνεχώς. Στατικές συνθήκες εγγυόνται ίσους ρυθμούς ανάπτυξης και

αφαίρεσης των κυττάρων, με αποτέλεσμα σταθερή συγκέντρωση βιομάζας. Μια

κυτταρική πυκνότητα ίση με 10-12 g/L θεωρείται τυπική. Η συνολική παραγωγικότητα για

έναν απλό αντιδραστήρα C.S.T.R. (που χρησιμοποιεί ζύμη υψηλής παραγωγικότητας)

είναι περίπου 6 g L-1 h-1 αιθανόλη, η οποία είναι τριπλάσια της μέσης παραγωγικότητας

μιας batch διεργασίας. Επιπλέον, εφόσον οι μικροοργανισμοί παραμένουν συνεχώς στην

εκθετική φάση ανάπτυξης, αυξάνεται η εξαρτώμενη από το χρόνο παραγωγικότητα. Αυτό

επιτρέπει μεγαλύτερη παραγωγή ανά μονάδα όγκου του σκεύους, οπότε η μείωση του

κόστους μπορεί να αξιοποιηθεί στην κατασκευή αντιδραστήρων μικρότερου μεγέθους.

Συνοπτικά, τα πλεονεκτήματα της συνεχούς ζύμωσης είναι τα εξής (Roehr 2001, Cyr

2006):

Μακροπρόθεσμη συνεχής και υψηλότερη ογκομετρική παραγωγικότητα

Προσφέρεται μηχανοποίηση και αυτοματοποίηση για παραγωγή μεγάλης κλίμακας

Μικρότερη απαίτηση εργατικού δυναμικού και μείωση εργασιακού κόστους

Μικρότερος όγκος αντιδραστήρα, καθώς δεν υφίσταται περίοδος αδράνειας

Σταθερή ποιότητα προϊόντος λόγω ομογενών συνθηκών διαδικασίας

Μείωση πιθανότητας μόλυνσης του προσωπικού από παθογόνο μικροοργανισμό

λόγω μηχανοποίησης της διαδικασίας

Μικρότερη φθορά του εξοπλισμού από αποστείρωση

Γενική μείωση εξόδων κατά 50%

Μείωση αναστολής της ζύμωσης λόγω συνεχούς ανάκτησης της αιθανόλης

61

Στα μειονεκτήματα συγκαταλέγονται τα εξής (Roehr 2001):

Η ποιότητα του ακατέργαστου υλικού πρέπει να είναι ομοιόμορφη, καθώς οι

συνθήκες λειτουργίας δεν προσαρμόζονται εύκολα

Προβλήματα διατήρησης ενός υψηλού ρυθμού ζύμωσης

Μικρή ευελιξία διότι μόνον ελάχιστες αλλαγές είναι δυνατές στη ροή, στη σύνθεση

του μέσου, τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση οξυγόνου

Η συνεχής αποστείρωση του μέσου με χρήση ακριβού εξοπλισμού ελέγχου και

αυτοματοποίησης οδηγεί σε υψηλά επενδυτικά κόστη

Υψηλό ρίσκο μετάλλαξης των μικροοργανισμών λόγω μεγάλων περιόδων

καλλιέργειας (είτε εσωτερικά, είτε εξωτερικά από εισβολή μικροβίων)

Η συνεχής απομάκρυνση μη διαλυτού, στερεού υποστρώματος μπορεί να είναι

πολύ ακριβή

Σχήμα 3.10: Διάγραμμα απλού συστήματος συνεχούς ζύμωσης (F: ρυθμός ροής διαλύματος, S: συγκέντρωση υποστρώματος, P: συγκέντρωση προϊόντος, Χ: συγκέντρωση βιομάζας) (Cyr 2006)

Έχει δειχθεί ότι χαμηλοί ρυθμοί ζύμωσης συνδέονται με τον κυτταρικό θάνατο που

προκαλεί η έλλειψη οξυγόνου. Η απαίτηση σε οξυγόνο μπορεί να εξαλειφθεί με την

πρόσθεση συγκεκριμένων ουσιών (π.χ. Tween 80, εργοστερόλη, λινολεϊκό οξύ) στο μέσο

της ζύμωσης, ή με αναπαραγωγή της ζύμης παρουσία οξυγόνου πριν από την

αναεροβίωση. Επίσης, βέλτιστη παραγωγικότητα ζύμωσης επιτυγχάνεται με τροφοδοσία

γλυκόζης συγκέντρωσης 10%. (Roehr 2001)

Η πιο απλή εκδοχή συνεχούς ζύμωσης περιλαμβάνει έναν μόνο αντιδραστήρα

(single-stage continuous fermentation – SSCF). Η πιο σύνθετη μορφή είναι η συνεχής

ζύμωση πολλαπλών βαθμίδων (multi-stage continuous fermentation – MSCF), η οποία

περιλαμβάνει περισσότερα σκεύη. Έχει δειχθεί μαθηματικά ότι ο απαιτούμενος χρόνος

παραμονής για την παραγωγή συγκεκριμένης συγκέντρωσης αιθανόλης, χρησιμοποιώντας

62

δύο αντιδραστήρες ίσου όγκου, ήταν μειωμένος τουλάχιστον κατά 50% απ’ότι όταν

χρησιμοποιήθηκε ένας αντιδραστήρας αντίστοιχου όγκου. Επίσης, εφόσον η αναστολή του

προϊόντος μεταβάλλεται γραμμικά με την αύξηση της συγκέντρωσης αιθανόλης πάνω από

ένα κατώφλι περίπου 25 g/L, είναι πιθανό ότι πολλοί αντιδραστήρες συνδεδεμένοι σε

σειρά θα ελαχιστοποιήσουν την αναστολή, καθώς θα παρουσιάζονται διαφορετικές

συγκεντρώσεις προϊόντος σε κάθε αντιδραστήρα. Ένα ακόμη πλεονέκτημα της MSCF

είναι η δυνατότητα αφιέρωσης του αρχικού αντιδραστήρα για παραγωγή κυτταρικής

βιομάζας με παροχή οξυγόνου, και χρήση των υπολοίπων αντιδραστήρων για αναερόβια

μετατροπή των σακχάρων σε αιθανόλη. Έχει αποδειχθεί ότι ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να

παράγει υψηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης (132 g/L), με χρόνο παραμονής 116 ωρών, σε

συνθήκες ‘πολύ υψηλής βαρύτητας’ (321 g/L γλύκοζη). Επίσης έχει δειχθεί ότι με τη

χρήση συστήματος MSCF επιτυγχάνεται αύξηση της τελικής συγκέντρωσης της αιθανόλης

κατά 75%, έναντι χρήσης απλού συστήματος συνεχούς ζύμωσης, με ίδιους χρόνους

παραμονής. (Cyr 2006)

Ανακύκλωση των κυττάρων μπορεί να εφαρμοστεί στη μέθοδο MSCF ώστε να

αυξηθεί η συγκέντρωση της βιομάζας και να αποκτηθεί καλλιέργεια πολύ μεγάλης

κυτταρικής πυκνότητας. Αυτό είναι εφικτό με τη χρήση μιας συσκευής διαχωρισμού, όπως

ένας φυγοκεντρωτής ή μια μεμβράνη. Το υπερκείμενο ή το διαπεραστικό διάλυμα

οδηγείται προς απόσταξη, ενώ το κατακρήμνισμα ή η κατακρατηθείσα μάζα

ανακυκλώνεται στον πρώτο αντιδραστήρα της συστοιχίας. Έχει αναφερθεί ότι η χρήση

ενός τυπικού συστήματος δύο σταδίων με ανακύκλωση κυττάρων με χρήση συσκευής

υπερδιήθησης, πέτυχε πειραματικά πολύ υψηλή παραγωγικότητα αιθανόλης (40 g L-1h-1).

Η ανακύκλωση της βιομάζας στο πρώτο στάδιο του συστήματος MSCF μετριάζει τη

χρησιμοποίηση του υποστρώματος για παραγωγή βιομάζας. Επιπλέον, τα κύτταρα που

εξέρχονται από το σύστημα έχουν ήδη ρυθμιστεί με φυσικό τρόπο ώστε να αντέχουν σε

υψηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης οπότε και θα είναι ανθεκτικότερα κατά τη διαδικασία.

(Cyr 2006)

63

Σχήμα 3.11: Διάγραμμα συστήματος συνεχούς ζύμωσης πολλαπλών σταδίων (MSCF) με ανακύκλωση κυττάρων (Cyr 2006)

3.2.5.4 Ακινητοποίηση κυττάρων (cell immobilization)

Η ακινητοποίηση είναι ένας γενικός όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τον

περιορισμό ενός βιοκαταλύτη μέσα ή πάνω σε ένα υλικό στήριξης. Τα συστήματα

ακινητοποιημένων βιοκαταλυτών αποτελούνται από δύο στοιχεία: το φορέα

ακινητοποίησης (ανόργανο, οργανικό, φυσικό ή συνθετικό μέσο) και τους βιοκαταλύτες.

Ο όρος βιοκαταλύτης, όπως ήδη ορίστηκε αναφέρεται σε βιολογικές δομές που

εμφανίζουν ενζυμική δραστηριότητα. Περιλαμβάνει από ένα απλό ένζυμο, έως ένα

ζωντανό κύτταρο (μικροβιακό, φυτικό ή ζωικό) με το σύνολο των ενζύμων του. Ο

ακινητοποιημένος βιοκαταλύτης εκμεταλλεύεται τα φυσικά χαρακτηριστικά του υλικού

στήριξης, ενώ διατηρεί τη βασική βιοχημική δραστηριότητα του ελεύθερου καταλύτη και

βελτιώνει την αποδοτικότητά του. Η ακινητοποίηση συχνά μιμείται αυτό που συμβαίνει

στη φύση όπου κύτταρα αναπτύσσονται σε επιφάνειες ή μέσα σε φυσικές δομές. Πολλοί

μικροοργανισμοί έχουν την ιδιότητα να προσκολλώνται σε διάφορα είδη επιφανειών. Η

ανάκτηση των ακινητοποιημένων κυττάρων επιτυγχάνεται με φίλτρα, με φυγοκέντριση ή

με κατακρήμνιση. (Παπανικολάου 2006)

Οι τεχνικές ακινητοποίησης που έχουν χρησιμοποιηθεί έως σήμερα, μπορούν να

ταξινομηθούν σε τέσσερις γενικές κατηγορίες:

Προσκόλληση ή προσρόφηση σε επιφάνεια στερεού φορέα

Εγκλωβισμός σε πολυμερή δικτυωτά

Συσσωμάτωση με κροκύδωση (φυσική) ή με τη βοήθεια διαφόρων παραγόντων

(τεχνητή)

Μηχανική συγκράτηση κυττάρων σε έναν φορέα

64

Προσκόλληση ή προσρόφηση σε επιφάνεια στερεού φορέα

Η ακινητοποίηση κυττάρων σε στερεό φορέα γίνεται με φυσική προσκόλληση μέσω

ηλεκτροστατικών δυνάμεων ή ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ της κυτταρικής μεμβράνης

και του φορέα. Το πάχος του κυτταρικού στρώματος ποικίλει από μια στρώση κυττάρων

μέχρι 1mm ή περισσότερο. Συστήματα που χρησιμοποιούν ακινητοποιημένα κύτταρα σε

μια επιφάνεια είναι αρκετά δημοφιλή λόγω της σχετικής ευκολίας της μεθόδου. Η δύναμη

με την οποία τα κύτταρα συνδέονται με τον φορέα ποικίλει και δεν μπορεί να

προσδιορισθεί εύκολα. Επειδή δεν υπάρχουν εμπόδια μεταξύ των κυττάρων και του

διαλύματος, είναι πιθανό συνεχώς κύτταρα να αποσπώνται και να ακινητοποιούνται, με

αποτέλεσμα την δημιουργία μιας κατάστασης ισορροπίας μεταξύ των προσροφημένων και

των ελεύθερων κυττάρων. Παραδείγματα στερεών φορέων που χρησιμοποιούνται για αυτό

τον τύπο ακινητοποίησης είναι κυτταρινικά υλικά (π.χ ξύλο, πριονίδι), ανόργανα υλικά

(π.χ. πορώδης πορσελάνη, πορώδες γυαλί, κίσσηρη, περλίτης, γ-αλουμίνα), κ.λ.π. Η

ικανότητα προσρόφησης των στερεών φορέων, όπως το γυαλί ή η κυτταρίνη μπορεί να

ενισχυθεί, ύστερα από την επεξεργασία τους με χιτοζάνη ή άλλα χημικά. (Παπανικολάου

2006)

Εγκλωβισμός σε πολυμερή δικτυωτά

Σε αυτό τον τύπο της ακινητοποίησης τα κύτταρα, είτε αφήνονται να διεισδύσουν στο

πορώδες υλικό έως ότου η κινητικότητά τους εμποδιστεί από άλλα κύτταρα, είτε το

πήκτωμα σχηματίζεται in situ σε μια καλλιέργεια κυττάρων. Και οι δύο μέθοδοι

βασίζονται στον εγκλεισμό των κυττάρων σε ένα άκαμπτο δίκτυο, έτσι ώστε να μη

διαχέονται στο περιβάλλον μέσο, ενώ παράλληλα επιτρέπεται η συνεχής μεταφορά

θρεπτικών ουσιών και μεταβολιτών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτού του τύπου της

ακινητοποίησης είναι η παγίδευση μέσα σε πηκτώματα πολυσακχαριτών όπως αλγινικών,

κ-καραγεννάνης άγαρ, χιτοζάνης, πολυγαλακτουρονικού οξέως ή σε άλλα πολυμερή υλικά

όπως σε ζελατίνη και κολλαγόνο. Η ανάπτυξη των κυττάρων στο υλικό αυτό εξαρτάται

από τους περιορισμούς της διάχυσης που επιβάλλονται από το πορώδες του υλικού και

από την επίδραση της συσσωρευμένης βιομάζας. Αναπτύσσεται ένας ανομοιογενώς

κατανεμημένος κυτταρικός πληθυσμός και πιθανώς εκείνα τα κύτταρα που βρίσκονται

κοντά στην επιφάνεια συμπεριφέρονται διαφορετικά σε σύγκριση με τα σχετικά φτωχά

τροφοδοτούμενα κύτταρα του εσωτερικού. Ένα από τα προβλήματα του εγκλωβισμού σε

ένα πολυμερές πορώδες υλικό, όπως σε πηκτώματα πολυσακχαριτών, είναι η ικανότητα

των κυττάρων στην εξωτερική επιφάνεια του στρώματος να πολλαπλασιάζονται και να

65

απελευθερώνονται. Για να αποφευχθεί αυτό το πρόβλημα έχουν δημιουργηθεί σφαιρίδια

με δυο στρώσεις, μια εσωτερική η οποία περιέχει τα κύτταρα και μια εξωτερική που τα

συγκρατεί. (Παπανικολάου 2006)

Συσσωμάτωση με κροκύδωση (φυσική) ή με τη βοήθεια διαφόρων συνδετικών

παραγόντων (τεχνητή)

Κροκύδωση των κυττάρων ονομάζεται, η συνάθροιση των κυττάρων ώστε να

σχηματίσουν μια μεγαλύτερη μονάδα ή αλλιώς η ιδιότητα των κυττάρων σε εναιωρήματα

να σχηματίζουν θρόμβους και να καθιζάνουν γρήγορα.. Η κροκύδωση μπορεί να θεωρηθεί

τεχνική ακινητοποίησης, αφού το μεγάλο μέγεθος των συσσωματωμάτων τα καθιστά

ικανά να χρησιμοποιηθούν σε βιοαντιδραστήρες. Η ικανότητα σχηματισμού

συσσωματωμάτων, παρατηρείται κυρίως σε μύκητες και φυτικά κύτταρα. Ωστόσο σε

κυτταρικές καλλιέργειες που δεν γίνεται φυσική κροκύδωση, μπορούν να

χρησιμοποιηθούν τεχνητοί παράγοντες κροκύδωσης, ώστε να επαχθεί η συνάθροιση και η

θρόμβωση. Η κροκύδωση επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως την σύσταση του

κυτταρικού τοιχώματος, το pΗ, το διαλυμένο οξυγόνο και τη σύσταση του θρεπτικού

μέσου. (Παπανικολάου 2006)

Μηχανική συγκράτηση κυττάρων σε έναν φορέα

Ο μηχανική συγκράτηση των κυττάρων μπορεί να επιτευχθεί: με τη χρήση μεμβρανικών

φίλτρων με μικρούς πόρους, με εγκλωβισμό σε μικροκάψουλες ή με ακινητοποίηση σε μια

επιφάνεια αλληλεπίδρασης δυο μη αναμειγνυόμενων υγρών. Αυτός ο τύπος

ακινητοποίησης είναι ιδανικός όταν απαιτείται προϊόν ελεύθερο από κύτταρα και ελάχιστη

μεταφορά ουσιών. Τα κύρια μειονεκτήματα της κυτταρικής ακινητοποίησης ανάμεσα σε

μεμβράνες με μικροπόρους, είναι οι περιορισμοί στις μεταφορές των ουσιών και η πιθανή

μεμβρανική βιορύπανση που προκαλείται από την ανάπτυξη των κυττάρων.

(Παπανικολάου 2006)

Έχουν παρατηρηθεί διάφορες επιπτώσεις στην αύξηση, την φυσιολογία και την

μεταβολική δραστηριότητα των ακινητοποιημένων κυττάρων S. cerevisiae, σε σχέση με τα

ελεύθερα. Πιο συγκεκριμένα συγκριτικές μελέτες ανάμεσα σε ακινητοποιημένα και

ελεύθερα κύτταρα, αναφέρουν αύξηση των αποθηκευτικών και των δομικών

πολυσακχαριτών, μεταβολές στον ρυθμό αύξησης, αύξηση στην πρόσληψη του

υποστρώματος και στην απόδοση των προϊόντων, μείωση των παραγόμενων

66

παραπροϊόντων, υψηλότερες τιμές του ενδοκυτταρικού pH, αυξημένη ανθεκτικότητα σε

τοξικούς και ανασταλτικούς παράγοντες και αυξημένη δράση της ιμβερτάσης.

Αξιοσημείωτο είναι το φαινόμενο της αύξησης της ανθεκτικότητας στην αιθανόλη των

ακινητοποιημένων ζυμών, γεγονός σημαντικό στην παραγωγή διαλυμάτων υψηλής

αλκοολικής περιεκτικότητας. Η αλκοολική ανθεκτικότητα σχετίζεται θετικά με την

αύξηση του ποσοστού των κορεσμένων λιπαρών. Επίσης πιστεύεται πως το πολυμερές

πλαίσιο που περικλείει τα ακινητοποιημένα κύτταρα μπορεί να παρέχει ένα προστατευτικό

περιβάλλον κατά της τοξικότητας της αιθανόλης. Οι παραπάνω μεταβολές στα κύτταρα

των ζυμών έχουν αποδοθεί στο μικροπεριβάλλον των ακινητοποιημένων κυττάρων που

δημιουργείται από την στενή κυτταρική επαφή και το οποίο είναι απομονωμένο από το

υπόλοιπο σύστημα. Πιο συγκεκριμένα στο περιβάλλον αυτό μια ποικιλία παραμέτρων

όπως είναι, περιορισμοί στην διάχυση ουσιών, διαταραχές στο πρότυπο αύξησης των

κυττάρων, επιδράσεις της επιφανειακής τάσης και της οσμωτικής πίεσης, μειωμένη

ενεργότητα του νερού, διακυτταρική επικοινωνία και μετατροπή στην διαπερατότητα της

μεμβράνης, ευνοούν την αύξηση της βιωσιμότητας και της ενεργότητας των κυττάρων.

