Μελέτη παραγωγής λιπιδίων και άλλων μικροβιακών προϊόντων κατά την αύξηση της ζύμης Lipomyces starkeyi DSM 70296, σε απόβλητα της βιομηχανίας τροφίμων

Abstract

Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας υπήρξε η βελτιστοποίηση της μεθόδου εκχύλισης μονοκυτταρικών λιπιδίων και η συνακόλουθη μελέτη λιποσυσσώρευσης της ελαιογόνας ζύμης L. starkeyi DSM 70296 σε υπόστρωμα σιροπιού γλυκόζης, με ή χωρίς προσθήκη NaCl. Η μέθοδος εκχύλισης που απέδωσε την υψηλότερη λιποπεριεκτικότητα ήταν η Soxhlet (74.5% επί ξ.β.). Ωστόσο, λόγω του αυξημένου κόστους και των μεγάλων χρόνων που απαιτεί ο χειρισμός της, επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί η εκχύλιση με Folch-HCl. Ζυμώσεις βυθού σε υπόστρωμα γλυκόζης αποτέλεσαν το μάρτυρα των πειραμάτων. Έπειτα, ο μικροοργανισμός αναπτύχθηκε σε ληγμένο σιρόπι γλυκόζης. Η παραγωγή βιομάζας και η λιποσυσσώρευση κυμάνθηκαν σε παρόμοια επίπεδα με εκείνα του μάρτυρα. Ο συντελεστής απόδοσης βιομάζας, ωστόσο, ήταν αισθητά αυξημένος φτάνοντας τα 0.65 g/g έναντι των 0.42 g/g του μάρτυρα. Στα πλαίσια της επίτευξης οικονομικότερων διεργασιών, ακολούθησαν ζυμώσεις βυθού σε υπόστρωμα σιροπιού γλυκόζης με την προσθήκη NaCl. Απώτερος στόχος του εγχειρήματος αυτού ήταν η αξιοποίηση αλατούχων υποστρωμάτων ως οικονομικής πρώτης ύλης για τη διενέργεια μικροβιακών ζυμώσεων, προς παραγωγή βιομάζας και μικροβιακών λιπιδίων. Η ζύμη L. starkeyi κατηγοριοποιείται ως λίγο αλατοανθεκτική, αφού συγκεντρώσεις αλατιού από 30 g/L (3.0% w/v) και πάνω παρεμπόδιζαν την ανάπτυξή της. Ωστόσο, ιδιαίτερα ενδιαφέρον είναι το γεγονός πως μέχρι τα 20 g/L η προσθήκη άλατος όχι μόνο δεν παρεμπόδιζε την αύξηση της ζύμης αλλά ενίσχυε και τη συσσώρευση ενδοκυτταρικών λιπιδίων. Η μέγιστη λιποσυσσώρευση ανήλθε στα 10.0 g/L (40.4% επί ξ.β.) έναντι 4.2 g/L (31.2% επί ξ.β.) της αντίστοιχης καλλιέργειας χωρίς αλάτι. Τέλος, έλαβε χώρα ημι-συνεχής καλλιέργεια σε βιοαντιδραστήρα, η οποία έφτασε το μέγιστο των 53.6 g/L βιομάζας και 55.7% λιποπεριεκτικότητα. Η παραγωγικότητα των λιπιδίων έφτασε τα 0.11 g/L/h, αποτελώντας ικανοποιητική τιμή της διεθνούς βιβλιογραφίας. Τα αποτελέσματα αυτά είναι εμφανώς καλύτερα από τα αντίστοιχα των κλειστών καλλιεργειών βυθού. Τέλος, το λίπος που παρήχθη από τη ζύμη περιείχε κυρίως ελαϊκό και παλμιτικό οξύ, καθώς επίσης και παλμιτελαϊκό και στεατικό οξύ, σε μικρότερες ποσότητες. Αποτελεί, συνεπώς, εξαιρετική πρώτη ύλη για την παραγωγή 2ης γενιάς βιοντίζελ.

The ultimate purpose of this thesis was to optimize the lipid extraction method and also study the lipid accumulation of the yeast Lipomyces starkeyi DSM 70296 on glucose syrup substrate, with and without NaCl addition. Lipid extraction using Soxhlet device resulted the highest lipid content (74.5% on Cell Dry Weight, CDW), though being both more expensive and time consuming compared to all other methods tried herein. As a consequence, Folch-HCl, which was the second more efficient lipid extraction method, was selected for the conduction of the experimental procedure discussed hereafter. Batch-flask fermentations on commercial glucose were firstly carried out as blank experiments. Continuously, expired glucose syrup was employed for the conduction of batch-flask cultures. Maximum biomass and lipid production were similar to those of the blank. Nonetheless, the biomass yield on consumed substrate reached 0.65 g/g, unlike the blank’s 0.42 g/g. There were also culture trials on increasing NaCl concentrations, aiming the utilization of low-cost raw materials for biomass and Single Cell Oils production. L. starkeyi could tolerate up to 20 g/L NaCl (2.0% w/v), and the strain was hence classified as slightly halotolerant. The addition of NaCl in the fermentation broth up to this concentration was stimulating lipid accumulation reaching the maximum of 10.0 g/L (40.4% on CDW), unlike the 4.2 g/L (31.2% on CDW) of the respective culture without salt addition. NaCl concentrations of 30 g/L (3.0% w/v) or more were inhibiting substrate’s consumption and the strain’s growth, as well. Finally, the yeast was cultured in fed-batch bioreactor process employing glucose syrup as carbon source, achieving 53.6 g/L biomass and 55.7% lipid content, with a lipid productivity of 0.11 g/L/h, which was satisfactory compared to the international literature. Apparently, fed-batch bioreactor resulted higher yields compared to bath-flask fermentations. Last but not least, fatty acid profile analysis revealed that lipids extracted from L. starkeyi DSM 70296 are excellent potential feedstock for 2nd generation biodiesel production, since they mainly constitute of oleic, palmitic and to lesser extent palmitoleic and stearic acids.