Παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης από ανανεώσιμες πρώτες ύλες της βιομηχανίας τροφίμων και της βιομηχανίας παραγωγής βιοντίζελ

Abstract

Η κυτταρίνη είναι το πιο άφθονο βιοπολυμερές στη γη. Αποτελεί το κύριο συστατικό της φυτικής βιομάζας και μπορεί να παραχθεί μέσω μικροβιακής ζύμωσης ως εξωκυτταρικό πολυμερές. Λόγω των μοναδικών της ιδιοτήτων που είναι αποτέλεσμα της μικροϊνιδιακής δομής της, η βακτηριακή κυτταρίνη έχει βρει πλήθος εφαρμογών στις βιομηχανίες χάρτου, κλωστοϋφαντουργίας και τροφίμων όπως και ως βιοϋλικό σε καλλυντικά και στην ιατρική. Στην παρούσα εργασία αξιολογήθηκε η δυνατότητα παραγωγής μικροβιακής κυτταρίνης από ανανεώσιμες πρώτες ύλες προερχόμενες από διάφορα αγρο-βιομηχανικά υπολείμματα και από παραπροϊόντα ή υποπροϊόντα της βιομηχανίας τροφίμων καθώς και της βιομηχανίας βιοντίζελ. Πιο συγκεκριμένα, εξετάστηκε η προοπτική χρησιμοποίησης:  στερεών αμυλοπρωτεϊνούχων αποβλήτων της βιομηχανία παραγωγής προϊόντων ζαχαροπλαστικής ως πηγή άνθρακα και αζώτου  ακατέργαστης γλυκερόλης ως πηγή άνθρακα και υδρολυμάτων ηλιόπιτας ως πηγή αζώτου, και τα δύο προερχόμενα από την βιομηχανία παραγωγής βιοντίζελ Τα παραπάνω απόβλητα με εξαίρεση την γλυκερόλη, μετατράπηκαν σε θρεπτικό υπόστρωμα για την παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης, μέσω ενζυμικής υδρόλυσης με την χρήση ακατέργαστων ενζύμων (αμυλολυτικά και πρωτεολυτικά). Τα ακατέργαστα ένζυμα παρήχθησαν κατά την διάρκεια ζύμωσης στερεής κατάστασης από μύκητες του γένους Aspergillus. Οι ζυμώσεις διαλείποντος έργου με το βακτηριακό στέλεχος Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973 αρχικά διεξήχθησαν και μελετήθηκαν σε συνθετικά υποστρώματα που περιείχαν διάφορους μονοσακχαρίτες και δισακχαρίτες ως πηγές άνθρακα. H ξυλόζη και η λακτόζη δεν μεταβολίστηκαν επαρκώς από το βακτηριακό στέλεχος οδηγώντας σε σχετικά χαμηλή παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης με αντίστοιχες συγκεντρώσεις 1,7 και 1,6 g/L. Στα υποστρώματα της γλυκόζης και της φρουκτόζης, παρήχθησαν αντίστοιχα 1,2 και 2 g/L βακτηριακής κυτταρίνης. Η μεγαλύτερη απόδοση βακτηριακής κυτταρίνης επιτεύχθηκε με την χρήση ακατέργαστης γλυκερόλης και σακχαρόζης με αντίστοιχες συγκεντρώσεις 3,2 g/L και 4,9 g/L . Ακολούθησαν πειράματα έχοντας ως υπόστρωμα υδρολύματα ηλιαλεύρων ως πηγή αζώτου και λοιπών θρεπτικών συστατικών και ακατέργαστη γλυκερόλη ως πηγή άνθρακα και πειράματα έχοντας ως υποστρώμα υδρολύματα αμυλούχων προϊόντων ζαχαροπλαστικής. O συνδυασμός ακατέργαστης γλυκερόλης ως πηγή άνθρακα με υδρολύματα ηλιαλεύρων είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή 13,3 g/L βακτηριακής κυτταρίνης. Παρόμοια αποτελέσματα (13,05 g/L) προέκυψαν από τη χρήση υδρολυμάτων στερεών αποβλήτων προερχόμενα από γραμμές παραγωγής αμυλούχων προϊόντων ζαχαροπλαστικής (παιδικές τροφές). Το θρεπτικό αυτό υπόστρωμα ήταν ένα πλήρες θρεπτικό μέσο ζύμωσης που κάλυπτε τις ανάγκες του μικροοργανισμού σε άνθρακα, αζώτου και λοιπά θρεπτικά συστατικά. Τέλος, αξιολογήθηκε η παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης με χρήση τριών διαφορετικών συγκεντρώσεων αζώτου (350, 500, 700 mg/L) που περιέχεται στις ελεύθερες αμινομάδες πεπτιδίων και αμινοξέων (free amino nitrogen, FAN). Σύμφωνα με τα πειραματικά δεδομένα, η μικρότερη συγκέντρωση FAN, συντέλεσε στην μεγαλύτερη τιμή της βακτηριακής κυτταρίνης (3,2 g/L) έναντι των άλλων δύο. Η βάση για όλες τις παραπάνω ζυμώσεις ήταν το μέσο καλλιέργειας Hestrin–Schramm (Hestrin and Schramm, 1954) και η διάρκειά τους ήταν 15 ημέρες. Για να περιοριστεί το υψηλό κόστος της παραγωγής της βακτηριακής κυτταρίνης και να γίνει εφικτή η εμπορευματοποίησή της πρέπει να βελτιωθεί ο ρυθμός παραγωγής της βακτηριακής κυτταρίνης κατά την διάρκεια της ζύμωσης. Δεδομένου ότι η τιμή του υποστρώματος διαδραματίζει μείζονος σημασίας ρόλο για το κόστος παραγωγής της μικροβιακής κυτταρίνης, μέσω της παρούσας μελέτης παρουσιάζεται η δυνατότητα αξιοποίησης ανανεώσιμων πρώτων υλών χαμηλού ή και μηδενικού κόστους για τη βιομηχανική εφαρμογή της συγκεκριμένης βιοδιεργασίας.