(Παπανικολάου 2006)

Τα πλεονεκτήματα από την ακινητοποίηση των κυττάρων συνοψίζονται ως εξής

(Παπανικολάου 2006, Roehr 2001):

o Με την ακινητοποίηση των κυττάρων, υπάρχει η δυνατότητα για μεγαλύτερες

κυτταρικές συγκεντρώσεις στον βιοαντιδραστήρα και συνεπώς μπορούν να

επιτευχθούν υψηλότερες αποδόσεις, μειωμένοι χρόνοι ζύμωσης και περιορισμός στις

μη-παραγωγικές φάσεις ανάπτυξης των κυττάρων

o Εξαλείφονται προβλήματα απώλειας κυττάρων σε υψηλές ταχύτητες αραίωσης

o Παρατηρείται παρατεταμένη ενεργότητα και γενετική σταθερότητα των κυττάρων. Ο

φορέας πιθανόν να δρα σαν προστατευτικός παράγοντας έναντι των φυσικοχημικών

επιδράσεων του pΗ, της θερμοκρασίας, διαλυτών ή ακόμη και βαρέων μετάλλων

o Η παρουσία στερεού σε διαλυτό μέσο, είναι γνωστό ότι συγκεντρώνει θρεπτικά υλικά

στα όρια υγρού-στερεού. Τα ακινητοποιημένα κύτταρα εκτίθενται επομένως σε

υψηλότερες συγκεντρώσεις θρεπτικών, με αποτέλεσμα υψηλότερους ρυθμούς

ζυμώσεων

o Είναι εφικτή η διεξαγωγή συνεχών διαδικασιών

o Αυξάνεται η ανθεκτικότητα έναντι των υψηλών πυκνοτήτων των θρεπτικών μέσων και

των υψηλών συγκεντρώσεων του προϊόντος (π.χ. αιθανόλης)

67

o Είναι εφικτή η διεξαγωγή ζυμώσεων σε χαμηλές θερμοκρασίες, γεγονός που οδηγεί σε

καλύτερης ποιότητας προϊόντα και εξοικονόμηση ενέργειας

o Ανάλογα με τη μέθοδο ακινητοποίησης, το περιεχόμενο του βιοαντιδραστήρα είναι

σχετικά ελεύθερο από κύτταρα, γεγονός που διευκολύνει την ανάκτηση του τελικού

προϊόντος και συνεπώς μειώνει το κόστος παραγωγής, αφού δεν απαιτείται

απομάκρυνση των κυττάρων πριν την απόσταξη

o Τα κύτταρα μπορούν να αναγεννηθούν και να ξαναχρησιμοποιηθούν σε ζυμώσεις μιας

παρτίδας για μεγάλες περιόδους, εξαλείφοντας κοστοβόρες διαδικασίες ανακύκλωσης

και ανάκτησης

o Η υψηλή πυκνότητα κυττάρων ελαττώνει τις πιθανότητες μικροβιακής μόλυνσης

o Παρέχεται η ικανότητα να χρησιμοποιηθούν μικρότεροι και πιο απλοποιημένοι

βιοαντιδραστήρες και συνεπώς μειώνεται το κόστος

Ωστόσο υπάρχουν και ορισμένα μειονεκτήματα που πρέπει να ξεπεραστούν

(Παπανικολάου 2006):

• Τα μικροβιακά κύτταρα περιέχουν και ένζυμα που καταλύουν μη επιθυμητές

αντιδράσεις. Μεταλλάξεις ή κατάλληλη επεξεργασία των κυττάρων, ενδέχεται να

αυξήσουν την ενεργότητα των μη επιθυμητών ενζύμων και να μειώσουν αυτή των

επιθυμητών

• Το κυτταρικό τοίχωμα και η κυτταρική μεμβράνη των ανέπαφων κυττάρων, συχνά

εμποδίζουν τη διάχυση των υποστρωμάτων, των προϊόντων και άλλων συστατικών της

αντίδρασης, μέσα και έξω από το κύτταρο. Αυτά τα φράγματα διάχυσης πρέπει να

καταστρέφονται με κατάλληλη επεξεργασία των κυττάρων πριν και μετά την

ακινητοποίηση

3.2.5.5 Ζύμωση με την τεχνολογία ‘very high gravity’ (VHG)

Η τεχνολογία VHG επιτρέπει τη ζύμωση σακχάρων μεγάλης συγκέντρωσης που

υπερβαίνει τα 300 g/L. Όπως έχει αναφερθεί, μεγάλη συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί

αύξηση της οσμωτικής πίεσης, η οποία έχει καταστρεπτική επίδραση στα κύτταρα της

ζύμης, με συνέπεια την αναστολή της ζύμωσης. Ωστόσο, με κατάλληλη δοσολογία όλων

των απαραίτητων θρεπτικών συστατικών, ζύμες όπως ο S. cerevisiae μπορούν να

ζυμώσουν αποτελεσματικώς αυξημένα ποσά σακχάρων. (Bafrncova et al. 1999) Ειδικά

στη βιομηχανία παραγωγής αιθανόλης από δημητριακά, η τεχνολογία VHG συνδυάζεται

68

άριστα με την τεχνολογία ‘grain pearling’, όπου γίνεται μερική αποφλοίωση των σπόρων

για απόκτηση ακόμα μεγαλύτερης πυκνότητας αμύλου.

Τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας VHG είναι τα εξής (Mousdale 2008, Wang et al.

1998):

Σημαντική μείωση της χρήση του νερού

Αύξηση της παραγωγικότητας και της τελικής συγκέντρωσης αιθανόλης στο

διάλυμα (16-23% v/v) με περαιτέρω μείωση ενεργειακών απαιτήσεων και κόστους

απόσταξης

Αποτελεσματικότερη χρήση του όγκου του αντιδραστήρα

Περιορισμός εμφάνισης μολύνσεων

Η ζύμη μπορεί να ανακυκλωθεί αποτελεσματικότερα

Τα στερεά των δημητριακών που αφαιρούνται πριν από τη ζύμωση αποτελούν

υψηλής αξίας παραπροϊόντα

Το άζωτο αποτελεί σημαντικό συστατικό του διαλύματος της ζύμωσης και παίζει

σπουδαίο ρόλο στην πορεία της αντίδρασης. Είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη και την

αναπαραγωγή των κυττάρων, ενώ επηρεάζει την αντοχή της ζύμης στην αιθανόλη καθώς

και το ρυθμό παραγωγής της αιθανόλης. Οι πηγές του αζώτου περιλαμβάνουν αμινοξέα,

διπεπτίδια, ανόργανη αμμωνία, ιόντα αμμωνίου και ουρία. Η πρόσθεση ελεύθερων

αμινοξέων (free amino nitrogen – FAN) οδηγεί σε υψηλότερη τελική συγκέντρωση

αιθανόλης και υψηλότερη συσσώρευση κυτταρικής μάζας. Σακχαρούχα διαλύματα

συγκέντρωσης 120 g/L η κατάλληλη δόση αζώτου είναι 140-150 mg FAN / L. Πυκνότερα

διαλύματα απαιτούν μεγαλύτερη συγκέντρωση FAN. Επίσης, ποσότητα 8-16 mM ουρίας

μεγιστοποιεί το ρυθμό ζύμωσης. Επιπλέον, περισσότερη ζύμη οδηγεί σε μεγαλύτερο

ρυθμό ζύμωσης. Η αναπτυσσόμενη ζύμη παράγει αιθανόλη 33 φορές ταχύτερα απ’ότι η μη

αναπτυσσόμενη, συνεπώς είναι σημαντικό να παρατείνεται η φάση ανάπτυξης όσο το

δυνατόν περισσότερο ως τη μέγιστη κυτταρική παραγωγή, για την εξασφάλιση

προβλέψιμων χρόνων ζύμωσης. Έχει δειχθεί ότι με πρόσθεση αυξημένης αρχικής δόσης

ζύμης και παρατεταμένη φάση ανάπτυξης με επαρκή τροφοδοσία οξυγόνου και ελεύθερων

αμινοξέων, σακχαρούχα διαλύματα υψηλής συγκέντρωσης μπορούν να ζυμωθούν προς

αιθανόλη συγκέντρωσης πάνω από 16% (v/v), ακόμα και σε χαμηλές θερμοκρασίες (14οC)

μέσα σε μια βδομάδα, χωρίς εκδήλωση τοξικότητας αιθανόλης (Bafrncova et al. 1999,

Mousdale 2008, Ingledew 2005).

69

Σχήμα 3.12: Βελτίωση απόδοσης της ζύμωσης δημητριακών με χρήση τεχνολογιών ‘Very High Gravity’ και ‘grain pearling’ (Mousdale 2008)

Στην τεχνολογία VHG εκτός από το άζωτο, πλήθος άλλων θρεπτικών συστατικών

και ουσιών βελτιώνουν τη ζύμωση και προστατεύουν τα κύτταρα από στρεσογόνους

παράγοντες. Τέτοια συστατικά είναι το οξυγόνο, το μαγνήσιο, το ασβέστιο, ψευδάργυρος,

άλατα θειικού και φωσφορικού οξέος, καθώς και βιταμίνες, πεπτόνη, γλυκίνη, σύμπλοκα

πρωτεϊνών-λιπιδίων, εκχύλισμα ζύμης και ακεταλδεΰδη. Έχει δειχθεί ότι η πρόσθεση

50mM άλατος μαγνησίου αλληλοδιαδοχικά με πεπτόνη αύξησε τη συγκέντρωση

αιθανόλης από 14,2% σε 17% μέσα σε 48 ώρες ζύμωσης καλαμποκάλευρου. Επίσης,

μικρά ποσά ακεταλδεΰδης μειώνουν τον απαιτούμενο χρόνο κατανάλωσης υψηλών

συγκεντρώσεων γλυκόζης (25% w/v) σε ζυμώσεις VHG. Το αλεύρι σόγιας περιέχει πολλές

πρωτεΐνες και λιπίδια τα οποία αφομοιώνονται από τη ζύμη και ενισχύουν την αντοχή

στην αιθανόλη, το ρυθμό ζύμωσης, την κατανάλωση σακχάρων και την τελική

συγκέντρωση αιθανόλης. Έχει δειχθεί ότι η πρόσθεση 4% (w/v) αλευριού σόγιας οδήγησε

σε παραγωγικότητα 2 g L-1 h-1 κατά τη ζύμωση γλυκόζης 300 g/L. Επίσης, η γλυκίνη δρα

οσμοπροστατευτικά και βελτιώνει τη ζύμωση και την κυτταρική ανάπτυξη. Πρόσθεση

γλυκίνης στο διάλυμα ζύμωσης που περιείχε γλυκόζη 350 g/L επέτρεψε παραγωγικοτητα

ίση με 0,4 g L-1 h-1. Ακόμη, όταν εκχύλισμα ζύμης προστέθηκε σε πολτό σιταριού που

περιείχε 350 και 379 g διαλυμένων στερεών / L, επιτεύχθηκε παραγωγικότητα 1,9 και 1,4

g L-1 h-1 αντίστοιχα.

70

Χωρίς την παροχή αυτών των συστατικών παρατηρείται προβληματική και αργή

ζύμωση, όπου οι ρυθμοί κατανάλωσης σακχάρων είναι εξαιρετικά χαμηλοί, ειδικά προς το

τέλος της ζύμωσης. Τα υπολειμματικά σάκχαρα που δεν ζυμώνονται αποτελούν πρόβλημα

στις ζυμώσεις VHG. Οι προβληματικές ζυμώσεις δεν οφείλονται μόνο σε ανεπάρκεια

θρεπτικών συστατικών αλλά και σε άλλους παράγοντες όπως είναι η αιθανόλη, το pH, η

θερμοκρασία, οι βακτηριακές μολύνσεις, η οσμωτική πίεση κ.ά.

Εικόνα 3.3: Βιομηχανικές μονάδες ζύμωσης για παραγωγή βιοαιθανόλης [http://www.automation.siemens.com/download/internet/cache/3/1439641/pub/en/Siemens_PI_Bio ethanol.pdf]

3.3 Κλασματική Απόσταξη και αφυδάτωση για την παραγωγή άνυδρης αλκοόλης

Η αιθανόλη που παράγεται από τη ζύμωση περιέχει σημαντική ποσότητα νερού, πιο

συγκεκριμένα η περιεκτικότητα σε αιθανόλη είναι ένα ποσοστό της τάξεως του 8 με 12%.

Κινητήρες που να μπορούν να χρησιμοποιήσουν αιθανόλη καθαρότητας 95% κατ’ όγκο

υπάρχουν μόνο στη Βραζιλία. Προκειμένου να χρησιμοποιηθεί ως συστατικό για μείγματα

με βενζίνη, η βιοαιθανόλη πρέπει να έχει καθαρότητα της ταξεως του 99,5%.

Έτσι, η διαδικασία της παραγωγής ολοκληρώνεται με την κλασματική απόσταξη του

μίγματος. Μια πρώτη απόσταξη (stripping column) αφαιρεί την αιθανόλη από το μείγμα

της ζύμωσης και δίνει μείγμα περίπου 50/50 ύδατος/αιθανόλης. Η αιθανόλη έχοντας

χαμηλότερο σημείο ζέσεως (78,5οC) από το νερό (100οC) ατμοποιείται πρώτη, συλλέγεται

και έπειτα συμπυκνώνεται. Τα εναπομείναντα στερεά αφαιρούνται από το κάτω μέρος της

στήλης, εάν δεν έχουν ήδη αφαιρεθεί πριν από την απόσταξη. Μια δεύτερη στήλη

71

(rectifier) αφαιρεί το ύδωρ μέχρι το 95 vol% αιθανόλης. Τα ζυμέλαια (fusel oils)

αφαιρούνται επίσης σε αυτήν την στήλη. Το όριο για την απόσταξη είναι 95-96 vol% λόγω

του δυαδικού αζεοτροπικού μείγματος ύδατος/αιθανόλης, το οποίο έχει σημείο βρασμού

78,15οC. Ένα υγρό μίγμα ονομάζεται αζεοτροπικό όταν έχει την ιδιότητα να παράγει

ατμούς της ίδιας με αυτό σύστασης. Δηλαδή το μίγμα συμπεριφέρεται σαν καθαρό

παρασκεύασμα. Αν χρησιμοποιηθεί μια αποδοτική στήλη απόσταξης, το πρώτο κλάσμα

που θα παραλαμβάνεται είναι αυτό του αζεοτροπικού μίγματος, το οποίο έχει το

χαμηλότερο σημείο βρασμού. Όσο αποδοτική κι αν είναι η στήλη, αποκλείεται η

παραλαβή καθαρής αλκοόλης ή έστω συγκέντρωσης μεγαλύτερης από 95%. Προκειμένου

να απομακρυνθεί το νερό που έχει απομείνει το μίγμα περνά από έναν μοριακό διαχωριστή

ο οποίος παγιδεύει την αιθανόλη. Όταν η απόσταξη, κάθαρση και αφυδάτωση γίνεται σε

πολλά στάδια είναι δυνατή η παραγωγή άνυδρης αιθανόλης συγκέντρωσης

99,5%.(Deurwaarder and Reith 2006, Παπανικολάου 2006)

Ένας άλλος τρόπος παραγωγής άνυδρης αιθανόλης από το διάλυμα αιθανόλης 95%,

περιλαμβάνει το σχηματισμό ενός άλλου, τριαδικού αζεοτροπικού μίγματος με βενζίνη.

Αυτό το αζεοτροπικό μίγμα περιέχει 74% βενζίνη, 18,5% αιθανόλη και 7,5% νερό. Το

σημείο βρασμού του είναι 68οC και μπορεί να αποσταχθεί δίνοντας άνυδρη αιθανόλη. Η

πορεία αυτή απαιτεί ένα σύστημα δυο στηλών που αποτελείται από μια ραβδωτή στήλη

αφυδάτωσης. Η πορεία όμως είναι αρκετά δαπανηρή και γι’ αυτό μελετώνται

εναλλακτικές μεθόδοι απομακρύνσεως του νερού. Το νερό είναι δυνατό να απομακρυνθεί

με τη χρήση απορροφητών, όπως θρυμματισμένα δημητριακά και ανόργανα ξηραντικά.

Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν διαλύτες για την αιθανόλη που δεν αναμιγνύονται

με το νερό, όπως ο φθαλικός διβουτυλεστέρας και το CO2. (Παπανικολάου 2006)

Η απόσταξη απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας. Το αυξανόμενο ενεργειακό κόστος,

ειδικά στην Ευρώπη, έχει οδηγήσει σε μια αυξανόμενη έμφαση στην ανάκτηση της

θερμότητας και τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Στην πράξη αυτό

πραγματοποιείται με τη χρησιμοποίηση των συστημάτων επανασυμπίεσης ατμού ή

συστήματα απόσταξης πολλαπλών σταδίων-υψηλής πίεσης, με συνέπεια μια μείωση 40-

80% της κατανάλωσης ατμού. Η επένδυση ωστόσο για αυτά τα συστήματα είναι

υψηλότερη απ' ότι για τη συμβατική τεχνολογία απόσταξης. Η πραγματική κατανάλωση

ενέργειας από την απόσταξη εξαρτάται έντονα από τη συγκέντρωση αιθανόλης μετά τη

διαδικασία ζύμωσης. Όσο υψηλότερη η συγκέντρωση αιθανόλης τότε, τόσο χαμηλότερο

το ενεργειακό κόστος για την απόσταξη, όπως παρουσιάζεται στο ακόλουθο σχήμα. Η

72

αφυδάτωση για να πάρουμε τη βιοαιθανόλη συγκέντρωσης 99,5 vol% απαιτεί πρόσθετη

ενέργεια. (Deurwaarder and Reith 2006)

Σχήμα 3.13: Η ενεργειακή απαίτηση για απόσταξη 95% κατ’ όγκο αιθανόλης. Το ενεργειακό περιεχόμενο της αιθανόλης είναι 21,2 MJ/l. Το θεωρητικό ελάχιστο βασίζεται στη θερμοδυναμική, το πρακτικό ελάχιστο λαμβάνει υπόψη του περιορισμούς στο μέγεθος των πύργων απόσταξης. (Deurwaarder and Reith 2006)

Εικόνα 3.4: Μονάδα απόσταξης βιοαιθανόλης [http://www.automation.siemens.com/download/ internet/cache/3/1439641/pub/en/Siemens_PI_Bio ethanol.pdf]

73

4. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ 2ΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΑΠΟ ΛΙΓΝΟ- ΚΥΤΤΑΡΙΝΙΚΗ ΒΙΟΜΑΖΑ

Η παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινούχες ύλες θεωρείται ως μια από τις

πιο ελπιδοφόρες μεθόδους για το άμεσο μέλλον. Η λιγνοκυτταρινούχος βιομάζα αποτελεί

την πιο άφθονη, ανανεώσιμη πηγή υδατανθράκων που μπορεί να διατεθεί για την

παραγωγή βιοκαυσίμου. Σε παγκόσμια βάση, τα χερσαία φυτά παράγουν 1,3 x 1010 τόνους

ξύλου το χρόνο (ισοδύναμο με 7 x 109 τόνους κάρβουνου), ή περίπου τα 2/3 της

παγκόσμιας ενεργειακής ζήτησης. Αγροκαλλιέργειες και άλλες πηγές παράγουν 180

εκατομμύρια τόνους κυτταρινούχων υλών το χρόνο. Επιπλέον, τεράστια ποσά κυτταρίνης

διατίθενται στα δημοτικά και βιομηχανικά απόβλητα τα οποία προκαλούν προβλήματα

ρύπανσης (Pandey 2009). Το μικρό κόστος των πρώτων υλών σε συνδυασμό με την

αφθονία τους και το γεγονός ότι η παραγωγή τους δεν επηρεάζει τις τιμές των τροφίμων,

κάνει την παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινική βιομάζα ιδιαιτέρως ελκυστική.

Ωστόσο, σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής βιοαιθανόλης 1ης γενιάς από

σακχαρούχες και αμυλούχες πρώτες ύλες, η παραγωγή βιοαιθανόλης από

λιγνοκυτταρινούχες ύλες βρίσκεται ακόμα σε πιλοτικό στάδιο, λόγω της πολυπλοκότητας

και του κόστους της επεξεργασίας των πρώτων υλών.

Υπάρχουν τρεις μέθοδοι παραγωγής βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινική βιομάζα:

Η βιοχημική μέθοδος, η οποία περιλαμβάνει υδρόλυση της βιομάζας, αλκοολική

ζύμωση των σακχάρων και απόσταξη

Η θερμοχημική μέθοδος, η οποία περιλαμβάνει αεριοποίηση της βιομάζας και

καταλυτική μετατροπή μέσω syngas σε αιθανόλη και άλλα μίγματα αλκοολών

Η συνδυασμένη θερμοχημική-βιοχημική μέθοδος, η οποία περιλαμβάνει

αεριοποίηση της βιομάζας και ακόλουθη ζύμωση μέσω syngas σε αιθανόλη

Η βιοχημική μέθοδος παραγωγής βιοαιθανόλης βρίσκεται σε πιο προηγμένο στάδιο

σε σχέση με τις άλλες μεθόδους, και αναμένεται σύντομα να εισέλθει στη φάση της

μαζικής παραγωγής. Πάντως, υπάρχουν ακόμα αρκετά εμπόδια που πρέπει να

ξεπεραστούν, τα οποία αφορούν κυρίως το μεγάλο κόστος της υδρόλυσης, της μετατροπής

δηλαδή των πολυσακχαριτών της βιομάζας σε απλά ζυμώσιμα σάκχαρα. Πολλές έρευνες

διεξάγονται για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας της υδρόλυσης, ώστε να μειωθεί το

κόστος και να αυξηθεί η απόδοση σε σάκχαρα, με απώτερο στόχο την παραγωγή

74

βιοαιθανόλης 2ης γενιάς σε εμπορική κλίμακα. Το κεφάλαιο αυτό επικεντρώνεται κυρίως

στη βιοχημική μέθοδο παραγωγής βιοαιθανόλης.

4.1 Σύσταση της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας

Το κυτταρικό τοίχωμα των φυτών αποτελείται κυρίως από κυτταρίνη, ημικυτταρίνη,

λιγνίνη, πηκτίνες και πρωτεογλυκάνη. Η περισσότερη ωστόσο μάζα του φυτού

αποτελείται από κυτταρίνη (40-60 % επί ξηρού βάρους), ημικυτταρίνη (20-40 %) και

λιγνίνη (10-25 %).

