Αξιοποίηση αποβλήτων οινοποιείου προς παραγωγή ηλεκτρικού οξέος μέσω μικροβιακών ζυμώσεων

Abstract

Τα οινοποιεία αποτελούν ένα σημαντικό τομέα της βιομηχανίας και το σταφύλι είναι ένα σημαντικό αγαθό το οποίο παράγεται σε μεγάλες ποσότητες. Κάθε χρόνο παγκοσμίως παράγονται 210 εκατομμύρια τόνοι σταφυλιών, εκ των οποίων το 15% καταλήγουν για οινοποίηση. Τα παραπροϊόντα που προκύπτουν από την οινοποίηση είναι οι βόστρυχοι, τα στέμφυλα, τα γίγαρτα και η οινολάσπη. Στην Ευρώπη, ετησίως συλλέγονται 14,5 εκατομμύρια τόνοι αποβλήτων από οινοποιεία (Teixeira et al., 2014). Η αξιοποίηση αυτών των αποβλήτων προς παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας θα ευνοήσει τη μείωση του περιβαλλοντικού αντίκτυπου και θα αποφέρει βιώσιμα οικονομικά οφέλη στις τοπικές κοινωνίες (Lanchman et al., 2013). Αρχικά, προσδιορίστηκε η ακριβής σύσταση των αποβλήτων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα μελέτη. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε μια σειρά φυσικοχημικών αναλύσεων και προσδιορίστηκε η περιεκτικότητα τους σε λιγνίνη, κυτταρίνη, ημικυτταρίνη, λιπαρές ύλες, τέφρα, πρωτεΐνες, πηκτίνη και φαινολικές ενώσεις. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων δείχνουν ότι οι βόστρυχοι, τα στέμφυλα και τα γίγαρτα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας (π.χ. αντιοξειδωτικά). Περιέχουν, επίσης, υψηλές ποσότητες κυτταρίνης και ημικυτταρίνης που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή σακχάρων, τα οποία στη συνέχεια θα μπορούσαν να αποτελέσουν πηγές άνθρακα για τη μικροβιακή παραγωγή ηλεκτρικού οξέος. Το ηλεκτρικό οξύ είναι ένα δικαρβοξυλικό οξύ με τέσσερα άτομα άνθρακα και αποτελεί πρόδρομη ένωση για την σύνθεση βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών, χημικών ουσιών, φαρμακευτικών προϊόντων αλλά και ως πρόσθετο στην βιομηχανία παραγωγής τροφίμων. Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε η αξιοποίηση των λιγνοκυτταρινούχων αποβλήτων οινοποιείου, ποικιλίας Αγιωργίτικου. Μια σειρά χημικών και βιολογικών διεργασιών, έλαβε χώρα με σκοπό να προκύψουν υδρολύματα πλούσια σε σάκχαρα. Η προεπεξεργασία των βοστρύχων, στεμφύλων και γιγάρτων βασίζεται σε αλκαλική υδρόλυση για την απομάκρυνση της λιγνίνης, που ακολουθείται από όξινη υδρόλυση για την αποικοδόμηση της ημικυτταρίνης και τελικά την ενζυμική υδρόλυση της κυτταρίνης. Η χημική υδρόλυση της ημικυτταρίνης πραγματοποιήθηκε με χρήση θειικού οξέος σε αυτόκαυστο (121oC) ενώ η βιομετατροπή της κυτταρίνης έγινε με χρήση κυτταρινασών. Οι υδρολύσεις οδηγούν στην παραγωγή ζυμώσιμων σακχάρων που μπορούν να αξιοποιηθούν περαιτέρω για την παραγωγή μεταβολικών προϊόντων. Η αξιοποίηση της οινολάσπης περιλαμβάνει τον διαχωρισμό της αιθανόλης, των φαινολικών ενώσεων και του τρυγικού οξέος ώστε να επακολουθήσει η ενζυμική υδρόλυση του υπόλοιπου στερεού υπολείμματος, προκειμένου να παραχθεί ένα υπόστρωμα πλούσιο σε διάφορα θρεπτικά συστατικά τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο θρεπτικό μέσο ζύμωσης. Χρησιμοποιώντας το υδρόλυμα ημικυτταρίνης ως πηγή άνθρακα και το υδρόλυμα οινολάσπης κυρίως ως πηγή αζώτου πραγματοποιήθηκαν ζυμώσεις με το βακτήριο Actinobacillus succinogenes 130Z προς παραγωγή ηλεκτρικού οξέος. Ο μικροοργανισμός κατάφερε να αναπτυχθεί στα υδρολύματα και να καταναλώσει τα σάκχαρα παράγοντας πάνω από 7 g/L ηλεκτρικό οξύ από ένα υπόστρωμα αποτελούμενο εξ’ ολοκλήρου από απόβλητα οινοποιείου. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι τα απόβλητα οινοποιείου θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν πλήρως ώστε το συμβατικό οινοποιείο να μετατραπεί σε ένα σύγχρονο βιοδιυλιστήριο.

Wineries constitute an important industrial sector and grape is considered an important agricultural product, which is produced in large quantities. Each year 210 million t of grapes are produced worldwide, of which 15% are used for winemaking. The by-product streams produced during wine poduction are grape stalks, grape pomace (skin and seeds) and lees. In Europe, 14.5 million t of by-products are annually collected from wineries (Teixeira et al., 2014). The valorisation of these by-product streams will favor the reduction of the environmental impact and increase the economic benefits of local or regional agricultural areas in Europe (Lanchman et al., 2013). Initially, the composition of the by-product streams used in this study was determined. For this purpose, a series of physicochemical analysis took place and the content of lignin, cellulose, hemicellulose, lipids, ash, protein, pectin and phenolic compounds was determined. The analysis results show that the grape stalks, grape pomace (skin and seeds) could be used to produce value added products (e.g. antioxidants). They also contain high amounts of cellulose and hemicellulose that could be used for the production of C5 and C6 sugars, which subsequently could be used as carbon sources for microbial production of succinic acid. Succinic acid is a dicarboxylic acid with four carbon atoms and is a precursor compound for the synthesis of biodegradable polymers, chemicals, pharmaceuticals and also as an additive in the food industry. The present study was conducted in order to utilize lignocellulosic waste streams from a winery, especially of the red variety ‘Agiorgitiko’. A series of chemical and biological processes took place in order to obtain hydrolysates rich in sugars. Pretreatment of grape stalks and grape pomace is based on alkaline hydrolysis to remove lignin, followed by acid hydrolysis to degrade hemicellulose and, finally, the enzymatic hydrolysis of cellulose. The chemical hydrolysis of hemicellulose was carried out using sulfuric acid at 121oC, while the bioconversion of cellulose has been achieved using cellulase complexes. The hydrolysis leads to the production of fermentable sugars that can be further exploited through fermentation. The processing of lees includes the initial separation of ethanol, phenolic compounds and tartaric acid as value-added co-products followed by the enzymatic hydrolysis of the remaining solids to obtain a hydrolysate rich in various nutrients, which can be used as a nutrient-rich supplement in fermentation processes. Using the hydrolysate of hemicellulose as a carbon source and the hydrolysate of wine lees as a nitrogen source, fermentations using the bacterium Actinobacillus succinogenes 130Z were carried out in order to produce succinic acid. The microorganism was able to grow in the hydrolysates and to consume sugars producing more than 7 g/L of succinic acid concentration using entirely the winery’s waste streams. The results of this study show that the winery’s waste streams could be fully valorised so that a conventional winery could be converted into a modern biorefinery.