Organic acids production from soluble solid wastes of bioethanol production plants using kissiris and γ-alumina as promoters

The biotechnological utilization of agro-industrial waste biomass through anaerobic digestion to produce organic acids is an important alternative to the problem of waste management. The production of organic acids is a competitive and rapidly growing sector due to their numerous applications. Organic acids have been widely used in the food industry as flavor enhancers and as food preservatives. They have also been used as antifungal agents in animal feed, as components of herbicides and are important raw materials for the chemical, cosmetic and pharmaceutical industries. Another potential biotechnological application of organic acids is their utilization to produce a new generation of ester-based biofuels. The production of ethanol from sugar crops such as sugar beets leads to the production of large volumes of vinasse, an extremely polluting waste. In this context, in the present dissertation was studied the biotechnological utilization of vinasse as a substrate to produce high value-added chemicals such as organic acids through the process of acidogenesis. For the acidogenesis of vinasse, two porous materials were used, kissiris and γ-alumina, for the immobilization of the mixed anaerobic culture and their possible promotional effect in the process of acidogenesis was studied.The effect of conditions on the acidogenesis of sucrose was initially studied, as a model compound since it is the main sugar of vinasse. Specifically, the effect of pH (4-8), temperature (20-45 °C) and the initial concentration of sugar (20-100 g/L) on the process of acidogenesis in each promoter was studied separately and compared with corresponding experiments with free cells. In the case of γ-alumina it was found that the highest concentration of organic acids was reached at pH 7 at 37 °C and the fermentation was lactic type. In the case of kissiris the maximum productivity of organic acids was reached at pH 8 at 37 °C and the fermentation was also lactic type. Finally, the promotional effect of kissiris and γ-alumina in the process of acidogenesis became apparent. Batch fermentations were then carried out with sucrose-raffinose mixtures, since raffinose is also a component of vinasse and it was shown that mixed anaerobic culture can ferment more complex sugars such as raffinose.Then, continuous acidogenesis with γ-alumina promoter was studied using sucrose, sucrose-raffinose and vinasse mixtures as feed liquids in a 1.25 L bioreactor. At first t he bioreactor was fed with sucrose and sucrose-raffinose mixtures and the predominant acid produced was lactic acid. Subsequently, vinasse was fed to the continuous system and two dilutions of vinasse with water were tested (1:5 and 1:10). The use of diluted 1:5 vinasse led to a significant increase in the yield of organic acids, while a decrease in lactic acid and an increase in butyric acid were observed. Diluted vinasse 1:10 gave better results and the concentration of organic acids reached 19.2 g/L. The same experiments were performed with kissiris as promoter, and it was shown that during the continuous acidogenesis of the diluted 1:5 vinasse mainly butyric and acetic acid were produced while the subsequent use of the diluted 1:10 vinasse led to a reduction in the production of organic acids.Large-scale experiments were carried out using a 100 L Μulti-stage Fixed-Bed Tower (MFBT) and kissiris as promoter. In the beginning, batch fermentations were carried out by loading the first floor of the bioreactor with kissiris. The immobilization of mixed anaerobic