Η κυτταρίνη (cellulose) είναι ένα γραμμικό πολυμερές μορίων κελλοβιόζης

(cellobiose), ενός δισακχαρίτη ο οποίος αποτελείται από 2 γλυκόζες ενωμένες με β(14)

γλυκοζιτικό δεσμό. Κυτταρίνες από διάφορες πηγές περιέχουν από 300 έως 2.500 μονάδες

κελλοβιόζης (Γεωργάτσος 2001). Δέσμες μορίων κυτταρίνης σχηματίζουν μικρο-ίνες, οι

οποίες με τη σειρά τους αναπτύσσονται σε ίνες και τελικώς σε κυτταρινικές ίνες. Οι

δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των μορίων οδηγούν σε μια ανθεκτική μικρο-κρυσταλλική δομή

(Duff and Murray 1996).

Σχήμα 4.1: Μόριο κυτταρίνης [http://www.chemeng.ntua.gr/courses/trbio/files/KEF%201 %20XHMEIA%202.pdf]

Η ημικυτταρίνη (hemicellulose) είναι μια άμορφη ετερογενής ομάδα

διακλαδωμένων πολυσακχαριτών η οποία περιβάλλει τις κυτταρινικές ίνες και

παρεισφρύει στην κυτταρίνη μέσω πόρων. Η ημικυτταρίνη μπορεί να είναι ξυλάνη (xylan),

ξυλογλυκάνη (xyloglucan) ή γλυκομαννάνη (glucomannan), ανάλογα με τον τύπου του

φυτού. Η ξυλάνη είναι η πιο συνήθης μορφή ημικυτταρίνης και απαντάται κυρίως στα

φυλλοβόλα δέντρα και στα γεωργικά υπολείμματα. Αποτελείται από μια αλυσίδα μορίων

ξυλόζης, ενωμένων με δεσμούς β(14), που μπορεί να συνδέεται με μόρια αραβινόζης,

75

γαλακτόζης, πλάγιες αλυσίδες από ο-μεθυλεστέρες γλυκουρονικού οξέος (πηκτίνες) κ.ά. Η

ξυλογλυκάνη αποτελείται από αλυσίδες γλυκόζης δεσμού β(14), οι οποίες ενώνονται με

αλυσίδες ξυλόζης (xylose) δεσμού β(16). Η γλυκομαννάνη, η οποία βρίσκεται κυρίως

στα κωνοφόρα δέντρα, αποτελείται από αλυσίδες μαννόζης και γλυκόζης δεσμού β(14).

Η άμορφη φύση της ημικυτταρίνης καθιστά εύκολη την υδρόλυσή της. (Duff and Murray

1996, Pandey 2009, Γεωργάτσος 2001)

Σχήμα 4.2: Μόριο ημικυτταρίνης (ξυλάνη) [http://www.mikrobiokosmos.org/gr/MBK1/user/image/36.christakopoulos _mbk1.pdf]

Η λιγνίνη (lignin) είναι ένα πολύπλοκο πολυμερές φαινυλοπροπανόλης, το οποίο

περιβάλλει και δυναμώνει τη δομή του πλέγματος κυτταρίνης και ημικυτταρίνης. Καθώς η

δομή της λιγνίνης δεν σχετίζεται με απλά μόρια σακχάρων, δεν μπορεί να ζυμωθεί.

Παρ’όλα αυτά, μπορεί να διαχωριστεί από τη βιομάζα και να αξιοποιηθεί ως καύσιμο για

την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ατμού. (Pandey 2009, BNDES and CGEE 2008)

76

Σχήμα 4.3: Παράδειγμα πιθανής δομής της λιγνίνης με τα τρία κυρίως μονομερή κάτω δεξιά [http://en.wikipedia.org/wiki/Lignin]

Πίνακας 4.1: Σύνθεση διαφόρων τύπων λιγνοκυτταρινικής βιομάζας (% επί ξηρού βάρους)

Πρώτη ύλη Κυτταρίνη Ημικυτταρίνη Λιγνίνη Στάχτη Λοιπά

στοιχεία

Πράσινη άλγη 20 - 40 20 - 50 — — —

Βαμβάκι 80 - 95 5 - 20 — — —

Θάμνοι 25 - 40 25 - 50 10 - 30 0.6 ± 0.2 5 ± 3

Φυλλοβόλα δέντρα 45 ± 2 30 ± 5 20 ± 4 0.8 ± 0.2 6 ± 2

Φλοιοί φυλλοβόλων 22 - 40 20 - 38 30 - 55 0.5 ± 0.1 3 ± 2

Κωνοφόρα δέντρα 42 ± 2 27 ± 2 28 ± 3 0.8 ± 0.2 4 ± 2

Φλοιοί κωνοφόρων 18 - 38 15 - 33 30 - 60 12 - 16 1 - 3

Στελέχη καλαμποκιού 39 - 47 26 - 31 3 - 5 11 - 14 7 ± 2

Άχυρο σιταριού 37 - 41 27 - 32 13 - 15 — —

Εφημερίδες 40 - 55 25 - 40 18 - 30 — — Χημικοί πολτοί 60 - 80 20 - 30 2 - 10 — —

(Πηγή: Demirbas 2005)

77

Πίνακας 4.2: Περιεκτικότητα σακχάρων σε ξύλο φυλλοβόλων και κωνοφόρων δέντρων (% επί ξηρού βάρους)

Σάκχαρο Κωνοφόρα Φλοιός

κωνοφόρων

Φυλλοβόλα Φλοιός

φυλλοβόλων

Γλυκόζη 61 - 65 57 - 63 55 - 73 53 - 65

Ξυλόζη 9 - 13 11 - 15 20 - 39 18 - 36

Μαννόζη 7 - 16 6 - 16 0.4 - 4 0.3 - 3

Γαλακτόζη 6 - 17 1 - 5 1 - 4 1 - 6

Αραβινόζη < 3.5 4 - 11 < 1 2 - 8

Ραμνόζη < 1 < 1 < 1 < 1

Ουρονικό οξύ 4 - 7 — 4 - 7 —

(Πηγή: Demirbas 2005)

Σχήμα 4.4: Δομή του κυτταρικού τοιχώματος των φυτών (Pandey 2009)

78

Σχήμα 4.5: Γενικό διάγραμμα ροής παραγωγής βιοαιθανόλης 2ης γενιάς (Hamelinck et al. 2003)

4.2 Ο ρόλος της προεπεξεργασίας των λιγνοκυτταρινούχων πρώτων υλών

Όπως και στην περίπτωση των αμυλούχων πρώτων υλών, τα σάκχαρα που

βρίσκονται στη λιγνοκυτταρινική βιομάζα δεν μπορούν να ζυμωθούν απευθείας από τους

μικροοργανισμούς. Απαιτείται πρώτα η μετατροπή της κυτταρίνης και της ημικυτταρίνης

σε απλά σάκχαρα, η οποία βασίζεται στη μέθοδο της υδρόλυσης (σακχαροποίηση), της

διάσπασης δηλαδή των πολυσακχαριτών σε εξόζες και πεντόζες, οι οποίες στη συνέχεια

μπορούν να ζυμωθούν για την παραγωγή βιοαιθανόλης. Η υδρόλυση της κυτταρίνης

θεωρείται ως το κύριο στάδιο της υδρόλυσης και μπορεί να είναι είτε όξινη (με χρήση

πυκνού ή αραιού διαλύματος οξέος), είτε ενζυμική, με χρήση ειδικών ενζύμων, τις

κυτταρινάσες. Η ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης, ωστόσο, συναντά διάφορα εμπόδια

λόγω της σύνδεσης της δεύτερης με τη λιγνίνη και την ημικυτταρίνη με δεσμούς

υδρογόνου. Ο ρυθμός της κυτταρινόλυσης είναι αντιστρόφως ανάλογος με την

περιεκτικότητα της βιομάζας σε λιγνίνη. Επίσης η κρυσταλλικότητα της δομής της

κυτταρίνης, ο βαθμος πολυμερισμού και η επιφάνεια πρόσβασης των ενζύμων αποτελούν

καθοριστικούς παράγοντες της αποτελεσματικότητας της υδρόλυσης. Ο ρυθμός

υδρολύσεως ακατέργαστης λιγνοκυτταρινικής βιομάζας είναι αργός, ενώ η

Λιγνοκυτταρινική βιομάζα

Προεπεξεργασία

Υδρόλυση

Ζύμωση

Απόσταξη

Ξήρανση

Άνυδρη Βιοαιθανόλη 99,5%


Η2Ο

CO2

Παραγωγή Ενέργειας

(CHP)

Ηλεκτρισμός

Λιγνίνη Οργανικά απόβλητα

Ατμός

79

αποτελεσματικότητα συχνά δεν ξεπερνά το 20%. Έτσι, πριν από την ενζυμική υδρόλυση

πρέπει να προηγηθεί κατάλληλη προεπεξεργασία της πρώτης ύλης ώστε να αφαιρεθεί η

λιγνίνη, να υδρολυθεί ολόκληρη ή μέρος της ημικυτταρίνης και να τροποποιηθεί η δομή

της κυτταρίνης, με αποτέλεσμα να αυξηθεί η προσβασιμότητα των ενζύμων στην

κυτταρίνη. (Pandey 2009)

Από την υδρόλυση της ημικυτταρίνης παράγονται κυρίως πεντόζες σύμφωνα με την

αντίδραση:

(C5H8O4) n + n H2O n C5H10O5

Αυτό που χαρακτηρίζει μία ιδανική προεπεξεργασία είναι η υψηλή (τελική)

απόδοση σε ζυμώσιμα σάκχαρα, ο χαμηλός ή μηδενικός σχηματισμός παραπροϊόντων που

αναστέλλουν την ακόλουθη ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης και τη ζύμωση (οργανικά

οξέα και αρωματικές ενώσεις από το διαχωρισμό της ημικυτταρίνης και της λιγνίνης), η

απουσία απαίτησης ανακύκλωσης χημικών, η μικρή ή μηδενική παραγωγή αποβλήτων και

το χαμηλό κόστος επένδυσης (Reith et al. 2002). Η προεπεξεργασία της βιομάζας ενισχύει

την αποτελεσματικότητα της κυτταρινικής υδρόλυσης, επιτυγχάνοντας παραγωγή

γλυκόζης που συχνά υπερβαίνει το 90% (Hamelinck et al. 2003).

Σχήμα 4.6: Διάσπαση της λιγνίνης και απελευθέρωση της κυτταρίνης και ημικυτταρίνης μέσω ειδικής προεπεξεργασίας [http://www.ligninbiofuels.com]

80

4.3 Μέθοδοι προεπεξεργασίας των λιγνοκυτταρινούχων πρώτων υλών

Ένα μεγάλο εύρος μεθόδων προεπεξεργασίας της λιγνοκυτταρίνης έχει δοκιμαστεί

από πολλούς ερευνητές, οι οποίες μπορούν γενικά να ταξινομηθούν σε φυσικές, φυσικο-

χημικές, χημικές και βιολογικές μεθόδους. Οι φυσικές μέθοδοι περιλαμβάνουν μηχανικές

διεργασίες, όπως τεμαχισμό ή άλεση και μη μηχανικές, όπως ακτινοβολία ακτίνων γ,

ακτινοβολία μικροκυμάτων και πυρόλυση. Οι περισσότερες από αυτές τις μεθόδους έχουν

περιορισμένη αποτελεσματικότητα και συχνά έχουν μεγάλο κόστος. Οι φυσικο-χημικές

μέθοδοι περιλαμβάνουν χρήση ατμού –με ή χωρίς αποσυμπίεση (έκρηξη)- με ή χωρίς

κατάλυση οξέων, αμμωνίας ή CO2. Οι φυσικές και φυσικο-χημικές μέθοδοι οδηγούν σε

μείωση του μεγέθους και συμπύκνωση της πρώτης ύλης, αποκρυσταλλοποίηση και μείωση

του βαθμού πολυμερισμού της κυτταρίνης, αύξηση της επιφάνειας πρόσβασης και του

μεγέθους των πόρων, εξασθένηση και μερικό αποπολυμερισμό της λιγνίνης, μερική

υδρόλυση της ημικυτταρίνης. Οι χημικές μέθοδοι περιλαμβάνουν χρήση αραιού ή πυκνού

οξέος, αλκαλική υδρόλυση, υγρή οξείδωση και χρήση οργανικών διαλυτών (μέθοδος

organosolv). Οι χημικές μέθοδοι έχουν ως αποτέλεσμα τη μείωση της κρυσταλλικότητας

και του βαθμού πολυμερισμού της κυτταρίνης, μερική ή ολική υδρόλυση της

ημικυτταρίνης και απομάκρυνση της λιγνίνης. Οι βιολογικές μέθοδοι χρησιμοποιούν

μύκητες για την αποδόμηση της λιγνίνης και μείωση του βαθμού πολυμερισμού της

ημικυτταρίνης και της κυτταρίνης. Απαιτούν μικρά ποσά ενέργειας και είναι φιλικές προς

το περιβάλλον. Στα μειονεκτήματα συγκαταλλέγονται ο πολύ αργός ρυθμός υδρόλυσης, ο

δηλητηριασμός των μικροοργανισμών από παράγωγα της λιγνίνης και η σημαντική

απώλεια ξυλάνης και μαννάνης (πολυμερές της μαννόζης). Οι βιολογικές μέθοδοι μπορούν

να θεωρηθούν αποδοτικές ως προς το κόστος εάν συνδυαστούν με άλλες φυσικές ή

χημικές μεθόδους. (Pandey 2009, Hu et al. 2008)

Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των σημαντικότερων μεθόδων

προεπεξεργασίας παρουσιάζονται στον πίνακα 4.3. Από τη σύγκριση προκύπτει ότι η

μέθοδος του καρβονικού οξέος (carbonic acid process) και η μέθοδος της αλκαλικής

υδρόλυσης (alkaline extraction), έχουν την καλύτερη απόδοση. Ωστόσο, οι πιο κοινές

μέθοδοι που χρησιμοποιούνται είναι η χρήση ατμού (steam explosion) και η προ-υδρόλυση

με χρήση αραιού οξέος (dilute acid prehydrolysis) (Pandey 2009).

81

Πίνακας 4.3: Ποιοτική αξιολόγηση επιλεγμένων μεθόδων προεπεξεργασίας της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας

Μέθοδος

προεπεξεργασίας

Παραγωγή

ζυμώσιμων

σακχάρων

Παραγωγή

ανασταλτικών

ουσιών

Ανακύκλωση

χημικών

Παραγωγή

αποβλήτων

Κόστος

επένδυσης

Μηχανική - ++ ++ ++ +

Χρήση ατμού (steam

explosion) + -- ++ + --

Χρήση ατμού-

αμμωνίας (AFEX) +/- ++ -- + -

Καρβονικό οξύ ++ ++ ++ ++ +

Αραιό οξύ ++ -- -- - +/-

Πυκνό οξύ ++ -- -- - -

Αλκαλική υδρόλυση ++/+ ++ -- - ++

Υγρή οξείδωση +/- + ++ + +

Οργανικοί διαλύτες

(organosolv) ++ ++ - + --

Το ‘+’ και το ‘-’ συμβολίζουν θετική ή αρνητική αξιολόγηση. Για τα διάφορα κριτήρια το ‘+’ σημαίνει:

‘υψηλή παραγωγή ζυμώσιμων σακχάρων’, ‘καθόλου ή μικρή παραγωγή ανασταλτικών παραπροϊόντων’,

‘καμία απαίτηση για ανακύκλωση χημικών’ και ‘χαμηλό κόστος επένδυσης’ αντίστοιχα.

(Πηγή: Pandey 2009)

4.3.1 Χρήση ατμού (Steam explosion)

Κομμάτια ξύλου θερμαίνονται με κορεσμένο ατμό θερμοκρασίας 210-300οC υπό

πίεση 3,5-7 Mpa για διάρκεια 1 εώς 10 λεπτών. Ο ατμός διεισδύει στη μάζα και

προκαλείται μια αντίδραση αυτοϋδρόλυσης του μεγαλύτερου μέρους της ημικυτταρίνης

από τα οργανικά οξέα που βρίσκονται στο ξύλο. Στη συνέχεια λαμβάνει χώρα μια

απότομη αποσυμπίεση σε ατμοσφαιρική πίεση και προκαλείται έκρηξη της βιομάζας, που

κατακερματίζει τη δομή της και σχηματίζει μια λεπτή σκόνη. Επίσης ένα μικρό ποσοστό

της λιγνίνης απομακρύνεται. Μελέτες έχουν δείξει ότι με τη μέθοδο αυτή μπρορεί να

ανακτηθεί ξυλόζη και σάκχαρα σε ποσοστό 45-65%. Επίσης έχει δειχθεί ότι κομμάτια

ξύλου λεύκας επεξεργασμένα με ατμό, μπορούν εν συνεχεία να υδρολυθούν ενζυμικά σε

ποσοστό 90% μέσα σε 24 ώρες, σε αντίθεση με αντίστοιχο ποσοστό υδρόλυσης 15%

ακατέργαστων κομματιών. Τέλος, η έκρηξη με ατμό κομματιών ξύλου κόκκινης δρυός

82

έχει αφαιρέσει 10 έως 20% της λιγνίνης. Καθοριστικές μεταβλητές της διεργασίας με

χρήση ατμού είναι ο χρόνος, η θερμοκρασία, το μέγεθος των κομματιών του ξύλου και η

περιεκτικότητα σε υγρασία. Καλα αποτελέσματα μπουρούν να επιτευχθούν είτε με υψηλή

θερμοκρασία και μικρό χρόνο παραμονής (270οC και 1 λεπτό) είτε με χαμηλή

θερμοκρασία και μεγάλο χρόνο παραμονής (190οC και 10 λεπτά). Γενικά, όταν το μέγεθος

των κομματιών είναι μεγάλο αυξάνεται ο χρόνος παραμονής με ακόλουθη μείωση της

θερμοκρασίας ώστε να αποφευχθεί υπερθέρμανση του εξωτερικού των κομματιών και

παραγωγή ανασταλτικών παραγόντων. Επίσης είναι σημαντική προϋπόθεση τα κομμάτια

να μην περιέχουν υπερβολικό ποσό υγρασίας. Εάν οι πόροι περιέχουν νερό δεν λαμβάνει

χώρα η διείσδυση του ατμού και η μεταφορά θερμότητας γίνεται μέσω αγωγής, γεγονός

που καθυστερεί την έναρξη της αυτοϋδρόλυσης. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης ατμού

είναι η μικρή απαίτηση ενέργειας και οι αμελητέες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Στα

μειονεκτήματα συγκαταλλέγονται η καταστροφή ενός μέρους της ξυλάνης, η ατελής

διάλυση της λιγνίνης, η παραγωγή ενώσεων που αναστέλλουν την ακόλουθη ζύμωση, η

απαίτηση μικρού μεγέθους κομματιών ξύλου και η μικρή απόδοση σε ξύλο κωνοφόρων.

Ωστόσο η μέθοδος χρήσης ατμού με έκρηξη είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος

προεπεξεργασίας ξύλου φυλλοβόλων δέντρων και γεωργικών υπολειμμάτων (Pandey

2009, Duff and Murray 1996).

Μία παραλλαγή της μεθόδου με χρήση ατμού και έκρηξη, χρησιμοποιεί ως

καταλύτη αμμωνία. Η μέθοδος αυτή ονομάζεται ammonia freeze explosion (AFEX).

Συμπυκνωμένη αμμωνία προστίθεται στη βιομάζα υπό πίεση και θερμοκράσια έως και 100 οC. Μετά από μερικά λεπτά απελευθερώνεται απότομα η πίεση, προκαλώντας έκρηξη, και

εν συνεχεία η αμμωνία εξατμίζεται και ανακτάται. Η μέθοδος AFEX διασπά τη

λιγνοκυτταρινική δομή, μειώνει την περαιτέρω απαίτηση σε κυτταρινάσες, χωρίς ωστόσο

να αφαιρεί ημικυτταρίνη και λιγνίνη. Η επεξεργασμένη κατ’αυτόν τον τρόπο βιομάζα

μπορεί να μετατραπεί ευκολότερα σε σάκχαρα μέσω ενζύμων και κατόπιν σε αιθανόλη. Η

μέθοδος με χρήση αμμωνίας είναι πιο οικονομική από αυτή χωρις βοήθεια καταλυτών, δεν

παράγει ανασταλτικά προϊόντα, όμως απαιτεί την ανακύκλωση της αμμωνίας για

οικονομικούς και περιβαλλοντικούς λόγους (Pandey 2009).

Άλλη μια παραλλαγή της μεθόδου ατμού με έκρηξη χρησιμοποιεί ως καταλύτη το

διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Το CO2 μεγιστοποιεί την πίεση, ενώ σε υψηλές

θερμοκρασίες αντιδρά με το συμπύκνωμα ατμού προς παραγωγή καρβονικού οξέος

(H2CO3), το οποίο ενισχύει την αυτοϋδρόλυση. Έχει αποδειχθεί ότι η χρήση ατμού-

έκρηξης σε άχυρο, βαγάσση και ξύλο ευκαλύπτου, παρουσία CO2 στους 200οC, αποδίδει

83

έως και 75% ξυλόζης. Η παραγωγή γλυκόζης για την ακόλουθη ενζυμική υδρόλυση είναι

χαμηλότερη σε σύγκριση με τη μη-καταλυόμενη μέθοδο ατμού και τη μέθοδο AFEX.

