Ολοκληρωμένη αξιοποίηση της βιομάζας των κυανοβακτηρίων Chlorogloeopsis fritschii και Synechocystis sp. για την ανάκτηση πολυ(υδροξυαλκανοϊκών) εστέρων (PHAs) με ταυτόχρονη παραγωγή βιοενέργειας και προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας στο πλαίσιο ενός βιοδιυλιστηρίου
| datacite.contributor.RelatedPerson | Πανδής, Σπυρίδων | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Αρμάου, Αντώνιος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Κορνάρος, Μιχαήλ | |
| dc.contributor.author | Στρατηγού, Αθηνά | |
| dc.contributor.other | Stratigou, Athina | |
| dc.date.accessioned | 2026-02-27T06:26:48Z | |
| dc.date.available | 2026-02-27T06:26:48Z | |
| dc.date.issued | 2026-02-25 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Τα κυανοβακτήρια αποτελούν μια βιώσιμη πηγή βιοπλαστικών, με την επιλογή της μεθόδου εκχύλισης να αποτελεί τον κρισιμότερο παράγοντα για τη διασφάλιση της καθαρότητας του πολυμερούς. Στο πλαίσιο ενός βιοδιυλιστηρίου, η διαδικασία δεν περιορίζεται στην ανάκτηση, καθώς η υπολειμματική βιομάζα που προκύπτει μετά την εκχύλιση μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή βιοαερίου μέσω αναερόβιας χώνευσης, συμβάλλοντας στην ενεργειακή αυτονομία της μονάδας. Παράλληλα, το παραγόμενο βιοπλαστικό παρουσιάζει εξαιρετικές προοπτικές σε εφαρμογές, όπως η ιατρική, όπου χρησιμοποιείται ως βιοσυμβατός φορέας για την ενθυλάκωση και τη στοχευμένη αποδέσμευση φαρμακευτικών ουσιών. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση ολοκληρωμένων στρατηγικών αξιοποίησης της βιομάζας κυανοβακτηρίων, με έμφαση στην ανάκτηση και τον χαρακτηρισμό του βιοπλαστικού, καθώς και στην επακόλουθη ενεργειακή αξιοποίηση της υπολειπόμενης βιομάζας και την φαρμακευτική αξιοποίηση του βιοπλαστικού. Η προσέγγιση αυτή στοχεύει στη μεγιστοποίηση της προστιθέμενης αξίας της βιομάζας στο πλαίσιο βιώσιμων βιοδιεργασιών. Συγκεκριμένα, η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στη μελέτη ανάκτησης βιοπλαστικών υψηλής καθαρότητας και συγκεκριμένα του πολυ(3-υδροξυβουτυρικού) εστέρα (PHB), το οποίο ανήκει στην κατηγορία των πολυ(υδροξυαλκανοϊκών) εστέρων (PHAs), από τα κυανοβακτήρια Chlorogloeopsis fritschii και Synechocystis sp.. Αρχικά, αξιολογήθηκε η εκχύλιση λιπόφιλων χρωστικών από τα στελέχη C. fritschii και Synechocystis sp., η οποία κατέδειξε ότι η διαφοροποίηση στην κυτταρική τους αρχιτεκτονική καθορίζει τη δυσκολία ανάκτησης, με το C. fritschii να απαιτεί δραστικούς διαλύτες λόγω ανθεκτικότερου τοιχώματος, σε αντίθεση με το Synechocystis sp. που χαρακτηρίζεται από υψηλή διαπερατότητα ως προς τον διαλύτη. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι οι διεργασίες εκχύλισης ανέκτησαν πολυμερή υψηλού βαθμού καθαρότητας και θερμικής σταθερότητας (άνω των 240 °C), με τα φάσματα FTIR να επιβεβαιώνουν τη χημική τους ταυτότητα. Το PHB που εκχυλίστηκε από το Synechocystis sp. παρουσίασε ανώτερη δομική τάξη με κρυσταλλικότητα 50.6 % και θερμοκρασία τήξης 175.4 °C, έναντι του C. fritschii που εμφάνισε 29 % και 171.8 °C, αντίστοιχα. Παράλληλα, διερευνήθηκε η αξιοποίηση της υπολειμματικής βιομάζας, μετά την ανάκτηση του PHB, όπου τα παραπροϊόντα της διεργασίας χρησιμοποιήθηκαν ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ενέργειας. Ο προσδιορισμός του βιοχημικού δυναμικού μεθανίου (BMP) κατέδειξε ότι η βιομάζα παραμένει κατάλληλη για βιολογική αποικοδόμηση, αποδίδοντας έως και 212 NmL CH4 g⁻¹ VS μέσω αναερόβιας χώνευσης. Επιπλέον, μελετήθηκε η αξιοποίηση του παραγόμενου PHB σε εφαρμογές υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως η παρασκευή πολυμερικών νανοσωματιδίων για συστήματα ενθυλάκωσης φαρμάκων. Στο πλαίσιο αυτό εξετάστηκε η δημιουργία νανοσωματιδίων και η ενθυλάκωση υδρόφιλων και υδρόφοβων βιοενεργών ενώσεων, με τα αποτελέσματα να αποδεικνύουν ότι η χημική συμβατότητα μεταξύ πολυμερικής μήτρας και δραστικής ουσίας είναι καθοριστική για την αποδοτικότητα του συστήματος. Συγκεκριμένα, η ενθυλάκωση της υδρόφοβης κουερσετίνης ήταν ιδιαίτερα αποτελεσματική, επιτυγχάνοντας απόδοση έως 29 %, ενώ στην περίπτωση της υδρόφιλης αμοξικιλλίνης το ποσοστό περιορίστηκε στο 26 % λόγω ασθενέστερων αλληλεπιδράσεων με την υδρόφοβη φάση του πολυμερούς. Η επιτυχής ενσωμάτωση των ουσιών αυτών επιβεβαιώνει τις προοπτικές του PHB ως έναν πολλά υποσχόμενο βιοσυμβατό φορέα για φαρμακευτικές εφαρμογές. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας μπορούν να προσφέρουν χρήσιμες πληροφορίες για την μελλοντική εφαρμογή της διεργασίας παραγωγής βιοπλαστικών από φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς σε μεγάλη κλίμακα, στο πλαίσιο ενός ολοκληρωμένου βιοδιυλιστηρίου, προάγοντας το μοντέλο της κυκλικής οικονομίας. | |