culture took place, and the system was gradually fed with synthetic sucrose media, sucrose-raffinose mixtures and then with vinasse. During the acidogenesis of vinasse the highest production of organic acids observed was 18 g/L, with butyric acid representing over 60% of the total organic acids. Subsequent study of the continuous acidification of vinasse with different feed flow rates showed that butyrate fermentation was more favored at a slower flow rate. The second floor of the bioreactor was then loaded with kissiris and three batch fermentations were performed using 1:10 diluted vinasse. The maximum production of organic acids observed was 30.6 g/L and in all fermentations the predominant acid was butyric. Finally, the system was tested in continuous operation where the concentration of total organic acids reached 19 g/L and the type of the fermentation was butyrate fermentation.Butyric acid is an especially important product with many applications. Butyric acid esters are used as flavoring agents in soft drinks, food, and cosmetics. In the chemical industry it is mainly used to produce plastics, while recently there is great interest in the use of butyric acid to produce biofuels. In the last chapter, the recovery of the organic acids produced from the fermentation medium by the liquid-liquid extraction method was studied. Specifically, 2-methyl-propanol-1 or isobutanol was studied and it was found that pH 1, solvent/organic acids ratio 1:1 and sequential extraction yielded the best results, with butyric and propionic acid being easier to recover than other organic acids.Η βιοτεχνολογική αξιοποίηση της βιομάζας των αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων μέσω της αναερόβιας ζύμωσης προς την παραγωγή οργανικών οξέων, αποτελεί μια σημαντική εναλλακτική λύση στο πρόβλημα της διαχείρισης των αποβλήτων. Η παραγωγή των οργανικών οξέων αποτελεί έναν ανταγωνιστικό και ταχέως αναπτυσσόμενο τομέα εξαιτίας των πολυάριθμων εφαρμογών τους. Τα οργανικά οξέα έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων ως ενισχυτικά της γεύσης και του αρώματος και ως συντηρητικά. Επίσης έχουν χρησιμοποιηθεί ως αντιμυκητιακοί παράγοντες στις ζωοτροφές, ως συστατικά των ζιζανιοκτόνων ενώ αποτελούν σημαντικές πρώτες ύλες για την χημική, καλλυντική και φαρμακευτική βιομηχανία. Άλλη εν δυνάμει βιοτεχνολογική εφαρμογή των οργανικών οξέων είναι η αξιοποίηση τους για την παραγωγή μιας νέας γενιάς βιοκαυσίμου με βάση τους εστέρες. Η παραγωγή αιθανόλης από σακχαρούχες καλλιέργειες όπως είναι τα ζαχαρότευτλα οδηγεί στην παραγωγή μεγάλων όγκων βινάσσας, ενός εξαιρετικά ρυπογόνου αποβλήτου. Στο πλαίσιο αυτό, στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η βιοτεχνολογική αξιοποίηση της βινάσσας ως υπόστρωμα για την παραγωγή χημικών υψηλής προστιθέμενης αξίας όπως είναι τα οργανικά οξέα μέσω της διεργασίας της οξεογένεσης. Για την οξεογένεση της βινάσσας χρησιμοποιήθηκαν δύο πορώδη υλικά, η κίσσηρη και η γ-αλούμινα, για την ακινητοποίηση της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας και μελετήθηκε η τυχόν προωθητικής τους δράση στη διεργασία της οξεογένεσης. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών στην οξεογένεση της σουκρόζης, ως ένωση μοντέλο αφού είναι το κύριο σάκχαρο της βινάσσας. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση του pH (4-8), της θερμοκρασίας (20-45 °C) και της αρχικής συγκέντρωσης του σακχάρου (20-100 g/L) στη διεργασία της οξεογένεσης στον κάθε φορέα ακινητοποίησης ξεχωριστά και έγινε σύγκριση με αντίστοιχα πειράματα με ελεύθερα κύτταρα. Στην περίπτωση της γ-αλούμινας βρέθηκε ότι η μεγαλύτερη συγκέντρωση οργανικών οξέων επετεύχθη στο pH 7 στους 37 °C και η ζύμωση ήταν γαλακτικού τύπου. Στην περίπτωση της κίσσηρης η μέγιστη παραγωγικότητα οργανικών οξέων επετεύχθη στο pH 8 στους 37 °C και η ζύμωση ήταν επίσης γαλακτικού τύπου. Τέλος έγινε φανερή η προωθητική δράση της κίσσηρης και της γ-αλούμινας στη διεργασία της οξεογένεσης. Ακολούθως πραγματοποιήθηκαν μικροβιακές ζυμώσεις διαλείποντος έργου με μίγματα σουκρόζης-ραφινόζης, δεδομένου ότι και η ραφινόζη είναι συστατικό της βινάσσας και φάνηκε ότι η μικτή αναερόβια καλλιέργεια έχει τη δυνατότητα να ζυμώσει και πιο σύνθετα σάκχαρα όπως είναι η ραφινόζη. Στη συνέχεια μελετήθηκε η συνεχής οξεογένεση της σουκρόζης, μιγμάτων σουκρόζης-ραφινόζης και βινάσσας σε βιοαντιδραστήρα 1,25 L με προωθητή τη γ-αλούμινα. Κατά την τροφοδοσία του βιοαντιδραστήρα με σουκρόζη και μίγματα σουκρόζης-ραφινόζης το κυρίαρχο παραγόμενο οξύ ήταν το γαλακτικό οξύ. Ακολούθως η βινάσσα τροφοδοτήθηκε στο συνεχές σύστημα και δοκιμάστηκαν δύο αραιώσεις της βινάσσας με νερό (1:5 και 1:10). Η χρήση της αραιωμένης 1:5 βινάσσας οδήγησε σε μια σημαντική αύξηση στην απόδοση σε οργανικά οξέα ενώ παρατηρήθηκε μείωση του γαλακτικού οξέος και αύξηση του βουτυρικού οξέος. Η τροφοδοσία με αραιωμένη 1:10 βινάσσα έδωσε καλύτερα αποτελέσματα με τη συγκέντρωση των οργανικών οξέων να φτάνει τα 19,2 g/L. Ίδια πειράματα πραγματοποιήθηκαν με προωθητή την κίσσηρη όπου φάνηκε ότι κατά τη συνεχή οξεογένεση της αραιωμένης 1:5 βινάσσας παράχθηκαν κυρίως βουτυρικό και οξικό οξύ ενώ η ακόλουθη χρήση της αραιωμένης 1:10 βινάσσας οδήγησε σε μια μείωση στην παραγωγή των οργανικών οξέων. Ακολούθησαν πειράματα μεγαλύτερης κλίμακας με βιοαντιδραστήρα πολλαπλών κλινών (MFBT) 100 L και προωθητή την κίσσηρη. Στην αρχή πραγματοποιήθηκαν διαλείποντος έργου ζυμώσεις με φόρτωση του ενός ορόφου του βιοαντιδραστήρα με κίσσηρη. Ακινητοποίηση της μικτής αναερόβιας καλλιέργειας έλαβε χώρα και το σύστημα τροφοδοτήθηκε σταδιακά με συνθετικά μέσα σουκρόζης, μιγμάτων σουκρόζης-ραφινόζης και ακολούθως με βινάσσα. Κατά την οξεογένεση της βινάσσας η υψηλότερη παραγωγή οργανικών οξέων που παρατηρήθηκε ήταν 18 g/L, με το βουτυρικό οξύ να αντιπροσωπεύει πάνω από το 60% των ολικών οργανικών οξέων. Ακολούθησε μελέτη της συνεχούς οξεογένεσης της βινάσσας με διαφορετικούς ρυθμούς ροής της τροφοδοσίας όπου φάνηκε ότι η βουτυρικού τύπου ζύμωση ευνοείται περισσότερο σε βραδύτερο ρυθμό ροής. Εν συνεχεία έγινε φόρτωση του δεύτερου ορόφου του βιοαντιδραστήρα με κίσσηρη και πραγματοποιήθηκαν τρεις διαλείποντος έργου ζυμώσεις με τη χρήση αραιωμένης βινάσσας 1:10. Η μέγιστη παραγωγή οργανικών οξέων που παρατηρήθηκε ήταν 30,6 g/L και σε όλες τις ζυμώσεις το κυρίαρχο οξύ ήταν το βουτυρικό. Τέλος το σύστημα δοκιμάστηκε και σε συνεχή λειτουργία όπου η συγκέντρωση των ολικών οργανικών οξέων έφτασε τα 19 g/L και η ζύμωση ήταν βουτυρικού τύπου. Το βουτυρικό οξύ είναι ένα πολύ σημαντικό προϊόν με πολλές εφαρμογές. Οι εστέρες του βουτυρικού οξέος χρησιμοποιούνται ως αρωματικοί παράγοντες σε αναψυκτικά, τρόφιμα και καλλυντικά. Στη χημική βιομηχανία χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή πλαστικών, ενώ τελευταία υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την χρήση του βουτυρικού οξέος για την παραγωγή βιοκαυσίμων. Στο τελευταίο κεφάλαιο μελετήθηκε η ανάκτηση των παραγόμενων οργανικών οξέων από το θρεπτικό μέσο ζύμωσης με τη μέθοδο της υγρής-υγρής εκχύλισης. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η 2-μεθυλο-προπανόλη-1 ή ισοβουτανόλη ως διαλύτης και έγινε φανερό ότι το pH 1, η αναλογία διαλύτη/οργανικά οξέα 1:1 και ο διαδοχικός τρόπος εκχύλισης έδωσαν τα καλύτερα αποτελέσματα, με το βουτυρικό και το προπιονικό να ανακτώνται ευκολότερα από τα υπόλοιπα οργανικά οξέα