Ωστόσο η χρήση ατμού με κατάλυση CO2 είναι οικονομικότερη και δεν προκαλεί

σχηματισμό ανασταλτικών ουσιών (Pandey 2009, Duff and Murray 1996).

4.3.2 Μέθοδος καρβονικού οξέος (carbonic acid process)

Διοξείδιο του άνθρακα διαλύεται σε ζεστό νερό υπό πίεση με συνέπεια το

σχηματισμό καρβονικού οξέος (H2CO3), το οποίο μπορεί να καταλύσει την υδρόλυση της

ξυλάνης σε θερμοκρασίες από 170-230οC και μέτριο pH. Το καρβονικό οξύ

συμπεριφέρεται καλύτερα από τα περισσότερα ανόργανα οξέα, παρουσιάζει μειωμένη

διαβρωτικότητα και μειωμένες απαιτήσεις εξουδετέρωσης. Επίσης, το καρβονικό οξύ

μπορεί να διατίθεται χωρίς κόστος, καθώς το CO2 μπορεί να ανακτηθεί ως παραπροϊόν της

διαδικασίας της αλκοολικής ζύμωσης. Η μέθοδος καρβονικού οξέος είναι ιδιαιτέρως

ελκυστική λόγω της υψηλής απόδοσης σε σάκχαρα, του περιορισμένου σχηματισμού

ανασταλτικών ουσιών και της μηδενικής παραγωγής αποβλήτων. (Walsum 2001, Reith et

al. 2002)

4.3.3 Αλκαλική υδρόλυση (alkaline extraction)

Το καυστικό νάτριο (NaOH) χρησιμοποιείται ως παράγοντας ενδοκρυσταλλικής

διόγκωσης για την κρυσταλλική και άμορφη κυτταρίνη. Η επιτυχία αυτής της μεθόδου

εξαρτάται από το ποσοστό της λιγνίνης στη βιομάζα. Διάλυμα καυστικού νατρίου

προκαλεί διάλυση της δομής της λιγνίνης, διαχωρισμό της από τους υδατάνθρακες, καθώς

και μερική αφαίρεση της ημικυτταρίνης. Η διόγκωση οδηγεί σε αύξηση της εσωτερικής

επιφάνειας και του μεγέθους των πόρων, καθώς και μείωση του βαθμού πολυμερισμού και

της κρυσταλλικότητας. Θεωρείται ότι ο μηχανισμός που λαμβάνει χώρα είναι

σαπωνοποίηση των ενδομοριακών εστερικών δεσμών που συνδέουν την ημικυτταρίνη με

τη λιγνίνη. Το πορώδες της λιγνοκυτταρινικής ύλης αυξάνει με την αφαίρεση αυτών των

δεσμών, οδηγώντας σε διόγκωση και αύξηση της προσβασιμότητας των ενζύμων. Ο

βαθμός της υδρόλυσης μεγαλώνει με την αύξηση της συγκέντρωσης του NaOH. Τα

ιδανικά επίπεδα κυμαίνονται μεταξύ 5 και 8 γραμμαρίων NaOH ανά 100 γραμμάρια

υποστρώματος. Η απόδοση σε ξυλόζη κυμαίνεται από 60 ως 75%. Εχεί δειχθεί ότι η

επεξεργασία ξύλου φυλλοβόλων δέντρων με NaOH αυξάνει την ικανότητα αποσύνθεσής

84

του, από 14 σε 55%, ενώ το περιεχόμενο σε λιγνίνη μειώνεται από 24-55% σε 20%.

Επίσης, η επεξεργασία είναι αναποτελεσματική για ξύλο κωνοφόρων δέντρων με

περιεκτικότητα σε λιγνίνη άνω του 26%. Μολονότι το κόστος λειτουργίας των

αντιδραστήρων είναι μικρότερο από το αντίστοιχο στις μεθόδους με οξέα, η αλκαλική

υδρόλυση έχει τα εξής μειονεκτήματα: μικρή πυκνότητα της μάζας του υποστρώματος,

απαίτηση πλύσης για ανάκτηση ημικυτταρίνης και λιγνίνης, υψηλή συγκέντρωση χημικών

που δημιουργεί περιβαλλοντικά ζητήματα και πιθανώς απαγορευτικό κόστος

ανακύκλωσής τους και μεταχείρισης του απόβλητου νερού. (Pandey 2009, BNDES and

CGEE 2008)

Μια παραλλαγή της αλκαλικής υδρόλυσης χρησιμοποιεί το υδροξείδιο του

ασβεστίου [Ca(OH)2], ένα φθηνό και πιο ασφαλές χημικό.

4.3.4 Προϋδρόλυση με χρήση αραιού οξέος (dilute acid prehydrolysis)

Αυτή η μέθοδος υδρολύει και αφαιρεί σχεδόν όλο το κλάσμα ημικυτταρίνης,

οδηγώντας σε αύξηση του πορώδους και της προσβασιμότητας των ενζύμων στο κλάσμα

της κυτταρίνης. Το ποσοστό διάλυσης της λιγνίνης και της κυτταρίνης είναι συνήθως

μικρό. Η καταλυόμενη από οξέα υδρόλυση χρησιμοποιεί αραιό θειικό (H2SO4),

υδροχλωρικό (HCl) ή νιτρικό οξύ (HNO3). Αραιό θειικό οξύ συγκέντρωσης 0,5-1,5%, σε

θερμοκρασίες άνω των 160οC, αποδείχθηκε ως το καταλληλότερο οξύ για βιομηχανική

παραγωγή, λόγω της υψηλής απόδοσής του σε ξυλόζη (75-90%) από την υδρόλυση της

ημικυτταρίνης. Μια παραλλαγή της μεθόδου που διεξάγεται σε δυο στάδια, έχει αναφερθεί

για ξύλο φυλλοβόλων δέντρων. Κατά το πρώτο στάδιο, θερμοκρασία 140οC

χρησιμοποιήθηκε για την υδρόλυση του εύκολα αποδομούμενου κλάσματος, ενώ στο

δεύτερο στάδιο η θερμοκρασία αυξήθηκε αργά εώς τους 170οC για να υδρολυθεί το

κλάσμα της ημικυτταρίνης που ήταν πιο δύσκολο να αποδομηθεί. Επεξεργασία με H2SO4

συγκέντρωσης 1 ως 2% σε λιγότερο από 220οC και χρόνο παραμονής μερικών λεπτών,

μειώνει το βαθμό πολυμερισμού της κυτταρίνης, ενώ η κρυσταλλικότητα δεν μειώνεται.

Πριν από τη ζύμωση, το οξύ πρέπει να αφαιρεθεί ή να εξουδετερωθεί, παράγοντας μεγάλα

ποσά γύψου (CaSO4·2H2O). Η μέθοδος με χρήση αραιού θειικού οξέος απαιτεί υψηλό

κόστος επένδυσης, κατανάλωση οξέος και κόστος ανάκτησης του οξέος (Pandey 2009).

http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen�

http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen�

85

4.4 Υδρόλυση της κυτταρίνης

Ενώ η αφαίρεση της λιγνίνης και η υδρόλυση της ημικυτταρίνης ανήκουν στο

στάδιο της προεπεξεργασίας, η υδρόλυση της κυτταρίνης θεωρείται ως η κύρια φάση

μετατροπής της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας σε σάκχαρα (σακχαροποίηση). Κατά την

υδρόλυση, η κυτταρίνη μετατρέπεται σε απλά μόρια γλυκόζης σύμφωνα με την αντίδραση:

(C6H10O5) n + n H2O n C6H12O6

Αυτή η αντίδραση καταλύεται από αραιό οξύ, πυκνό οξύ ή ένζυμα. (Hamelinck et al.

2003)

4.4.1 Υδρόλυση με αραιό οξύ

Η υδρόλυση με χρήση αραιού οξέος είναι η παλαιότερη μέθοδος μετατροπής της

κυτταρινικής βιομάζας. Η πρώτη προσπάθεια εμπορικής παραγωγής αιθανόλης από ξύλο

με αυτή τη μέθοδο έγινε το 1898 στη Γερμανία. Το οξύ που προτιμάται είναι το θειικό οξύ.

Η μέθοδος αραιού οξέος διεξάγεται σε δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο αποτελεί ουσιαστικά

την υδρόλυση της ημικυτταρίνης, η οποία παρουσιάστηκε στο υποκεφάλαιο 4.2.4. Εάν η

αντίδραση συνεχιζόταν, τα παραγόμενα σάκχαρα θα μετατρέπονταν σε άλλα χημικά –

κυρίως φουρφουράλη (furfural). Η υποβάθμιση αυτή όχι μόνο μειώνει την παραγωγή

σακχάρων, αλλά η φουρφουράλη και άλλα παραπροϊόντα μπορούν να εμποδίσουν τη

διαδικασία της ζύμωσης. Επομένως, το πρώτο στάδιο διεξάγεται κάτω από ηπιότερες

συνθήκες, π.χ. χρήση θειικού οξέος συγκέντρωσης 0,7% σε θερμοκρασία 190οC για

διάρκεια 3 λεπτών, ώστε να ανακτηθούν οι πεντόζες. Το δεύτερο στάδιο διεξάγεται κάτω

από εντονότερες συνθήκες π.χ. χρήση θειικού οξέος συγκέντρωσης 0,4% σε θερμοκρασία

215οC για 3 λεπτά, προκειμένου να υδρολυθεί η ανθεκτικότερη κυτταρίνη για την

ανάκτηση των εξοζών. Με τη μέθοδο υδρολύσεως παρουσία αραιού οξέος μπορούν να

παραχθούν 89% μαννόζης, 82% γαλακτόζης και 50 έως 70% γλυκόζης. (Hamelinck et al.

2003)

4.4.2 Υρόλυση με πυκνό οξύ

Η μέθοδος αυτή διεξάγεται κάτω από ατμοσφαιρική πίεση και σε θερμοκρασία 40οC,

διαρκεί από 2 εώς 6 ώρες και περιλαμβάνει δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο γίνεται

86

προϋδρόλυση της βιομάζας, μέσω εμβάπτισής της σε θειικό οξύ συγκέντρωσης 30-40%.

Στο δεύτερο στάδιο, το διάλυμα σε συμπυκνώνεται, αυξάνοντας τη συγκέντρωση του

οξέος σε 70%, με αποτέλεσμα την υδρόλυση της βιομάζας. Τα περιεχόμενα διαχωρίζονται

και γίνεται ανάκτηση οξέος και σακχάρων. Ο διαχωρισμός του οξέος από τα σάκχαρα

γινόταν στο παρελθόν με χρήση μεμβρανών και είχε αποτελεσματικότητα έως και 80%,

ενώ σήμερα γίνεται με συνεχή ανταλλαγή ιόντων και επιτυγχάνεται ανάκτηση 97% οξέος,

ενώ 2% των σακχάρων χάνεται. Το οξύ συμπυκνώνεται σε εξατμιστήρες πολλαπλών

βαθμίδων, ανακυκλώνεται και τροφοδοτείται ξανά στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας. Η

υδρόλυση με πυκνό οξύ επιτυγχάνει πολύ υψηλή απόδοση σε σάκχαρα (90%), ενώ η

χαμηλή θερμοκρασία και πίεση, ελαχιστοποιούν την υποβάθμιση των σακχάρων. Ωστόσο,

είναι μια σχετικά αργή διαδικασία, ενώ η ανακύκλωση του οξέος και η χρήση εξοπλισμού

ανθεκτικού στη διάβρωση αυξάνουν το κόστος. Χωρίς διαχωρισμό του οξέος, μεγάλες

ποσότητες υδροξειδίου του ασβεστίου πρέπει να χρησιμοποιηθούν για την εξουδετέρωση

του οξέος στο σακχαρούχο διάλυμα. Η εξουδετέρωση σχηματίζει μεγάλες ποσότητες

γύψου, ο οποίος απαιτεί διάθεση και δημιουργεί επιπλεόν κόστος. (Hamelinck et al. 2003,

Demirbas 2005)

Σχήμα 4.7: Διάγραμμα ροής παραγωγής βιοαιθανόλης με υδρόλυση πυκνού οξέος (αριστερά) και αραιού οξέος (δεξιά)

Λιγνοκυτταρινική βιομάζα

Προϋδρόλυση με διάλυμα 30-

40% H2SO4

Υδρόλυση με πυκνό διάλυμα

70% H2SO4

Προϋδρόλυση με διάλυμα 0,7% H2SO4

Υδρόλυση με διάλυμα 0,4%

H2SO4

Διαχωρισμός οξέος-σακχάρων

Ζύμωση Απόσταξη

Βιοαιθανόλη

Ζύμωση

Απόσταξη

Βιοαιθανόλη

Ανακύκλωση οξέος

190οC – 3 min

215οC – 3 min

40οC 2-6 h

87

4.4.3 Ενζυμική υδρόλυση

Η ενζυμική υδρόλυση χρησιμοποιεί ως καταλύτες ειδικά ένζυμα, που γενικότερα

αναφέρονται ως κυτταρινάσες (cellulases). Οι ήπιες συνθήκες διεξαγωγής της διαδικασίας

(45-70οC και pH 4,8) επιτρέπουν υψηλή απόδοση σε σάκχαρα (75-95%) και μείωση του

κόστους. Επίσης το κόστος συντήρησης είναι μικρό, καθώς δεν υπάρχει πρόβλημα

διάβρωσης, όπως συμβαίνει με την όξινη υδρόλυση. Το βασικό μειονέκτημα της ενζυμικής

υδρόλυσης είναι το υψηλό κόστος των ενζύμων. Αν και η μέθοδος της όξινης υδρόλυσης

είναι τεχνολογικά ωριμότερη, πολλοί ειδικοί θεωρούν ότι η ενζυμική υδρόλυση είναι το

κλειδί για ανταγωνιστική παραγωγή βιοαιθανόλης στο μέλλον, λόγω της μεγάλης

δυνατότητας ανάπτυξης και περαιτέρω μείωσης του κόστους, καθώς η τεχνολογία

βελτιώνεται (BNDES and CGEE 2008).

4.4.3.1 Συνεργητική δράση των ενζύμων – μηχανισμός της υδρόλυσης

Οι κυτταρινάσες παράγονται από διάφορους μικροοργανισμούς και περιλαμβάνουν

διάφορες τάξεις ενζύμων. Οι β(14) γλυκοζιτικοί δεσμοί των πολυμερών της κυτταρίνης

υδρολύονται από αυτά τα ένζυμα και παράγεται γλυκόζη ως κύριο προϊόν, καθώς και

κελλοβιόζη και ολιγοσακχαρίτες. Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι κυτταρινασών: Οι ενδο-β-

γλουκανάσες (EG), οι εξω-γλουκανάσες (CBH) και οι β-γλυκοσιδάσες (BG). Οι

ενδογλουκανάσες ‘επιτίθενται’ τυχαία στις αλυσίδες της κυτταρίνης παράγοντας

πολυσακχαρίτες μικρότερου μήκους. Οι εξω-γλουκανάσες συνδέονται στις άκρες αυτών

των αλυσίδων και αποσπούν μόρια κελλοβιόζης, ενώ οι β-γλυκοσιδάσες διασπούν την

κελλοβιόζη και τους πολυσακχαρίτες, απελευθερώνοντας γλυκόζη και ολοκληρώνοντας

την υδρόλυση. Το σύστημα λοιπόν αυτών των ενζύμων λειτουργεί συνεργητικά ώστε να

μετατρέψει την κρυσταλλική κυτταρίνη σε γλυκόζη. Ο μηχανισμός αυτός παρουσιάζεται

στο σχήμα 4.8. Οι κυτταρινάσες μπορούν να παραχθούν από μύκητες ή βακτήρια μέσω

της τεχνικής της στερεάς ζύμωσης (solid state fermentation – SoSF) ή της ζύμωσης βυθού

(submerged fermentation SmF), χρησιμοποιώντας ως υπόστρωμα διάφορες

λιγνοκυτταρινούχες ύλες. Στο μέλλον, η παραγωγή των ενζύμων θα λαμβάνει χώρα στον

ίδιο αντιδραστήρα όπου ταυτόχρονα θα γίνεται η υδρόλυση και η ζύμωση. Αυτή η

μέθοδος θα είναι αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη. Οι μικροοργανισμοί που

χρησιμοποιούνται στην εμπορική παραγωγή κυτταρινασών είναι οι μύκητες Trichoderma

reesei, Aspergillus niger, Humicola insolens και τα βακτήρια Thermomonospora fusca και

88

Bacillus sp. Ωστόσο, οι μύκητες είναι αυτοί που κερδίζουν την περισσότερη προσοχή από

τους ερευνητές, λόγω των αεροβικών συνθηκών ανάπτυξής τους και του ικανοποιητικού

ρυθμού παραγωγής. (Pandey 2009, Hamelinck et al. 2003)

Σχήμα 4.8: Ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης (συνεργητισμός) [http://www.mikrobiokosmos.org/gr/MBK1/user/image/36.christakopoulos_mbk1.pdf]

4.4.3.2 Η διαδικασία της ενζυμικής υδρόλυσης – Τεχνικά προβλήματα και λύσεις

Ακατέργαστο μείγμα κυτταρινασών προστίθεται σε διάλυμα νερού και

προεπεξεργασμένου κυτταρινικού υλικού. Η συγκέντρωση του υποστρώματος σπάνια

ξεπερνά το 10% (w/v), λόγω ρεολογικών προβλημάτων. Χαμηλή συγκέντρωση

υποστρώματος οδηγεί σε μείωση της απόδοσης και του ρυθμού της αντίδρασης.

Αντίστοιχα, μεγάλος λόγος υποστρώματος/ενζύμου λειτουργεί επίσης ανασταλτικά. Ο

ρυθμός και ο βαθμός της υδρόλυσης αυξάνεται κατά τρόπο μη γραμμικό, με την παροχή

των ενζύμων να σταματά στο σημείο όπου όλες οι διαθέσιμες θέσεις σύνδεσης της

κυτταρίνης να έχουν κορεστεί με κυτταρινάση. Πρακτικά, αναλόγως με τον τύπο του

υποστρώματος που υδρολύεται, το φορίο των ενζύμων ποικίλει μεταξύ 7 και 33 FPU/g

89

υποστρώματος. Η μονάδα FPU (filter paper unit) ορίζεται ως το ποσό του ενζύμου το

οποίο απελευθερώνει 2 mg σακχάρων σε μία ώρα, σε θερμοκρασία 50οC και pH 4.8. Η

θερμοκρασία των 50οC δεν επιτρέπει την ανάπτυξη μικροοργανισμών, οπότε δεν υπάρχει

απώλεια υποστρώματος. Ο πολτός της υδρόλυσης αναδεύεται ήπια, καθώς έντονη

ανάδευση προκαλεί απώλεια ενζύμων λόγω των διατμητικών δυνάμεων. Η διάρκεια της

διαδικασίας κυμαίνεται από 1,5 εώς 3 ημέρες. Ο αρχικός ρυθμός της υδρόλυσης είναι

γρήγορος, ωστόσο στη συνέχεια μειώνεται λόγω των ανασταλτικών ενδιάμεσων και

τελικών προϊόντών (κελλοβιόζη, γλυκόζη) και της μειούμενης δραστικότητας των

ενζύμων που σχετίζεται με το χρόνο της αντίδρασης. Τα ανασταλτικά προϊόντα μπορούν

να αντιμετωπιστούν με διάφορους τρόπους αναλόγως του τύπου της διεργασίας. Σε

διεργασίες διαλείποντος έργου (batch) προστίθεται επιπλέον ποσότητα β-γλυκοσιδάσης

ώστε να μετατραπεί η κελλοβιόζη στην λιγότερο ανασταλτική γλυκόζη. Σε διεργασίες

ημιδιαλείποντος έργου (fed-batch) πραγματοποιείται αφαίρεση των ανασταλτικών

σακχάρων είτε με υπερδιήθηση, είτε με τη διαδικασία της ταυτόχρονης υδρόλυσης και

ζύμωσης. Η δραστικότητα των ενζύμων μειώνεται κατά τη διάρκεια της υδρόλυσης, λόγω

της μη-αναστρέψιμης απορρόφησής τους από την κυτταρίνη. Οι ιδιότητες της επιφάνειας

της κυτταρίνης μπορούν να τροποποιηθούν ώστε να μειωθεί η δέσμευση των ενζύμων, με

την πρόσθεση επιφανειοδραστικών ουσιών (surfactants). Η απόδοση και ο ρυθμός της

υδρόλυσης μπορούν να αυξηθούν εώς ένα βαθμό αυξάνοντας τη δόση κυτταρινάσης,

γεγονός όμως που αυξάνει σημαντικά το κόστος. Άλλος ένας τρόπος ενίσχυσης της

αποτελεσματικότητας της υδρόλυσης είναι η χρήση μίξεων κυτταρινασών από

διαφορετικούς οργανισμούς. Τέλος, τα ένζυμα μπορούν να ανακτηθούν από το

υπερκείμενο υγρό ή από τα στερεά υπολείμματα και να ανακυκλωθούν. Η ανακύκλωση

των ενζύμων μπορεί να αυξήσει αποτελεσματικά το ρυθμό και την απόδοση της

υδρόλυσης, με επακόλουθη μείωση του κόστους, αν και όπως προαναφέρθηκε, η ποιότητα

των ενζύμων μειώνεται σταδιακά σε κάθε βήμα ανακύκλωσης που πραγματοποιείται.