Cellulose is the most abundant biopolymer on earth. It is the main component of plant biomass, but it can also be produced as an extracellular metabolite through bacterial fermentation. Due to its unique properties and its microfibrillar structure, bacterial cellulose has found numerous applications in paper, textile and food industries as well as a biomaterial in cosmetics and medicine. In the present study the possibility microbial cellulose production from renewable raw materials such as various agro-wastes and by-products of food industry and the biodiesel industry was evaluated. Specifically, it was evaluated the prospect of using : 1. flour- or starch-based solid wastes generated by a confectionery industry as carbon, nitrogen and other sources of nutrients 2. crude glycerol as carbon source and sunflower meal hydrolysates as nitrogen source, both generated from the biodiesel industry These waste streams, besides glycerol, were bioconverted into a nutrient rich medium by enzymatic hydrolysis using crude enzymes (proteolytic and amylolytic). These crude enzymes were produced during solid state fermentation by fungi of the genus Aspergillus. Batch fermentations with the bacterial strain Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973 were initially performed in synthetic media using commercial sugars. Xylose and lactose were not well metabolized by the bacterial strain leading to rather low bacterial cellulose concentrations of 1,7 g/L and 1,6 g/L respectively. With respect to glucose and fructose, the bacterial cellulose concentrations were 1,2 and 2 g/L, respectively. The highest bacterial cellulose concentration was achieved by using crude glycerol (3,2 g/L) and commercial sucrose (4,9 g/L) as carbon sources. The combination of crude glycerol as a carbon source together with sunflower meal hydrolysates as a source of nutrients, resulted in bacterial cellulose concentrations of 13,34 g/L. Similar results (13,05 g/L) were obtained by using hydrolysates produced from flour-rich waste streams generated by a confectionery industry as a complete fermentation medium. The effect of different initial concentrations of FAN on bacterial cellulose production was also evaluated. The lowest FAN concentration resulted in the highest bacterial cellulose concentration (3,2 g/L) . The basis for all fermentations was the culture medium Hestrin-Schramm (Hestrin and Schramm, 1954) and the duration of each fermentation was 15 days. The results obtained through this study are promising for further investigation. However, substantial improvement in the fermentation strategy is required in order to improve significantly the productivity of bacterial cellulose and to reduce the processing costs. Taking into consideration that the cost of fermentation media significantly affects the production cost of bacterial cellulose, the possibility of utilizing industrial waste and by-product streams could lead to industrial implementation.