| dc.description.translatedabstract | Cyanobacteria constitute a sustainable source of bioplastics, with the selection of the extraction method being the most critical factor in ensuring polymer purity. Within a biorefinery framework, the process extends beyond recovery, as the residual biomass after extraction can be utilized for biogas production through anaerobic digestion, thereby contributing to the plant’s energy autonomy. Simultaneously, the produced bioplastic exhibits exceptional prospects in applications such as medicine, serving as a biocompatible carrier for the encapsulation and targeted release of pharmaceutical compounds. The purpose of this diploma thesis is to investigate strategies for the utilization of cyanobacterial biomass, with an emphasis on the recovery and characterization of bioplastics, as well as the subsequent energy exploitation of the remaining biomass and the pharmaceutical utilization of the bioplastic. This approach aims to maximize the added value of biomass within the framework of sustainable bioprocesses. Specifically, this thesis focuses on the study of recovering high-purity bioplastics, in particular poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), which belongs to the category of poly(hydroxyalkanoates) (PHAs), from the cyanobacteria Chlorogloeopsis fritschii and Synechocystis sp.. Initially, the extraction of lipophilic pigments from C. fritschii and Synechocystis sp. was evaluated, which demonstrated that the differentiation in their cellular architecture determines the difficulty of recovery, C. fritschii requires potent solvents due to its more resistant cell wall, in contrast to Synechocystis sp., which is characterized by high solvent permeability. Furthermore, it was proven that the extraction processes recovered polymers of high purity and thermal stability (above 240 °C), with FTIR spectra confirming their chemical identity. PHB extracted from Synechocystis sp. exhibited superior structural order with a crystallinity of 50.6 % and a melting temperature of 175.4 °C, compared to C. fritschii which showed 29 % and 171.8 °C, respectively. Simultaneously, the utilization of the residual biomass after PHB recovery was investigated, where the process by-products were used as raw material for energy production. The determination of the Biochemical Methane Potential (BMP) indicated that the biomass remains suitable for biological degradation, yielding up to 212 NmL CH4 g⁻¹ VS through anaerobic digestion. Additionally, the utilization of the produced PHB in high-added-value applications, such as the preparation of polymeric nanoparticles for drug encapsulation systems, was studied. In this framework, the creation of nanoparticles and the encapsulation of hydrophilic and hydrophobic bioactive compounds were examined, with results proving that the chemical compatibility between the polymeric matrix and the active substance is decisive for the efficiency of the system. Specifically, the encapsulation of hydrophobic quercetin was highly effective, achieving an efficiency of up to 29 %, while for hydrophilic amoxicillin the rate was limited to 26 % due to weaker interactions with the hydrophobic phase of the polymer. The successful integration of these substances confirms the potential of PHB as a highly promising biocompatible carrier for pharmaceutical applications. The results of this work can provide useful information for the future large-scale application of the bioplastic production process from photosynthetic microorganisms within an integrated biorefinery framework, promoting the circular economy model. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/31482 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Greece | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/ | |
| dc.subject | Βιοπλαστικά | |
| dc.subject | Κυανοβακτήρια | |
| dc.subject | Ανάκτηση βιοπλαστικών | |
| dc.subject | Αναερόβια χώνευση | |
| dc.subject | Βιοχημικό δυναμικό μεθανίου | |
| dc.subject | Νανοσωματίδια | |
| dc.subject | Ενθυλάκωση φαρμάκων | |
| dc.subject.alternative | Bioplastics | |
| dc.subject.alternative | Cyanobacteria | |
| dc.subject.alternative | Bioplastic recovery | |
| dc.subject.alternative | PHB | |
| dc.subject.alternative | Anaerobic digestion | |
| dc.subject.alternative | Biochemical methane potential | |
| dc.subject.alternative | Nanoparticles | |
| dc.subject.alternative | Drug encapsulation | |
| dc.subject.alternative | PHAs | |
| dc.title | Ολοκληρωμένη αξιοποίηση της βιομάζας των κυανοβακτηρίων Chlorogloeopsis fritschii και Synechocystis sp. για την ανάκτηση πολυ(υδροξυαλκανοϊκών) εστέρων (PHAs) με ταυτόχρονη παραγωγή βιοενέργειας και προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας στο πλαίσιο ενός βιοδιυλιστηρίου | |
| dc.title.alternative | Comprehensive utilization of Chlorogloeopsis fritschii and Synechocystis sp. cyanobacterial biomass for the recovery of poly(hydroxyalkanoates) (PHAs) with simultaneous production of bioenergy and high-added-value products within a biorefinery framework |