(Pandey 2009, Duff and Murray 1996)

Πίνακας 4.4: Σύγκριση των κύριων μεθόδων κυτταρινικής υδρόλυσης

Διαδικασία Καταλύτης Θερμοκρασία Διάρκεια Σακχαροποίηση Αραιό οξύ <1% H2SO4 215οC 3 λεπτά 50-70% Πυκνό οξύ 30-70% H2SO4 40 οC 2-6 ώρες 90% Ενζυματικά Κυτταρινάσες 70 οC 1,5 ημέρα 75-95%

(Πηγή: Hamelinck et al. 2003)

90

4.5 Μείωση της τοξικότητας Κατά τη διάρκεια της προεπεξεργασίας παράγονται διάφορα προϊόντα από την

αποδόμηση των πεντοζών και εξοζών, κυρίως φουρφουράλη, υδροξυ-μεθυλο-

φουρφουράλη (HMF), παράγωγα φαινόλης, ασθενή οξέα και ανόργανα άλατα. Επίσης

προκύπτει οξύ από την όξινη προεπεξεργασία και υδρόλυση. Αυτά τα συστατικά είναι

τοξικά και δρουν ανασταλτικά στην ενζυματική υδρόλυση και τους μικροοργανισμούς της

ζύμωσης, οπότε πρέπει να αφαιρεθούν ή να ουδετεροποιηθούν πριν τη ζύμωση.

Διαφορετικά, μεγαλύτερα ποσά ζυμωτικών μικροοργανισμών θα έπρεπε να προστεθούν

στη ζύμωση. Βιολογικές, φυσικές και χημικές μέθοδοι εφαρμόζονται για τη μείωση της

τοξικότητας των προϊόντων της λιγνοκυτταρινικής υδρόλυσης.

4.5.1 Βιολογικές μέθοδοι

Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούν ειδικά ένζυμα ή μικροοργανισμούς, τα οποία δρουν

πάνω στα τοξικά συστατικά και μεταβάλλουν τη σύνθεσή τους. Επεξεργασία με τα ένζυμα

λακάση (laccase) και υπεροξειδάση (peroxidase) από το λιγνινολυτικό μύκητα Trametes

versicolor, έχει δείξει αύξηση της παραγωγικότητας αιθανόλης από προϊόντα υδρόλυσης

της ημικυτταρίνης ξύλου ιτίας, δύο ως τρείς φορές, λόγω της δράσης τους σε οξέα και

φαινολικά παράγωγα. Επίσης έχει αναφερθεί ότι ο μύκητας Trichoderma reesei

υποβαθμίζει τα ανασταλτικά προϊόντα υδρόλυσης της ημικυτταρίνης ξύλου ιτίας,

αυξάνοντας την παραγωγή βιοαιθανόλης κατά τέσσερις φορές. Επιπλέον, οξικό οξύ,

φουρφουράλη και παράγωγα βενζοϊκού οξέος αφαιρούνται με επεξεργασία που

χρησιμοποιεί το μύκητα T. reesei. Τέλος, έχει προταθεί η χρήση μικροοργανισμών για

επιλεκτική αφαίρεση ανασταλτικών προϊόντων της υδρόλυσης. (Pandey 2009)

4.5.2 Φυσικές μέθοδοι

Η συμπύκνωση των προϊόντων της υδρόλυσης, μέσω εξάχνωσης υπό κενό (vacuum

evaporation), αποτελεί μια φυσική μέθοδο αποτοξίνωσης, για μείωση της συγκέντρωσης

πτητικών συστατικών, όπως οξικό οξύ, φουρφουράλη και βανιλίνη (vanillin). Ωστόσο, η

φυσικές μέθοδοι αυξάνουν μετρίως τη συγκέντρωση μη-πτητικών τοξικών συστατικών και

επομένως το βαθμό παρεμπόδισης της ζύμωσης. (Pandey 2009)

91

4.5.3 Χημικές μέθοδοι

Η χημική αποτοξίνωση περιλαμβάνει καθίζηση των τοξικών συστατικών και ιονισμό

μερικών ανασταλτικών παραγόντων κάτω από συγκεκριμένες τιμές pH. Το pH μπορεί να

μεταβάλει το βαθμό τοξικότητας των συστατικών. Η διαδικασία έχει ως εξής:

Προκειμένου να αφαιρεθούν τα ανεπιθύμητα συστατικά, ο πολτός της προεπεξεργασμένης

βιομάζας αρχικά διαχωρίζεται σε υγρό και στερεό κλάσμα. Εν συνεχεία, το πρεσαρισμένο

στερεό κλάσμα πλένεται με νερό για να μεταφερθούν περισσότερα ανασταλτικά υλικά στο

υγρό κλάσμα. Τελικά, το υγρό κλάσμα υπόκειται σε συνεχή ανταλλαγή ιόντων και

πρόσθεση υδροξειδίου του ασβεστίου (overliming) προς σχηματισμό γύψου. Κατά τη

συνεχή ανταλλαγή ιόντων, αμμωνία αντικαθιστά το οξύ (αναλογία 1,1:1) και τα οξέα

ανακτώνται. Έτσι προκύπτει μια ροή ανακτώμενων οξέων και μία ροή καθαρού

σακχαρούχου διαλύματος. Στην προεπεξεργασία και υδρόλυση με χρήση οξέος, η ροή

οξέων επανασυμπυκνώνεται σε εξατμιστήρες πολλαπλών βαθμίδων και ανακυκλώνεται. Η

ανακύκωση του οξέος είναι απαραίτητη για καλή και οικονομική εκτέλεση της μεθόδου

υδρόλυσης με χρήση πυκνού οξέος. Ωστόσο, στην προεπεξεργασία που χρησιμοποιεί

αραιό οξύ, η ανάκτηση μπορεί να είναι πολύ ακριβή σε σύγκριση με απλή εξουδετέρωση

και διάθεση. Μετά λοιπόν από την ανάκτηση, το υπολειμματικό οξύ χαμηλής

συγκέντρωσης εξουδετερώνεται από την πρόσθεση υδροξειδίου του ασβεστίου [Ca(OH)2],

οπότε και σχηματίζεται ένυδρος γύψος (CaSO4·2H2O), ο οποίος ιζηματοποιείται. Ο γύψος

διαχωρίζεται από το σακχαρούχο διάλυμα, αν και η αδρανής φύση του, του επιτρέπει

επίσης να περνάει αβλαβώς στην φάση της ζύμωσης και της απόσταξης. Ο γύψος μπορεί

να έχει κάποια αξία ως γεωργικό εδαφοβελτιωτικό, αλλά και να αποτελεί πρόβλημα ως

απόβλητο. Ποσότητα 0,02 kg γύψου διατίθεται ανά κιλό πρώτης ύλης, κάτι που δύσκολα

μπορεί να βελτιωθεί.

Τέλος, άλλες χημικές μέθοδοι αποτοξίνωσης περιλαμβάνουν την απορρόφηση των

τοξικών συστατικών από ενεργό άνθρακα, γη διατόμων και ανταλλαγή ιόντων ρητίνης.

(Pandey 2009, Hamelinck et al. 2003)

4.6 Επίπεδα ενοποίησης ενζυμικής υδρόλυσης, ζύμωσης και παραγωγής ενζύμων

Όταν στην παραγωγή βιοαιθανόλης χρησιμοποιείται η ενζυμική υδρόλυση,

υπάρχουν διάφορα επίπεδα ενοποίησής της με τη διεργασία της ζύμωσης και την

παραγωγή ενζύμων. Σε όλες τις περιπτώσεις πάντως, η προεπεξεργασία της βιομάζας είναι

92

προαπαιτούμενη, προκειμένου να υδρολυθεί η ημικυτταρίνη και να γίνει η κυτταρίνη

περισσότερο προσβάσιμη στα ένζυμα. Τα επίπεδα ενοποίησης διακρίνονται ως εξής:

Ξεχωριστή υδρόλυση και ζύμωση (separate hydrolysis and fermentation - SHF)

Ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση (Simultaneous Saccharification and

Fermentation - SSF)

Ενοποιημένη βιοδιαδικασία (Consolidated BioProcessing – CBP)

4.6.1 Ξεχωριστή υδρόλυση και ζύμωση (SHF)

Κατά τη διαδικασία αυτή, πρώτα πραγματοποιείται η υδρόλυση της κυτταρίνης και

έπειτα γίνεται η ζύμωση των σακχάρων, σε διαφορετικό αντιδραστήρα, με χρήση του

Saccharomyces cerevisiae ή του Zymomonas mobilis. Το πλεονέκτημα αυτής της

διαδικασίας, είναι ότι κάθε βήμα διεξάγεται υπό των βέλτιστων συνθηκών του. Πιο

συγκεκριμένα, υπάρχουν δύο παραλλαγές της διαδικασίας. Στην πρώτη, η ενιαία ροή

υγρών από τους δύο αντιδραστήρες προϋδρόυσης και υδρόλυσης, εισέρχεται αρχικά στον

αντιδραστήρα ζύμωσης της γλυκόζης. Στη συνέχεια, γίνεται απόσταξη του μείγματος ώστε

να αφαιρεθεί η αιθανόλη, αφήνοντας πίσω την ξυλόζη που δεν έχει μετατραπεί. Σε έναν

δεύτερο αντιδραστήρα, η ξυλόζη μετατρέπεται σε αιθανόλη, η οποία τελικά διυλίζεται.

Στη δεύτερη παραλλαγή της διαδικασίας, η υδρόλυση της κυτταρίνης και η ζύμωση της

γλυκόζης, μπορούν να πραγματοποιηθούν παράλληλα με τη ζύμωση της ξυλόζης. (Pandey

2009, Hamelinck et al. 2003)

93

Εικόνα 4.1: Βιοαντιδραστήρας που χρησιμοποιείται στην έρευνα βιοαιθανόλης 2ης γενιάς [http://en.wikipedia.org/wiki/Cellulosic_ethanol]

Σχήμα 4.9: Διάγραμμα ροής ‘ξεχωριστής υδρόλυσης και ζύμωσης’ (SHF) (Hamelinck et al. 2003)

Υδρόλυση ημικυτταρίνης

Ενζυματική υδρόλυση

Παραγωγή ενζύμων

Κυτταρινάση

Ζύμωση C6

Απόσταξη Ζύμωση C5

Απόσταξη

Αιθανόλη Νερό

CO2


Κατάλοιπα


Ενζυματική υδρόλυση



Ζύμωση C6

Απόσταξη


CO2

Γλυκοζη

Ζύμωση C5

Κατάλοιπα

Γλυκοζη Στερεά

Διάλυμα σακχάρων

SHF

ή

94

4.6.2 Ταυτόχρονη σακχαροποίηση και ζύμωση (SSF)

Η υδρόλυση της κυτταρίνης ενοποιείται στον ίδιο αντιδραστήρα με την άμεση

ζύμωση της παραγόμενης γλυκόζης. Η συμβατότητα των δύο διεργασίων, όσον αφορά τις

συνθήκες, όπως pH, θερμοκρασία και συγκέντρωση υποστρώματος, αποτελεί έναν από

τους σημαντικότερους παράγοντες που διέπουν την επιτυχία της όλης διαδικασίας. Τα

κύρια πλεονεκτήματα της διαδικασίας SSF είναι τα εξής:

Αύξηση του ρυθμού μετατροπής της βιομάζας, λόγω της αφαίρεσης των

σακχάρων, τα οποία αναστέλουν τη δράση των ενζύμων

Μικρότερη παροχή ενζύμων

Υψηλότερη απόδοση παραγωγής

Μείωση αναστολής της ζύμωσης, σε περίπτωση συνεχούς ανάκτησης της

αιθανόλης

Μειωμένες απαιτήσεις σε ασηπτικές συνθήκες, οδηγώντας σε αύξηση της

οικονομικότητας της διαδικασίας

Μείωση του αριθμού των αντιδραστήρων που εμπλέκονται, εξαλείφοντας τον

ξεχωριστό αντιδραστήρα υδρόλυσης

Στην διαδικασία SSF γίνεται μία ανταλλαγή μεταξύ του κόστους παραγωγής

κυτταρινάσης και του κόστους υδρόλυσης/ζύμωσης. Μικρή διάρκεια υδρόλυσης σημαίνει

υψηλότερο κόστος ενζύμου και χαμηλότερο κόστος υδρόλυσης και ζύμωσης, σε αντίθεση

με μεγάλη διάρκεια υδρόλυσης. Η βέλτιστη διάρκεια αντίδρασης περιορίζεται από το

κόστος των ενζύμων, και είναι περίπου 3-4 ημέρες. Η διαδικασία SSF προσφέρεται

περισσότερο για εμπορική παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινική βιομάζα.

Κυτταρινάση από τον μύκητα Penicillium funiculosum και κύτταρα Saccharomyces

uvarum έχουν χρησιμοποιηθεί στη διαδικασία SSF. Επίσης, το γενετικά τροποποιημένο

στέλεχος ΤΜΒ3400 του S. cerevisiae έχει επιτύχει 80% μετατροπή γλυκόζης και ξυλόζης

σε αιθανόλη και τελική συγκέντρωση αιθανόλης 40 g/L. (Pandey 2009, Hamelinck et al.

2003, Olofsson et al. 2008)

Μία παραλλαγή της διαδικασίας SSF, είναι η ταυτόχρονη σακχαροποίηση και συν-

ζύμωση (Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation - SSCF), η οποία επιτρέπει

τη μετατροπή των πεντοζών και εξοζών στον ίδιο αντιδραστήρα. Αυτή η μέθοδος

δοκιμάζεται ακόμα σε πιλοτικό στάδιο. (Hamelinck et al. 2003)

95

Σχήμα 4.10: Διάγραμμα ροής ‘ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης’ (SSF) (Hamelinck et al. 2003)

Σχήμα 4.11: Διάγραμμα ροής ‘ταυτόχρονης σακχαροποίησης και συν-ζύμωσης’ (SSCF)

(Hamelinck et al. 2003)

4.6.3 Ενοποιημένη βιοδιαδικασία (CBP)

Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την πραγματοποίηση της παραγωγής ενζύμων, της

υδρόλυσης της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας και της ζύμωσης των σακχάρων σε μία ενιαία

διεργασία. Η αιθανόλη και όλα τα απαραίτητα ένζυμα παράγονται από μία και μοναδική

καλλιέργεια μικροβίων, σε έναν και μοναδικό αντιδραστήρα. Σε αυτήν την περίπτωση,

θερμόφιλοι μικροοργανισμοί θα παράγουν αναεροβικώς σύμπλοκα ενζύμων με καλύτερη

κυτταρινολυτική δράση απ’ότι τα τυπικά από μύκητες παραγόμενα ένζυμα και θα

ζυμώνουν όλα τα σάκχαρα που θα απελευθερώνονται στον ίδιο αντιδραστήρα. Η μέθοδος

CBP θεωρείται ως η εξελικτική αιχμή της τεχνολογίας μετατροπής βιομάζας. Η εφαρμογή

της CBP σημαίνει αποφυγή δαπανών για παραγωγή ή αγορά εξειδικευμένων ενζύμων,

μείωση της ποικιλίας υποστρώματος για την παραγωγή ενζύμων και συμβατότητα των

συστημάτων ενζύμων-ζύμωσης. Εώς τώρα, δεν υπάρχουν οργανισμοί ή συμβατοί

συνδυασμοί μικροοργανισμών, που να παράγουν κυτταρινάση και άλλα ένζυμα στα

απαιτούμενα υψηλά επίπεδα, ενώ επίσης να παράγουν αιθανόλη στις απαιτούμενες υψηλές


Υδρόλυση κυτταρίνης Ζύμωση C6



Ζύμωση C5

Απόσταξη


CO2

Κατάλοιπα

SSF

CO2


Υδρόλυση κυτταρίνης Ζύμωση C5 και C6



Απόσταξη


Κατάλοιπα

SSCF

CO2

96

συγκεντρώσεις και ποσότητες. Ωστόσο, διάφοροι οργανισμοί ήδη συνδυάζουν πολλαπλές

λειτουργίες. Ο μύκητας Neurospora crassa μπορεί να παράγει αιθανόλη απ’ευθείας από

κυτταρίνη και ημικυτταρίνη, διότι παράγει κυτταρινάση και ξυλανάση, ενώ επίσης έχει τη

δυνατότητα να ζυμώνει τα σάκχαρα σε αιθανόλη αναεροβικώς. Τέλος, έχει αναφερθεί ένα

χαμηλότερο όριο ανοχής στην αιθανόλη (3,5%) σε σύγκριση με το όριο ανοχής των

κοινών ζυμών, που είναι 10%. Επίσης, οξικό και γαλακτικό οξύ σχηματίζονται ως

παραπροϊοντα, με συνέπεια ένα σημαντικό ποσό άνθρακα να χρησιμοποιείται. (Pandey

2009, Hamelinck et al. 2003, BNDES and CGEE 2008)

Σχήμα 4.12: Διάγραμμα ροής ‘Ενοποιημένης βιοδιαδικασίας’ (CBP) (Hamelinck et al. 2003)

Πίνακας 4.5: Σύγκριση επιπέδων ενοποιήσης διεργασιών

Διαδικασία Μικρο-

οργανισμός Κατανάλωση/

απώλεια Αποτελεσματικότητα μετατροπής

Κυτταρίνη Γλυκόζη

Γλυκόζη Αιθανόλη

Ξυλόζη Αιθανόλη

Μαννόζη Γαλακτόζη Αραβινόζη Αιθανόλη

SHF S. cerevisiae Κυτταρίνη 6% 75% 85-90%

SSF S. cerevisiae Κυτταρίνη 6% 80% 92,5% 80-92%

SSCF Κυτταρινάση

Z. mobilis

Κυτταρίνη 5% Σάκχαρα 5% Γλυκόζη 4% Ξυλόζη 3%

CSL Όλα τα σάκχαρα

7%

88%

92%

85%

90%

CBP άγνωστο Κυτταρίνη 4%

90% 92-95%

(Πηγή: Hamelinck et al. 2003)


Υδρόλυση κυτταρίνης Ζύμωση C5 και C6

Απόσταξη


Κατάλοιπα

CBP CO2

97

4.7 Παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρίνη μέσω καταλυτικής μετατροπής syngas

Η βιοαιθανόλη μπορεί να παραχθεί χρησιμοποιώντας μόνο θερμοχημικές

διαδικασίες μέσω της αεριοποίησης της βιομάζας και της ακόλουθης καταλυτικής

μετατροπής του syngas σε βιοαιθανόλη. Εντούτοις, μέχρι τώρα δεν έχει αναπτυχθεί καμία

διαδικασία που να παράγει ως μοναδικό προϊόν την αιθανόλη, αλλά μίγματα διαφόρων

αλκοολών.

Η σύνθεση υψηλότερων αλκοολών ποικίλει ανάλογα με τη διαδικασία που

χρησιμοποιείται και την επιθυμητή σύνθεση του καυσίμου. Η μεθανόλη γενικά είναι

ανεπιθύμητη και η χρήση καταλυτών στοχεύει στην ελαχιστοποίηση της παραγωγής της.

Η χρήση ανώτερων αλκοολών ως καύσιμο αυτοκινήτου έχει κάποια πλεονεκτήματα έναντι

της χρήσης της αιθανόλης. Οι ανώτερες αλκοόλες έχουν υψηλότερο αριθμό οκτανίων και

υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από την αιθανόλη. Σε μίγματα με τη βενζίνη οι

ανώτερες αλκοόλες αναμιγνύονται καλύτερα χάρη στις μακρύτερες αλυσίδες τους και

έχουν χαμηλότερη τάση ατμών. Ωστόσο, η υψηλή περιεκτικότητα σε μεθανόλη προκαλεί

διαχωρισμό φάσεων ανάμεσα στη βενζίνη και τις αλκοόλες και αυξάνει την τάση ατμών

του μίγματος. Παρ’ όλα αυτά οι εταιρίες παραγωγής καυσίμων προτιμούν την παραγωγή

σκέτης αιθανόλης καθότι είναι ευκολότερο να διατηρήσουν συγκεκριμένη ποιότητα και

ιδιότητες. Προτιμούν μια σύνθετη διαδικασία που βελτιστοποιεί την παραγωγή της

αιθανόλης και το διαχωρισμό των ανώτερων αλκοολών.

4.7.1

Περιγραφή της διαδικασίας

Η διαδικασία αποτελείται από τα ακόλουθα κύρια στάδια: αεριοποίηση της βιομάζας

καθαρισμός του αερίου, και καταλυτική σύνθεση ανώτερων αλκοολών.

Η λιγνοκυτταρίνη μετά τη μείωση του μεγέθους της οδηγείται προς αεριοποίηση.

Για τη σύνθεση μικτών αλκοολών το συνθετικό αέριο απαιτείται σε υψηλή πίεση χωρίς

την παρουσία αδρανών αερίων. Έτσι η πιο κατάλληλη τεχνολογία αεριοποίησης θα ήταν η

χρήση αντιδραστήρα με συμπαρασυρμό «Entrained flow reactor».

Ανάλογα με τους καταλύτες που θα χρησιμοποιηθούν για το διαχωρισμό των

ανώτερων αλκοολών απαιτείται και διαφορετική καθαρότητα στο αέριο. Γενικά,

ξεχωρίζουν πέντε διαφορετικοί τύποι καταλυτών για τη σύνθεση των ανώτερων αλκοολών

οι οποίοι φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί. Ο μηχανισμός της σύνθεσης των

98

Σχήμα 4.13: Διάγραμμα ροής παραγωγής βιοαιθανόλης μέσω καταλυτικής μετατροπής syngas (Deurwaarder and Reith 2006)

ανώτερων αλκοολών περιλαμβάνει ένα περίπλοκο συνδυασμό ταυτόχρονων αντιδράσεων

με ποικίλα μονοπάτια που οδηγούν σε διάφορα προϊόντα. Καταρχήν, παράγεται μεθανόλη

από το συνθετικό αέριο κατά την αντίδραση 5.1. Ακολουθεί η αντίδραση εναλλαγής νερού

αερίου που περιγράφεται στην αντίδραση 5.2 στην οποία οι καταλύτες είναι ενεργοί και

για αυτό δεν απαιτείται συγκεκριμένη αναλογία Η2/CO του συνθετικού αερίου. Για την

παραγωγή ανώτερων αλκοολών ο σχηματισμός δεσμών άνθρακα ξεκινά με την εισαγωγή

CO σε μεθανόλη (αντίδραση 5.3). Οι ανώτερες αλκοόλες με ευθύγραμμη αλυσίδα

σχηματίζονται με την περαιτέρω εισαγωγή CO που καλείται homologation (αντίδραση

5.4). Αλκοόλες με κλάδους μπορεί να σχηματιστούν όταν χρησιμοποιηθεί τροποποιημένη

μεθανόλη ή καταλύτες Fischer Tropsch.

CO+ 2H2 CH3OH εξίσωση 5.1- Σύνθεση μεθανόλης

CO+ H2Ο CΟ2 + H2 εξίσωση 5.2- Αντίδραση εναλλαγής αερίου-νερού

CH3OH + CO+ 2H2 CH3CH2OH εξίσωση 5.3- Homologation αιθανόλης

CnH2n-1OH+CO+2H2 CH3 (CH2)OH+ H2Ο εξίσωση 5.4- Homologation ανώτερων

αλκοολών

Ο σχηματισμός μεθανόλης ευνοείται στις χαμηλές θερμοκρασίες και τις υψηλές πιέσεις.

Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται στις υψηλές πιέσεις, η παραγωγή ανώτερων αλκοολών

Λιγνοκυτταρίνη Μείωση Μεγέθους

Αεριοποίηση Ψύξη-καθαρισμός αερίου

Απόσταξη Διαχωρισμός Σύνθεση

ανώτερων αλκοολών

Ανώτερες αλκοόλες

syngas

syngas

Μεθανόλη

Μεθανόλη

Αιθανόλη

C3+ αλκοόλες

99

αυξάνεται ενώ η παραγωγή μεθανόλης και υδρογονανθράκων μειώνεται. Για μερικούς

καταλύτες το προϊόν της μεθανόλης μπορεί να ανακυκλωθεί, αυξάνοντας την παραγωγή

ανώτερων αλκοολών. Πολύ σημαντικό είναι ότι η σύνθεση ανώτερων αλκοολών είναι

ιδιαίτερα εξώθερμη αντίδραση. Αυτό κάνει τον έλεγχο της θερμοκρασίας έναν σημαντικό

παράγοντα στο σχεδιασμό των συστημάτων αντίδρασης, που μπορεί να αποτελέσει

περιορισμό για τη μετατροπή. (Deurwaarder and Reith 2006)

4.7.2

Εισαγωγή στην οικονομική αγορά

Για να υπερνικήσουν την αρχική δυσχέρεια των τεράστιων επενδύσεων για τις πολύ

μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις που είναι απαραίτητες για να επιτευχθεί χαμηλό κόστος

παραγωγής, η εισαγωγή στην αγορά της βιοαιθανόλης μέσω HAS θα μπορούσε να είναι

παρόμοια με αυτή του diesel Fischer-Tropsch, δηλ. μέσω αεριοποίησης της βιομάζας

εγκαταστάσεις που γίνεται έναυση με κάρβουνο. Εντούτοις, η εισαγωγή στην αγορά τη

μεθόδου HAS θα είναι πιο αργή καθώς η ανάπτυξη καταλυτών δεν είναι ακόμα αρκετά

προηγμένη. Αυτό οδηγεί σε μια δεύτερη δυνατότητα εισαγωγής στην αγορά

χρησιμοποιώντας ένα δευτερεύον ρεύμα του συνθετικού αερίου (syngas) μιας υπάρχουσας

Fischer- Tropsch εγκατάστασης. Μια τρίτη δυνατότητα είναι να αρχίσει με εγκαταστάσεις

μικρότερων μεγεθών, π.χ. 240.000 κυβικών μέτρων αιθανόλης το χρόνο και το διαχωρισμό

και πώληση των ανώτερων αλκοολών. Εντούτοις, μακροπρόθεσμα, αυτό δεν είναι

βιώσιμο, επειδή η αγορά για τις ανώτερες αλκοόλες είναι σχετικά περιορισμένη.

(Deurwaarder and Reith 2006)

100

5. ΠΑΡΑΠΡΟΪΟΝΤΑ ΤΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΒΙΟΑΙΘΑΝΟΛΗΣ

Εκτός από την αιθανόλη αυτή καθεαυτή και τη χρήση της σαν αντικατάστατο ή

πρόσθετο καυσίμων, σημαντικότατο σημείο της παραγωγικής διαδικασίας αποτελεί μια

πληθώρα τελικών και ενδιάμεσων παραπροϊοντων. Είναι πολύ σημαντικό να ληφθούν

υπόψη όχι μόνο σε θεωρητική βάση, αλλά και ποσοτικά γιατί βελτιώνουν κατά πολύ την

ενεργειακή απόδοση της παραγωγικής διαδικασίας και συμβάλουν στη μείωση των

αποβλήτων χρησιμοποιώντας όσο μεγαλύτερο τμήμα του φυτού γίνεται.

Πίνακας 5.1: Παραπροϊόντα και χρήσεις αυτών, ανά τύπο πρώτης ύλης (Rutz and Janssen 2007)

Τύπος βιομάζας Πρώτη ύλη Παραπροϊόντα Χρήσεις

Σακχαρούχες


Ζαχαροκάλαμο Βαγάσση, βινάσσα,

filter cake, μελάσσα

Θερμότητα, ηλεκτρισμός,

λίπασμα

Ζαχαρότευτλο Βινάσσα, μελάσσα Ζωοτροφή, λίπασμα

Αμυλούχες


Σιτάρι DDGS, άχυρο, πίτουρο Ζωοτροφή, λίπασμα

Αραβόσιτος DDGS, καλαμποκέλαιο

γλουτένη

Ζωοτροφή, γλυκαντικά,

λίπασμα

Πατάτες DDGS Ζωοτροφή, βιομηχανική

χρήση

Κυτταρινούχες


Δέντρα

Λιγνίνη

Οργανικά απόβλητα

Υπολειμματική

κυτταρίνη

Θερμότητα

Ηλεκτρισμός

Ζωοτροφές

Βιοπλαστικά

Χλόη

Κυτταρινούχα

Υπολείμματα

Γεωργικά και δασικά

υπολείμματα

Στερεά δημοτικά

απόβλητα

101

5.1 Στερεά υπολείμματα από την ξηρή άλεση καλαμποκιού

Στην ξηρή άλεση του καλαμποκιού για την παραγωγή βιοαιθανόλης, το μοναδικό

παραπροϊόν που παράγεται είναι ένα πρωτεϊνούχο συμπλήρωμα ζωοτροφής που

ονομάζεται DDGS (Distillers Dried Grains with Solubles) (βλ. σχήμα 3,6). Από 1 ξηρό

τόνο καλαμποκιού παράγονται 380 kg DDGS. Αναλυτικότερα, τα DDGS προκύπτουν ως

εξης: το μη πτητικό κατάλοιπο της απόσταξης οδηγείται προς φυγοκέντριση όπου

διαχωρίζεται το αραιό από το πυκνό μείγμα. Το αραιό μείγμα συμπυκνώνεται σε

εξατμιστήρες, παράγοντας σιρόπι με 50% υγρασία. Το σιρόπι αναμειγνύεται ομογενώς με

το πυκνό μείγμα και κατόπιν ξήρανσης παράγονται τα DDGS (BNDES and CGEE 2008).

Τα στερεά υπολείμματα της φυγοκέντρισης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως λίπασμα, το

οποίο πλεονεκτεί έναντι των μεταλλικών λιπασμάτων, διότι περιέχει μόνο ένα μέρος των

αζωτούχων θρεπτικών στη μορφή άμεσου διαθέσιμου αζώτου. Το περισσότερο άζωτο

βρίσκεται σε πρωτεΐνες και απελευθερώνεται αργά κατά την ανάπτυξη. Συνεπώς υπάρχει

μικρός κίνδυνος διαπότισης του αζώτου στον υδροφόρο ορίζοντα. (Roehr 2001)

Μια άλλη δυνατότητα της τελικής διαδικασίας επεξεργασίας του στερεού

υπολείμματος είναι η παραγωγή βιοαερίου. Το βιοαέριο παράγεται στις δεξαμενές

αναερόβιας ζύμωσης υπό την παρουσία βακτηρίων μεθανίου. Στην πράξη περίπου 450 με

550 m3 αερίου μπορούν να παραχθούν ανά τόνο στερεού υπολείμματος . Τα υπολείμματα

αυτής της διαδικασίας είναι βιολάσπη και νερό χώνευσης. Το βιοαέριο αυτό αν καθαριστεί

μπορεί να καεί για να παράξει ατμό ο οποίος κατευθυνόμενος σε έναν ατμοστρόβιλο

παράγει ηλεκτρική ενέργεια για τις αυτοκαταναλώσεις της μονάδας σε πρώτη φάση.

5.2 Ενδιάμεσα παραπροϊόντα από την υγρή άλεση του καλαμποκιού

Το καλαμποκέλαιο, η γλουτένη και το υγρό Corn Steep Liquor αποτελούν υψηλής

αξίας παραπροϊόντα (βλ. σχήμα 3,5). Το καλαμποκέλαιο χαρακτηρίζεται ως το ‘χρυσό’

προϊόν της υγρής άλεσης, πέρα από την αιθανόλη, καθώς έχει ένα μεγάλο πλήθος

εφαρμογών και χρήσεων. Η κύρια χρήση του είναι στη μαγειρική, ωστόσο αποτελεί

πιθανή πηγή βιοντίζελ, ενώ χρησιμοποιείται επίσης στην παρασκευή σαπουνιού,

καταπραϋντικής αλοιφής, μπογιάς, αντισκουριακών ουσιών, μελανιού, υφασμάτων,

νιτρογλυκερίνης, εντομοκτόνων και φαρμάκων. Από 1 τόνο καλαμποκιού παράγονται 34-

38 kg καλαμποκέλαιου. Από τη διάσπαση της ψίχας 1 τόνου καλαμποκιού ανακτώνται 68

kg διαλύματος γλουτένης περιεκτικότητας 60%. Επίσης από 1 τόνο καλαμποκιού

102

παράγονται 306 kg διαλύματος γλουτένης περιεκτικότητας 20%, ως κατάλοιπο της

απόσταξης. Η γλουτένη είναι μια σημαντική πηγή πρωτεΐνης και προστίθεται σε τροφές

χαμηλής περιεκτικότητας σε πρωτεΐνες. Το υγρό που μένει μετά τη διαβροχή και την

άλεση της ψίχας καλείται Corn Steep Liquor (CSL) και μπορεί είτε να συνδυαστεί με

γλουτένη και ίνες και να πωληθεί ως ζωοτροφή, είτε να χρησιμοποιηθεί για

μικροβιολογικούς σκοπούς, με ή χωρίς περαιτέρω επεξεργασία. (BNDES and CGEE 2008,

Liggett and Koffler 1948)

5.3 Παραπροϊόντα παραγωγής βιοαιθανόλης από ζαχαροκάλαμο

Η βαγάσση αποτελεί πολύ σημαντικό παραπροϊόν της παραγωγης αιθανόλης από

ζαχαροκάλαμο. Παράγεται κατά το στάδιο της συμπίεσης των στελεχών του

ζαχαροκάλαμου, όπου διαχωρίζεται ο σαχκαρούχος χυμός από το ξυλώδες υπόλειμμα (βλ.

σχήμα 3,2). Η βαγάσση αξιοποιείται ως καύσιμο για την κάλυψη των αναγκών του

εργοστασίου σε θερμική, μηχανική και ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η τεχνολογική

προσέγγιση, που καλείται συμπαραγωγή, διαχωρίζει το ζαχαροκάλαμο από άλλες πρώτες

ύλες παραγωγής βιοαιθανόλης, οι οποίες απαιτούν εξωτερική πηγή ενέργειας για τη

διεξαγωγή των διεργασιών. Η επεξεργασία ενός τόνου ζαχαροκάλαμου αποδίδει 250 kg

βαγάσσης (με 50% υγρασία), τα οποία μπορούν να παράγουν 500 με 600 kg ατμού,

ποσότητα που καλύπτει πλήρως τις ανάγκες του εργοστασίου. Η παραγόμενη ηλεκτρική

ενέργεια ισούται με 1 MWh/m3 παραγόμενης αιθανόλης. Με προσεκτικότερη διαχείριση

των απαιτήσεων σε ατμό και με την εγκατάσταση αποδοτικότερων καυστήρων, μπορεί να

επιτευχθεί περίσσεια ενέργειας, η οποία μπορεί να πωληθεί ως ηλεκτρική ενέργεια στο

δημόσιο δίκτυο. Η χρήση της βαγάσσης στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας θα

μπορούσε να μειώσει τις εκπομπές άνθρακα στην ατμόσφαιρα, καθώς θα αντικαθιστούσε

την καύση πετρελαίου στα συμβατικά θερμοηλεκτρικά εργοστάσια. Η μείωση των

εκπομπών εκτιμάται ότι είναι περίπου 0,55 τόνοι CO2 ανά τόνο χρησιμοποιούμενης

βαγάσσης. Επίσης, εργασηριακές μελέτες δείχνουν ότι η αναερόβια χώνευση της

βαγάσσης είναι το ίδιο επωφελής, καθώς αυξάνει την παραγωγή ενέργειας σε 2,25

MWh/m3 παραγόμενης αιθανόλης, εάν το μη βιοδιασπώμενο υπόλειμμα καίγεται. Ένας

εναλλακτικός τρόπος αξιοποίησης της βαγάσσης περιλαμβάνει αεριοποίησή της, η οποία

αυξάνει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με αποδόσεις που υπερβαίνουν τα 180 kWh

ανά τόνο επεξεργασμένου ζαχαροκάλαμου. Επιπλέον, η βαγάσση αποτελεί πηγή

κυτταρίνης για τη βιομηχανία χαρτιού και χαρτονιού, ενώ χρησιμοποιείται και στη

103

βιομηχανία κεραμικών, όπως και στην επεξεργασία πορτοκαλιών. Τέλος, η βαγάσση

μπορεί να μεταχειριστεί ώστε να βελτιωθεί η χώνευσή της και η περιεκτικότητά της σε

πηγές αζώτου στη χρήση της ως τροφή βοοειδών. (BNDES and CGEE 2008, Mousdale

2008)

Η βινάσσα είναι ένα παραπροϊόν που προκύπτει ως υπόλειμμα από το στάδιο της

απόσταξης της αιθανόλης. Παράγονται 10 με 13 λίτρα βινάσσας ανά λίτρο παραγόμενης

ένυδρης βιοαιθανόλης, ή 800 με 1000 λίτρα ανά τόνο επεξεργασμένου ζαχαροκάλαμου).

Είναι ένα μη αλκοολούχο μαυρο-κόκκινο υγρό, υψηλού ιξώδους και μεγάλης

περιεκτικότητας σε οξέα. Λόγω των χαρακτηριστικών αυτών έχει θεωρηθεί ως ένα

‘δύσκολο’ απόβλητο. Ωστόσο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως λίπασμα καλίου στις

καλλιέργειες ζαχαροκάλαμου και μπορεί έτσι να μειώσει τις ανάγκες άρδευσης και

λίπανσης. Άλλη μια διεργασία που ερευνάται είναι η βιοαποικοδόμηση της βινάσσας, η

οποία χωρίς να ελαττώνει τις δυνατότητές της ως λίπασμα, μπορεί να παράγει πρόσθετη

ηλεκτρική ενέργεια. Εκτιμάται ότι η αναερόβια χώνευση της βινάσσας που προκύπτει από

την παραγωγή ενός κυβικού μέτρου βιοαιθανόλης, παράγει 115 κυβικά μέτρα βιοαερίου,

το οποίο στη συνέχεια μπορεί να παράγει 169 kWh βιοηλεκτρισμού. (BNDES and CGEE

2008)

Επιπλεόν, το διήθημα (filter cake) από τη δίηθηση του σακχαρούχου διαλύματος

προ της ζύμωσης, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως λίπασμα. Από έναν τόνο

επεξεργασμένου ζαχαροκάλαμου παράγονται 40 kg υγρού διηθήματος. (BNDES and

CGEE 2008)

5.4 Παραπροϊόντα παραγωγής βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρίνη

Το μη ζυμώσιμο κλάσμα της λιγνίνης, καθώς και άλλα οργανικά απόβλητα (π.χ.

κατάλοιπα απόσταξης και ιλύς), χρησιμοποιούνται σε καυστήρες για την συνδυασμένη

παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας (combined heat & power production ή

CHP) (βλ. σχήμα 4,5). Η παραγόμενη ενέργεια χρησιμοποιείται κυρίως στη διεξαγωγή

των διεργασιών παραγωγής αιθανόλης, ενώ περίσσειά της τροφοδοτείται στο δημόσιο

ηλεκτρικό δίκτυο. Από τη λιγνίνη μπορούν να παραχθούν επίσης διάφορες χημικές ουσίες

και βιοπλαστικά. Επιπλέον, η λιγνίνη μπορεί να αεριοποιηθεί, οπότε είναι κατάλληλη

πρώτη ύλη για μετατροπή βιομάζας σε υγρά καύσιμα (Biomass to Liquid ή BtL). (Reith et

al. 2002, Rutz and Janssen 2007)

104

5.5 Διοξείδιο του άνθρακα

Από τη ζύμωση των σακχάρων απελευθερώνονται περίπου 760 kg CO2 για κάθε

κυβικό μέτρο παραγόμενης αιθανόλης. Από αυτό το σύνολο, ένα ποσοστό 70-80% μπορεί

να ανακτηθεί σε ένα κλειστό σύστημα. Μετά από καθαρισμό για την αφαίρεση αλδεΰδων,

αλκοολών και οσμών, το αέριο μπορεί είτε να απελευθερωθεί στην ατμόσφαιρα, είτε να

αποθηκευτεί σε κυλίνδρους, είτε να συμπιεστεί περαιτέρω σε στερεά ή υγρή μορφή. Η

εμπορική αξία του CO2 είναι σχετικά χαμηλή, οπότε η μεταφορά του σε μεγάλες

αποστάσεις από το εργοστάσιο παραγωγής θεωρείται μη οικονομική. Στην αέρια μορφή

του, το CO2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παρασκευή αναψυκτικών και τροφίμων, ή στη

βελτίωση της καλλιέργειας φυτών θερμοκηπίου. Σε υγρή μορφή, συχνά χρησιμοποιείται

σε πυροσβεστήρες, σε συστήματα ψύξης και ως πρώτη ύλη στη χημική βιομηχανία. Το

στερεό CO2 χρησιμοποιείται κυρίως ως ψυκτική ουσία. Άλλες χρήσεις περιλαμβάνουν την

επεξεργασία του νερού και τις συγκολλήσεις. Νέες εφαρμογές που μπορεί να επιφέρουν

την αύξηση της εμπορικής του αξίας είναι η ανάκτηση πετρελαίου από πηγές με μειωμένη

παραγωγή. Η κεντρική ιδέα είναι η άντληση αερίου μέσα στη ζώνη παραγωγής το οποίο

θα οδηγήσει το πετρέλαιο στην επιφάνεια. Επίσης, ποικίλες εφαρμογές όπως η μετατροπή

του CO2 σε αιθανόλη με βιολογικές διαδικασίες βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο. (Roehr

2001)

5.6 Κυτταρική μάζα

Λόγω της αναερόβιας φύσης της αλκοολικής ζύμωσης, η ανάπτυξη της κυτταρικής

μάζας περιορίζεται. Γενικά, μια μετατροπή της τάξεως 95%, υποστρώματος συγκέντρωσης

10%, παράγει 5 g/L ξηρής κυτταρικής μάζας, ή για κάθε λίτρο αιθανόλης, παράγονται 15

με 30 gr ξηρής ζύμης. Συνεπώς, ο διαχωρισμός των ζυμωτικών μικροοργανισμών προς

ανακύκλωση των κυττάρων, μπορεί να μην είναι οικονομικά συμφέρων. Στη διαδικασία

της ανακύκλωσης, μια επιστροφή 35-40% της συνολικής βιομάζας στον πολτό αρκεί για

τις ζυμωτικές απαιτήσεις. Αφού έχει διεξαχθεί το στάδιο της συμπύκνωσης, το υπόλειμμα

της μικροβιακής μάζας μπορεί να ξηρανθεί και να χρησιμοποιηθεί ως πρωτεϊνούχος τροφή

ή διατροφικό συμπλήρωμα. Άλλες καινοτόμες χρήσεις της υπολειμματικής ζύμης

περιλαμβάνουν εφαρμογή σε συστήματα τροφών για τη σταθεροποίηση μειγμάτων νερού

και λαδιού, και χρήση ως υποκατάστατου του ασπραδιού του αυγού λόγω των αφριστικών

ιδιοτήτων του. (Roehr 2001, BNDES and CGEE 2008)

105

5.7 Ζυμέλαια (Fusel Oils)

Τα ζυμέλαια σχηματίζονται από α-κετοξέα που προέρχονται από, ή οδηγούν σε

αμινοξέα. Πρόκειται για ανώτερες μονοσθενείς, κυρίως, αλκοόλες όπως προπανόλη,

ισοπροπανόλη, πρωτοταγής ισοβουτυλική αλκοόλη, ισοαμυλική και αμυλική αλκοόλη

καθώς και άλλες σε πολύ μικρές ποσότητες. Το σημείο ζέσεώς τους είναι υψηλότερο από

αυτό του οινοπνεύματος. Μπρούν να παραχθούν ως και 20 L ζυμελαίων ανά m3

παραγόμενης αιθανόλης, χρησιμοποιώντας συνήθεις πηγές σακχάρων, αν και αυτή η τιμή

εξαρτάται από το pH της ζύμωσης. Τα ζυμέλαια προέρχονται από τη στήλη απόσταξης σε

σχετικά υψηλές θερμοκρασίες και πρέπει να αφαιρεθούν πλήρως, ειδάλλως μπορεί να

επέλθει φραγή της στήλης. Λόγω της ομοιότητάς τους με τα κύρια συστατικά της

βενζίνης, τα ζυμέλαια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διαλυτικά καυσίμων ή ως

βιομηχανικοί διαλύτες. (Roehr 2001)

5.8 Νερό

Η κατανάλωση του νερού που χρησιμοποιείται στη διαδικασία παραγωγής

αιθανόλης είναι υψηλή. Δεδομένου ότι είναι απαίτηση της εποχής η προστασία του

περιβάλλοντος και η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης του νερού από τις βιομηχανίες,

ένα μεγάλο μέρος, το 70 με 80% από αυτό που προέρχεται από τη φυγοκέντρηση του

υγρού υπολλείμματος, ανακυκλώνεται σ’ ένα κλειστό κύκλωμα. Προκειμένου να

ανακτηθεί επιπλέον νερό ο ατμός που προέρχεται από την ξήρανση των στερεών

καταλοίπων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας σε ατμοστροβίλους.

Το σιρόπι που παραμένει περιέχει 30-35% στερεά και είτε αναμειγνύεται με τα υπόλοιπα

στερεά και πωλείται μαζί τους ως ζωοτροφή είτε πωλείται ξεχωριστά.

106

6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ – ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΑ ΠΛΑΝΑ

6.1 Συμπεράσματα

Η βιοαιθανόλη αποτελεί το πιο διαδεδομένο βιοκαύσιμο, το οποίο παράγεται σε

μεγάλες ποσότητες (65 δισεκατ. λίτρα το 2008) κυρίως από τη ζύμωση των σακχαρούχων

και αμυλούχων φυτών. Η παραγωγή της αναμένεται να αυξηθεί ραγδαία τα επόμενα 5 με

10 χρόνια, λόγω κοινωνικο-οικονομικών και στρατηγικών κινήτρων, και με δεδομένο ότι

τεχνολογία παραγωγής αναπτύσσεται με αλματώδεις ρυθμούς. Το ολοένα και αυξανόμενο

ενδιαφέρον για τη βιοαιθανόλη ως καύσιμο, οφείλεται στα σημαντικά πλεονεκτήματά της,

όπως είναι ο ανανεώσιμος χαρακτήρας της, οι μειωμένοι ατμοσφαιρικοί ρύποι της καύσης

της και οι θετικές επιδράσεις στην απόδοση των μηχανών.

Οι κυριότεροι παραγωγοί βιοαιθανόλης είναι οι Η.Π.Α. και η Βραζιλία, οι οποίοι

χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη τον αραβόσιτο και το ζαχαροκάλαμο αντίστοιχα. Η

βιωσιμότητα και η οικονομική ανταγωνιστικότητα της βιοαιθανόλης 1ης γενιάς από

ζαχαροκάλαμο και αραβόσιτο, προϋποθέτουν ολοκληρωμένες διεργασίες παραγωγής, με

μέγιστη αξιοποίηση των παραπροϊόντων και υψηλό βαθμό ενεργειακής απόδοσης. Αν και

η τεχνολογία παραγωγής βιοαιθανόλης 1ης γενιάς θεωρείται εδώ και χρόνια ώριμη και

διαδεδομένη, η παραγωγή αιθανόλης από διατροφικές καλλιέργειες περιορίζεται από

ηθικούς, γεωργικούς και γεωγραφικούς παράγοντες. Συνεπώς, μόνον οι

λιγνοκυτταρινούχες πρώτες ύλες προσφέρουν ποσοτική διαθεσιμότητα προκειμένου να

επιτευχθεί σημαντική υποκατάσταση της βενζίνης από τη βιοαιθανόλη 2ης γενιάς σε εθνικό

ή παγκόσμιο επίπεδο. Αυτό οφείλεται κυρίως στην αφθονία τους και στο χαμηλό τους

κόστος. Επίσης, η στρεμματική απόδοση σε αιθανόλη των κυτταρινούχων ενεργειακών

καλλιεργειών (π.χ. 1400 λίτρα/στρέμμα μίσχανθου) υπερτερεί σημαντικά έναντι των

συμβατικών καλλιεργειών (π.χ. 550 λίτρα/στρέμμα ζαχαροκάλαμου). Επιπλέον, η

τεχνολογία μετατροπής της λιγνοκυτταρίνης σε αιθανόλη επιτρέπει τη χρησιμοποίηση του

συνόλου του φυτού και όχι μόνο μερών του, όπως τα σακχαρούχα και αμυλούχα τμήματα.

Ωστόσο, η βιοαιθανόλη 2ης γενιάς δεν θεωρείται ακόμα ανταγωνιστική και δεν παράγεται

σε μεγάλη εμπορική κλίμακα, λόγω των υψηλών ενεργειακών απαιτήσεων και της

πολυπλοκότητας της παραγωγής της.

Τα βασικά στάδια της παραγωγής της βιοαιθανόλης είναι η προεπεξεργασία της

πρώτης ύλης, η αλκοολική ζύμωση και η απόσταξη. Η προεπεξεργασία των σακχαρούχων

πρώτων υλών αποσκοπεί στην εκχύλιση των σακχάρων και γίνεται κυρίως με συμπίεση σε

107

μύλους. Η προεπεργασία των αμυλούχων πρώτων υλών έχει ως σκοπό τη διάσπαση του

αμύλου ώστε να απελευθερωθούν τα σάκχαρα. Αυτό επιτυγχάνεται με την ενζυμική

υδρόλυση του αμύλου, η οποία περιλαμβάνει τα στάδια της υγροποίησης και της

σακχαροποίησης. Κατά την υγροποίηση το ένζυμο α-αμυλάση διασπά το άμυλο σε

μαλτόζη και δεξτρίνες, οι οποίες στη συνέχεια υδρολύονται σε μόρια γλυκόζης από το

ένζυμο γλυκοαμυλάση, κατά το στάδιο της σακχαροποίησης. Η υδρόλυση του αμύλου

εφαρμόζεται στις δύο μεθόδους παραγωγής βιοαιθανόλης από αραβόσιτο, την υγρή και

την ξηρή άλεση. Η υγρή άλεση (wet milling) ήταν η πιο συνηθισμένη επιλογή εώς τη

δεκαετία του 1990, αλλά σήμερα η ξηρή άλεση (dry milling) είναι η μέθοδος που

προτιμάται περισσότερο. Ενώ η υγρή άλεση εξασφαλίζει την παραγωγή καθαρότερου

αμύλου και υψηλότερης αξίας παρα-προϊόντων, η ξηρή άλεση προσφέρει πλεονεκτήματα,

όπως χαμηλότερη ενεργειακή απαίτηση, μικρότερο επενδυτικό κεφάλαιο και υψηλότερη

απόδοση σε βιοαιθανόλη.

Η προεργασία της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας περιλαμβάνει, την προεπεξεργασία

της βιομάζας και την κύρια φάση της υδρόλυσης της κυτταρίνης, και έχει ως απώτερο

στόχο τη διάσπαση των πολυσακχαριτών σε εξόζες και πεντόζες, οι οποίες στη συνέχεια

μπορούν να ζυμωθούν για την παραγωγή βιοαιθανόλης. Ο ρόλος της προεπεξεργασίας της

λιγνοκυτταρίνης είναι η αφαίρεση της λιγνίνης, η υδρόλυση μέρους ή του συνόλου της

ημικυτταρίνης και η αποσταθεροποίηση της δομής της κυτταρίνης, με τελικό αποτέλεσμα

την αύξηση της προσβασιμότητας των ενζύμων της ακόλουθης ενζυμικής υδρόλυσης της

κυτταρίνης. Από την υδρόλυση της ημικυτταρίνης παράγονται πεντόζες (κυρίως ξυλόζη).

Οι πιο κοινές μέθοδοι προεπεξεργασίας που χρησιμοποιούνται είναι η χρήση ατμού με

έκρηξη (steam explosion) και η προ-υδρόλυση με χρήση αραιού οξέος (dilute acid

prehydrolysis).

Η υδρόλυση της κυτταρίνης θεωρείται ως το κύριο στάδιο της υδρόλυσης και μπορεί

να είναι είτε όξινη (με χρήση πυκνού ή αραιού διαλύματος οξέος), είτε ενζυμική, με χρήση

ειδικών ενζύμων, τις κυτταρινάσες. Αν και η μέθοδος της όξινης υδρόλυσης είναι

τεχνολογικά ωριμότερη, η ενζυμική υδρόλυση υπερτερεί διότι οι ηπιότερες συνθήκες

διεξαγωγής της διαδικασίας επιτρέπουν υψηλότερη απόδοση σε σάκχαρα και μείωση του

κόστους. Επίσης το κόστος συντήρησης είναι μικρό, καθώς δεν υπάρχει πρόβλημα

διάβρωσης, όπως συμβαίνει με την όξινη υδρόλυση. Το βασικό μειονέκτημα της ενζυμικής

υδρόλυσης είναι το υψηλό κόστος των ενζύμων. Κατά την προεργασία της

λιγνοκυτταρίνης παράγονται διάφορα προϊόντα από την αποδόμηση των πεντοζών και

εξοζών (π.χ. φουρφουράλη, υδροξυ-μεθυλο-φουρφουράλη (HMF), παράγωγα φαινόλης,

108

ασθενή οξέα και ανόργανα άλατα), τα οποία είναι τοξικά και δρουν ανασταλτικά στην

ενζυματική υδρόλυση και τους μικροοργανισμούς της ζύμωσης. Συνεπώς είναι απαραίτητο

ένα στάδιο μείωσης της τοξικότητας πριν από την ενζυμική υδρόλυση ή τη ζύμωση, μέσω

διαφόρων βιολογικών, χημικών και φυσικών μεθόδων.

Η αλκοολική ζύμωση αποτελεί την καρδιά της παραγωγής βιοαιθανόλης.

Μικροοργανισμοί, όπως ζύμες και βακτήρια, χρησιμοποιούν τις πεντόζες και τις εξόζες

που προκύπτουν από την προεπεξεργασία, ως τροφή για την παραγωγή ενέργειας και

κυτταρική ανάπτυξη. Η ζύμωση διεξάγεται κάτω από αναερόβιες συνθήκες και έχει ως

κύρια παραπροϊόντα την αιθανόλη και το διοξείδιο του άνθρακα. Οι κυριότερες

παράμετροι επιρροής της ζύμωσης είναι η θερμοκρασία, η συγκέντρωση της αιθανόλης, η

παρουσία ανασταλτικών ουσιών, το pH και η συγκέντρωση του υποστρώματος.

Θερμοκρασίες άνω των 46-48οC αναστέλλουν την ανάπτυξη των περισσότερων

ζυμωτικών μικροοργανισμών. Επίσης, η πλειονότητα των οργανισμών δεν μπορεί να

αντέξει σε συγκεντρώσεις αιθανόλης άνω του 10-15% (w/v), λόγω της τοξικής δράσης

της. Εξίσου τοξικές για τους μικροοργανισμούς είναι και οι ουσίες που προέρχονται από

την υδρόλυση της βιομάζας. Επιπλέον, μεγάλες συγκεντρώσεις υποστρώματος στο

διάλυμα της ζύμωσης δημιουργούν αύξηση της οσμωτικής πίεσης η οποία αναστέλλει την

κυτταρική ανάπτυξη. Τέλος, η δυνατότητα διεξαγωγής ζύμωσης σε χαμηλό pH (π.χ. τιμές

pH κάτω από 4) μειώνει το ρίσκο βακτηριακών μολύνσεων και τις απαιτήσεις

αποστείρωσης του εξοπλισμού. Συνεπώς, είναι επιθυμητή η χρήση μικροοργανισμών

ανθεκτικών σε όλους αυτούς τους παράγοντες.

Στη βιομηχανική παραγωγή βιοαιθανόλης η ζύμωση πραγματοποιείται σε

αντιδραστήρες διαλείποντος (batch) ή συνεχούς (continuous) έργου. Τα κύρια

πλεονεκτήματα της ζύμωσης κατά παρτίδες (batch) είναι η μικρή απαίτηση επενδυτικού

κόστους και ελέγχου των συνθηκών ζύμωσης. Ωστόσο, μειονεκτεί σε άλλους τόμεις, όπως

η μείωση του ενεργού όγκου του αντιδραστήρα λόγω της μη παραγωγικής φάσης κατά το

άδειασμα, την αποστείρωση και επαναπλήρωση, η μειωμένη παραγωγικότητα λόγω της

αρχικής λανθάσουσας φάσης ανάπτυξης των κυττάρων και η αναστολή της ζύμωσης λόγω

συσσώρευσης υψηλής τελικής συγκέντρωσης αιθανόλης. Τα πλεονεκτήματα της συνεχούς

ζύμωσης είναι η μακροπρόθεσμη συνεχής και υψηλότερη ογκομετρική παραγωγικότητα

και η σταθερή ποιότητα προϊόντος λόγω ομογενών συνθηκών διαδικασίας. Στα

μειονεκτήματα συγκαταλέγονται η μικρή ευελιξία, η αυξημένη απαίτηση ελέγχου των

συνθηκών και τα υψηλά λειτουργικά κόστη. Η ανακύκλωση των κυττάρων μπορεί να

εφαρμοστεί και στους δύο τύπους διεργασιών και έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της

109

κυτταρικής πυκνότητας και της παραγωγικότητας. Άλλες μέθοδοι που βελτιώνουν

σημαντικά την παραγωγή είναι η τεχνολογία ακινητοποίησης των κυττάρων και η

τεχνολογία ‘very high gravity’ (VHG). Η τεχνολογία VHG επιτρέπει τη ζύμωση πολύ

υψηλής συγκέντρωσης σακχάρων (άνω των 300 g/L), με αποτέλεσμα τελικές

συγκεντρώσεις αιθανόλης που αγγίζουν το 23 % v/v.

Ο μικροοργανισμός που χρησιμοποιείται κατά κόρον στη βιομηχανική παραγωγή

βιοαιθανόλης είναι ο σακχαρομύκητας Saccharomyces cerevisiae. Τα πλεονεκτήματά του

είναι η ικανότητα ζύμωσης μεγάλης ποικιλίας σακχάρων, η αντοχή σε χαμηλό pH και η

ανθεκτικότητα σε διάφορους ανασταλτικούς παράγοντες. Το βακτήριο Zymomonas

mobilis κερδίζει έδαφος στην παραγωγή βιοαιθανόλης καθώς εμφανίζει 2,5 με 5 φορές

υψηλότερη παραγωγικότητα και 5-10% μεγαλύτερη απόδοση από τον Saccharomyces

cerevisiae. Επίσης, επιδεικνύει υψηλότερη αντοχή στην αιθανόλη και στην οσμωτική

πίεση από τη συγκέντρωση σακχάρων. Ωστόσο, η εμπορική του χρήση περιορίζεται από

το μικρό φάσμα σακχάρων που μπορεί να ζυμώσει, τη μειωμένη ανθεκτικότητα σε

ανασταλτικές ουσίες της υδρόλυσης της βιομάζας και οι μεγαλύτερες τιμές pH ζύμωσης

σε σχέση με τις ζύμες. Η υψηλή απόδοση σε αιθανόλη και η χαμηλή παραγωγή βιομάζας

από το Z. mobilis αντισταθμίζεται από την αναγκαιότητα αποστείρωσης του μέσου της

καλλιέργειας. Επομένως, από οικονομική σκοπιά, γενικά προτιμάται ο S. cerevisiae.

Το βασικότερο μειονέκτημα αυτών των μικροοργανισμών είναι η αδυναμία τους να

ζυμώνουν τις πεντόζες που προέρχονται από την υδρόλυση της ημικυτταρίνης. Η

αποτελεσματική ζύμωση των πεντοζών (π.χ. ξυλόζη) είναι απαραίτητο κριτήριο για την

επίτευξη βιώσιμης παραγωγής βιοαιθανόλης 2ης γενιάς. Αυτήν την απαίτηση έρχεται να

καλύψει η επιστήμη της βιοτεχνολογίας. Η τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA

προσφέρει τη δυνατότητα επιτυχούς ζύμωσης των πεντοζών. Αυτό μπορεί να γίνει με δύο

τρόπους:

Ενσωμάτωση γονιδίων στο γονιδίωμα μικροοργανισμών οι οποίοι έχουν την

ικανότητα να παράγουν αιθανόλη από εξόζες (π.χ. Z. mobilis, S. cerevisiae), ώστε

να χρησιμοποιούν και πεντόζες, όπως ξυλόζη και αραβινόζη για την παραγωγή

βιοαιθανόλης

Βελτίωση της παραγωγικότητας σε αιθανόλη μικροοργανισμών που έχουν την

ικανότητα να χρησιμοποιούν εξόζες και πεντόζες (π.χ. Ε. coli, K. oxytoca)

Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία γενετικά τροποποιημένων στελεχών των

Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis, Escherichia coli, Klebsiella oxytoca και

Erwinia chrysanthemi, τα οποία είναι ικανά να ζυμώνουν αποτελεσματικά πεντόζες όπως

110

ξυλόζη και αραβινόζη, και εμφανίζουν αυξήμενη παραγωγικότητα, απόδοση,

ανθεκτικότητα σε αιθανόλη, οσμωτική πίεση και pH, ποικιλοτρόπως ανάλογα με τον

μικροοργανισμό.

Η αλκοολική ζύμωση μπορεί να διεξαχθεί χωριστά από την ενζυμική υδρόλυση της

κυτταρίνης, ή ταυτόχρονα. Η δεύτερη μέθοδος ονομάζεται ‘ταυτόχρονη σακχαροποίηση

και ζύμωση’ (Simultaneous Saccharification and Fermentation - SSF). Η υδρόλυση της

κυτταρίνης ενοποιείται στον ίδιο αντιδραστήρα με την άμεση ζύμωση της παραγόμενης

γλυκόζης. Αυτή η μέθοδος έχει πολλά πλεονεκτήματα, όπως είναι η αύξηση του ρυθμού

μετατροπής της βιομάζας, λόγω της αφαίρεσης των σακχάρων, τα οποία αναστέλλουν τη

δράση των ενζύμων, η μικρότερη παροχή ενζύμων και η υψηλότερη απόδοση παραγωγής.

Η μέθοδος SSF θεωρείται σήμερα εφικτή και έχουν αναφερθεί πολύ ικανοποιητικά

αποτελέσματα. Αποτελεί την καταλληλότερη επιλογή για εμπορική παραγωγή

βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινική βιομάζα. Ωστόσο, η συμβατότητα των δύο

διεργασίων, όσον αφορά τις συνθήκες, όπως pH, θερμοκρασία και συγκέντρωση

υποστρώματος, αποτελεί τον παράγοντα που θα κρίνει τη βιωσιμότητα της μεθόδου στο

μέλλον. Επί παραδείγματι, η βέλτιστη θερμοκρασία για τον S. cerevisiae είναι 30οC, ενώ

των κυτταρινασών 55οC, οπότε απαιτείται ένας συμβιβασμός π.χ. στους 37οC. Τέτοιου

είδους εμπόδια αναμένεται να ξεπεραστούν με τη δημιουργία θερμοανθεκτικών

ζυμωτικών μικροοργανισμών, με τη βοήθεια της βιοτεχνολογίας.

Το τελευταίο στάδιο της παραγωγής βιοαιθανόλης είναι η κλασματική απόσταξη και

αφυδάτωση. Σε πρώτη φάση διαχωρίζεται από το μείγμα της ζύμωσης αιθανόλη

συγκέντρωσης 95% v/v. Εν συνεχεία, το αζεοτροπικό μείγμα αιθανόλης-νερού

διαχωρίζεται περαιτέρω είτε με μοριακό διαχωριστή, είτε με τη δημιουργία τριαδικού

αζεοτροπικού μείγματος αιθανόλης-νερού-βενζίνης. Από τη διαδικασία της αφυδάτωσης

ανακτάται άνυδρη αιθανόλη συγκέντρωσης 99,5% v/v. Η κλασματική απόσταξη και

ιδιαίτερα η αφυδάτωση είναι τα πιο ενεργοβόρα στάδια της παραγωγής βιοαιθανόλης. Η

ενέργεια που καταναλώνεται εξαρτάται άμεσα από την τελική συγκέντρωση αιθανόλης

που περιέχεται στο μείγμα της ζύμωσης. Όσο υψηλότερη η συγκέντρωση αιθανόλης τότε,

τόσο χαμηλότερο το ενεργειακό κόστος για την απόσταξη. Συνεπώς, η

αποτελεσματικότητα της ζύμωσης διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο. Η τεχνολογία ‘very

high gravity’ (VHG) αποτελεί ιδανική λύση στην προκειμένη περίπτωση.

Τα παραπροϊόντα από τις διεργασίες της παραγωγής βιοαιθανόλης είναι ένα άλλο

σπουδαίο κεφάλαιο. Η σωστή διαχείριση και αξιοποίησή τους μπορεί να βελτιώσει

σημαντικά την ενεργειακή απόδοση του συνόλου της παραγωγής και κατ’επέκταση τη

111

μείωση του κόστους. Τυπικά παραδείγματα παραπροϊόντων αποτελούν η βαγάσση και η

βινάσσα από την επεξεργασία του ζαχαροκάλαμου, η λιγνίνη, τα DDGS από την ξηρή

άλεση του αραβόσιτου και η απόβλητη κυτταρική μάζα. Η βαγάσση και η λιγνίνη μπορούν

να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο για την παραγωγή θερμότητας και βιοηλεκτρισμού για

την πλήρη κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων του εργοστασίου. Η βινάσσα μπορεί να

αξιοποιηθεί ως λίπασμα, ενώ τα DDGS πωλούνται ως ζωοτροφή.

Συμπερασματικά, το ιδανικό σενάριο περιλαμβάνει την παραγωγή βιοαιθανόλης 2ης

γενιάς από λιγνοκυτταρινική βιομάζα, με τη μέθοδο SSF, δηλαδή την ταυτόχρονη

ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης και αλκοολική ζύμωση των σακχάρων. Προς το παρόν,

βιοαιθανόλη με αυτόν τον τρόπο παράγεται σε μικρή εργοστασιακή κλίμακα. Οι βασικοί

λόγοι που περιορίζουν την εμπορευματοποίησή της είναι το υψηλό κόστος των

κυτταρινολυτικών ενζύμων και προβλήματα συμβατότητας των διεργασιών της υδρόλυσης

και της ζύμωσης, όσον αφορά παράγοντες όπως η θερμοκρασία, το pH, η συγκέντρωση

υποστρώματος κ.ά.

Το πέρασμα από την εποχή της βιοαιθανόλης 1ης γενιάς από γεωργικά προϊόντα στην

εποχή της βιοαιθανόλης 2ης γενιάς από λιγνοκυτταρίνη, θα πραγματοποιηθεί με τη

συμβολή της επιστήμης της βιοτεχνολογίας. Τα απαραίτητα βήματα που πρέπει να γίνουν

είναι τα εξής:

Δημιουργία μιας νέας γενιάς φθηνών ενζύμων για την υδρόλυση της

κυτταρίνης, ικανά να ολοκληρώνουν την υδρόλυση της βιομάζας κατά τη

διάρκεια της ζύμωσης

Δημιουργία νέων μικροοργανισμών, ικανών να ζυμώνουν ένα μεγάλο εύρος

εξοζών και πεντοζών, με μεγάλη ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες,

χαμηλό pH, υψηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης και υποστρώματος, και σε

τοξικές ουσίες που παράγονται κατά την προπεξεργασία της βιομάζας, ώστε να

παρουσιάζουν βέλτιστη απόδοση σε συνθήκες ταυτόχρονης σακχαροποίησης

και ζύμωσης (SSF)

112

6.2 Μελλοντικά Πλάνα

Μια σειρά από επαναστατικές ιδέες γεννούν ελπίδες για τη μελλοντική βιωσιμότητα

της παραγωγής βιοαιθανόλης. Μερικές από αυτές είναι η ‘ενοποιημένη βιοδιαδικασία’

(CBP) παραγωγής βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρινική βιομάζα, η ιδέα του

βιοδιυλιστηρίου, η παραγωγή βιοαιθανόλης 3ης γενιάς από άλγη, η γενετική τροποποίηση

των φυτών και η χρήση ειδικών εδαφοβελτιωτικών λιπασμάτων.

• ‘Ενοποιημένη βιοδιαδικασία’ (CBP)

Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την πραγματοποίηση της παραγωγής ενζύμων, της

υδρόλυσης της λιγνοκυτταρινικής βιομάζας και της ζύμωσης των σακχάρων σε μία ενιαία

διεργασία. Οι κυτταρινάσες και οι ημι-κυτταρινάσες (π.χ. ξυλανάσες) θα παράγονται από

θερμόφιλους μικροοργανισμούς, οι οποίοι θα ζυμώνουν ταυτόχρονα τις πεντόζες και

εξόζες, στον ίδιο αντιδραστήρα. Οι θερμοκρασίες θα φτάνουν ως και τους 70οC, ενώ το

pH θα μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 3,5 και 4. Επίσης, οι νέοι γενετικά τροποποιημένοι

μικροοργανισμοί θα παρουσιάζουν πλήρη αντοχή σε ανασταλτικούς παράγοντες και

μεγάλη ανθεκτικότητα στην αιθανόλη. Η ενοποιημένη βιοδιαδικασία αποτελεί την

τελευταία λέξη της τεχνολογίας για την παραγωγή βιοαιθανόλης από λιγνοκυτταρίνη και

αναμένεται να είναι διαθέσιμη σε 15 περίπου χρόνια από σήμερα.

• Η ιδέα του βιοδιυλιστηρίου

Το βιοδιυλιστήριο θα αποτελεί μία εγκατάσταση, η οποία θα συμπεριλαμβάνει τον

εξοπλισμό και τις διεργασίες μετατροπής, για την παραγωγή βιοκαυσίμων, ενέργειας και

χημικών από τη βιομάζα. Οι κύριες διαδικασίες θα είναι η αεριοποίηση και η ζύμωση της

βιομάζας. Είναι μια αναλογία του διυλιστηρίου πετρελαίου, στο οποίο παράγεται μια

πληθώρα καυσίμων και προϊόντων από το πετρέλαιο.

• Παραγωγή βιοαιθανόλης 3ης γενιάς από ζωντανή άλγη

Κάποια είδη άλγης (φύκη) μπορούν να παράγουν φυσικά αιθανόλη, η οποία συλλέγεται

χωρίς να θανατώνεται η άλγη. Η αιθανόλη εξατμίζεται και μπορεί στη συνέχεια να

ανακτηθεί με συμπύκνωση. Η εταιρία Algenol κάνει προσπάθειες εμπορευματοποίησης

αυτής της διαδικασίας.

• Γενετική τροποποίηση φυτών

113

Η γενετική παρέμβαση γίνεται προκειμένου να γίνουν ευνοϊκότερες οι ιδιότητες των

χρησιμοποιούμενων φυτών, όπως π.χ. μειωμένη περιεκτικότητα της προβληματικής

λιγνίνης.

• Χρήση ειδικών εδαφοβελτιωτικών λιπασμάτων

Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί το EcoPlant, το οποίο παράγεται στο Ινστιτούτο

βιοτεχνολογίας ‘Πυθία’ από τον Δρ. Αναστασιάδη Σάββα. Το EcoPlant είναι ένα

οικολογικό, βιολογικό, εδαφοβελτιωτικό λίπασμα μικροβιακής προέλευσης, το οποίο δρα

ως αυξητικός και (παγο)προστατευτικός παράγοντας φυτών, θάμνων και δέντρων. Η

εφαρμογή του μπορεί να βελτιώσει τη στρεμματική και ενεργειακή απόδοση των

ενεργειακών καλλιεργειών σε βιοαιθανόλη.

114

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Δημοσίευση σε Περιοδικό Alfenore S., C. Molina-Jouve, S. E. Guillouet, J. L. Uribelarrea, G. Goma, L. Benbadis 2002 «Improving ethanol production and viability of Saccharomyces cerevisiae by a vitamin feeding strategy during fed-batch process» Appl Microbiol Biotechnol 60: 67–72 Bafrncova Petra, Daniela Šmogrovicova, Iveta Slavikova, Jaroslava Patkova and Zoltan Dömeny 1999 «Improvement of very high gravity ethanol fermentation by media supplementation using Saccharomyces cerevisiae» Biotechnology Letters 21: 337–341 Banat Ι.Μ., P. Nigam, D. Singh, R. Marchant and A.P. McHale 1998 «Review: Ethanol production at elevated temperatures and alcohol concentrations: Part I - Yeasts in general» World Journal of Microbiology & Biotechnology 14: 809-821 Birch Rosslyn M., Walker Graeme M. 2000 «Influence of magnesium ions on heat shock and ethanol stress responses of Saccharomyces cerevisiae» Enzyme and Microbial Technology 26: 678–687 Demirbas Ayhan 2005 «Bioethanol from Cellulosic Materials: A Renewable Motor Fuel from Biomass» Energy Sources, 27:327-337 Devantier Rasmus, Pedersen Sven and Olsson Lisbeth, 2005 «Characterization of very high gravity ethanol fermentation of corn mash. Effect of glucoamylase dosage, pre-saccharification and yeast strain» Appl Microbiol Biotechnol 68: 622–629 Duff Sheldon J.B. and Murray William D. 1996 «Bioconversion of forest products industry waste cellulosics to fuel ethanol: A review» Bioresource Technology 55:1-33 Galbe M. and Zacchi G. «A review of the production of ethanol from softwood» 2002 Appl Microbiol Biotechnol (2002) 59:618–628 Hu, G., Heitmann, J. A., and Rojas, O. J. 2008 «Feedstock pretreatment strategies for producing ethanol from wood, bark, and forest residues» BioRes. (3(1), 270-294 Ingledew W.M. 2005 «Improvements in alcohol technology through advancements in fermentation technology» Getreidetechnologie (Getreidetechnologie) 59(5):308-311 Klinke HB, Thomsen AB, Ahring BK 2004 «Inhibition of ethanol-producing yeast and bacteria by degradation products produced during pre-treatment of biomass» Appl Microbiol Biotechnol 66:10–26 Walsum, G. Peter van 2001 «Severity function describing the hydrolysis of xylan using carbon acid» Applied biochemistry and biotechnololy, 91-93: 317-329 Wang S., K.C. Thomas, K. Sosulski, W.M. Ingledew, F.W. Sosulski 1999 «Grain pearling and very high gravity (VHG) fermentation technologies for fuel alcohol production from rye and triticale» Process Biochemistry 34: 421–428

115

Δημοσίευση σε συνέδριο Βερύκιος Ξενοφών 2005 «Εναλλακτικές χρήσεις αγροτικών προϊόντων: διεργασία συμπαραγωγής μέσω υδρογόνου και κυψελίδων καυσίμου», ΗΜΕΡΙΔΑ Η συμβολή της αγροτικής οικονομίας και της ΚΑΠ στην αναπτυξιακή πορεία της Ευρωπαϊκής Ένωσης – Προκλήσεις και προοπτικές. ΑΘΗΝΑ, 20 Οκτωβρίου 2005 Μικροβιόκοσμος 2008 «Γονιδιωματική στο Zymomonas mobilis» 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο ‘Μικροβιόκοσμος’, 12-14 Δεκεμβρίου 2008 ΕΚΕΦΕ, ‘Δημόκριτος’ Belum V S Reddy, A Ashok Kumar and S Ramesh «Sweet sorghum: A Water Saving Bio-Energy Crop» International conference on Linkages between Energy and Water Management for Agriculture in Developing Countries, January 29-30, 2007, IWMI, ICRISAT Campus, Hyderabad, India Henrikki Liimatainena, Toivo Kuokkanena and Jouni Kääriäinenb «Development of Bio-ethanol Production from Waste Potatoes» Proceedings of the Waste Minimization and Resources Use Optimization Conference, June 10

th 2004, University of Oulu, Finland.

Reith J.H., Uil H. den, Veen H. van, Laat W.T.A.M. de, Niessen J.J., Jong E. de, Elbersen H.W., Weusthuis R., Dijken J.P. van, Raamsdonk L. «Co-production of bio-ethanol, electricity and heat from biomass residues» Presented at 12th European Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, Amsterdam, The Netherlands, 17-21 June, 2002 Streibig J.C., C Ritz, CB Pipper, F Yndgaard, K Fredlund, J Nyholm Thomsen «Sugar beet, bioethanol, and climate change» 2009 IOP Publishing Ltd Climate Change: Global Risks, Challenges and Decisions IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 6 (2009) 242040 Διπλωματική / M.Sc. / M.Phil. / Ph.D. Διατριβή (Thesis) Κεφαλά Κατερίνα 2003 «Απομόνωση πρωτεϊνικού παράγοντα που συμμετέχει στο μηχανισμό αντοχής του βακτηρίου Zymomonas mobilis σε θρεπτικά υλικά με υψηλές συγκεντρώσεις γλυκόζης» Διατριβή μεταπτυχιακής εξειδίκευσης, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Λάμπρου Αναστασία 2008 «Τα βιοκαύσιμα στη μέση εκπαίδευση» Μεταπτυχιακή εργασία, Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας», Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Παπανικολάου Βασιλική 2006 «Μέθοδοι και υλικά ακινητοποίησης βιοκαταλυτών για την παραγωγή καύσιμης και βιομηχανικής αλκοόλης σε βιοαντιδραστήρα διαλείποντος έργου» Ερευνητική Εργασία Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Βιολογίας

116

Τόσης Νικόλαος 2008 «Παραγωγή βιοαιθανόλης – Επιρροή παραμέτρων» Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, Πολυτεχνική Σχολή Ξάνθης, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος Cyr Normand 2006 «Effect of aeration strategy on the performance of a very high gravity continuous fuel ethanol fermentation process» Department of Bioresource Engineering McGill University, Montréal Ιστοσελίδα στο διαδίκτυο agribusinessweek.com Άρθρο: «Sweet Sorghum : A New “Smart Biofuel Crop”» http://www.agribusinessweek.com/sweet-sorghum-a-new-smart-biofuel-crop/ businessgreen.com Άρθρο: «Cassava bio-ethanol plant to open in China» Tom Young, 5 Νοεμβρίου 2008 http://www.businessgreen.com/business-green/news/2229852/bio-ethanol-plant-open-china chinadaily.com.cn Άρθρο: «China enlarges bio-ethanol fuel coverage» 1 Απριλίου 2008 http://www.chinadaily.com.cn/china/2008-04/01/content_6582660.htm http://bioenergyuiuc.blogspot.com http://www.chemeng.ntua.gr/courses/trbio/files/KEF%201%20XHMEIA%202.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_fuel http://en.wikipedia.org/wiki/Lignin http://en.wikipedia.org/wiki/Maize http://fooddemocracy.wordpress.com http://green.autoblog.com http://gregssketch.blogspot.com http://m-biotech.biol.uoa.gr/Microbial%20Technology%20CD.pdf http://www.automation.siemens.com/download/internet/cache/3/1439641/pub/en/Siemens_PI_Bio ethanol.pdf http://www.magma.ca/~scimat/yeast.htm http://microbewiki.kenyon.edu http://news.mongabay.com/2008/0107-switchgrass.html

117

http://thailandtravel-hotels.blogspot.com/2008/03/thai-vegetabel-cassava-root.html http://www.distill.com/World-Fuel-Ethanol-A&O-2004.html http://www.ejbiotechnology.info http://www.emc.maricopa.edu http://www.ethanolrfa.org/industry/statistics/ http://www.ligninbiofuels.com http://www.mikrobiokosmos.org/gr/MBK1/user/image/36.christakopoulos_mbk1.pdf http://www.peopleandplanet.net/doc.php?id=522&section=7 http://www.rechargenews.com/energy/biofuels/article171745.ece http://www.statesymbolsusa.org/Utah/hist_veg_sugarbeet.html http://thefraserdomain.typepad.com/energy/2007/06/biofuels_from_s.html Olofsson Kim, Bertilsson Magnus and Lidén Gunnar 2008 «A short review on SSF – an interesting process option for ethanol production from lignocellulosic feedstocks» http://www.biotechnologyforbiofuels.com/content/1/1/7 FAOSTAT 2009 http://faostat.fao.org «Starch hydrolysis by amylase – Experiment no 5» Prepared by Nam Sun Wang. Department of Chemical & Biomolecular Engineering University of Maryland http://www.eng.umd.edu/~nsw/ench485/lab5.htm http://en.wikipedia.org Βιβλία Βουρδουμπάς Ιωάννης 2002 «Εισαγωγή στις Τεχνολογίες της Ενεργειακής Αξιοποίησης της Βιομάζας» Γεωργάτσος Ι. Γ. 2001 «Εισαγωγή στη βιοχημεία» Πέμπτη έκδοση, εκδόσεις Γιαχούδη-Γιαπούλη BNDES and CGEE 2008 «Sugarcane-based bioethanol: energy for sustainable Development» Rio de Janeiro: BNDES Centi Gabriele and Santen, Rutger A. van 2007 «Catalysis for Renewables: From Feedstock to Energy Production» WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

118

Deurwaarder E.P. and Reith J.H. 2006 «Bioethanol in Europe: Overview and comparison of production processes» GAVE programme of the Dutch Agency for Energy and the Environment (SenterNovem) FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) 2008 «The state of food and agriculture» Electronic Publishing Policy and Support Branch Communication Division FAO Hamelinck Carlo N., Geertje Van Hooijdonk and Andre P.C. Faaij 2003 «Prospects for ethanol from lignocellulosic biomass: Techno-economic performance as development progresses» Report NWS-E-2003-55 Hettenhaus, James R. 1998 «Ethanol fermentation strains - present and future requirements for biomass to ethanol commercialization» Hillocks R.J., Thresh J.M., Bellotti Anthony 2002 «Cassava: biology, production and utilization» CABI ΚΑΠΕ (Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας) 2006 «Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών καυσίμων στην Ελλάδα» Kerstetter J.D and Lyons J.K. 2001 «Wheat Straw for Ethanol Production in Washington: A Resource, Technical and Economic Assessment» Washington State University Cooperative Extension Energy Program Liggett R. Winston and Koffler H. 1948 «Corn steep liquor in microbiology» A. E. Staley Manufacturing Company, Decatur, Illinois, and Purdue University, Lafayette, Indiana Mousdale, David M. 2008 «Biofuels: biotechnology, chemistry, and sustainable development» CRC Press - Taylor & Francis Group Pandey A. 2009 «Handbook of plant-based biofuels» CRC Press Taylor & Francis Group Ranalli Paolo 2007 «Improvement of Crop Plants for Industrial End Uses» Springer Rutz D. and Janssen R. 2007 «Biofuel Technology Handbook» WIP Renewable Energies

RFA (Renewable Fuels Association) 2009 «Εthanol industry outlook» Roehr Μ. 2001 «The Biotechnology of Ethanol: Classical and Future Applications» WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim Smeets Edward, Martin Junginger, André Faaij (Utrecht University), Arnaldo Walter, Paulo Dolzan (State University of Campinas) 2006 «Sustainability of Brazilian bio-ethanol» August

WWI (Worldwatch Institute) 2006 «Biofuels for Transport: Global Potential and Implications for Sustainable Agriculture and Energy in the 21st Century – Extended Summary»

Documents

Παραγωγή Βιοαιθανόλης