Ανάπτυξη βιοδιυλιστηρίου για την αξιοποίηση παραπροϊόντων χυμοποίησης όπως και αποβλήτων από λαϊκές αγορές για την παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης και άλλων προϊόντων προστιθέμενης αξίας

Abstract

Η κυτταρίνη είναι το πιο άφθονο βιοπολυμερές στη γη. Αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του κυτταρικού τοιχώματος των φυτικών ιστών και μπορεί να παραχθεί μέσω των μικροβιακών ζυμώσεων κυρίως από βακτηριακά στελέχη του γένους Acetobacter. Λόγω της υψηλής της καθαρότητας και των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών της, βρίσκει εφαρμογή σε πολλαπλούς τομείς όπως στην ιατρική, τη βιομηχανία τροφίμων και καλλυντικών καθώς και σε άλλα εμπορικά και βιομηχανικά προϊόντα. Στη παρούσα μελέτη, αξιολογήθηκε η δυνατότητα παραγωγής βακτηριακής κυτταρίνης από το βακτηριακό στέλεχος Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973 αξιοποιώντας απόβλητα φρούτων, φλοιών πορτοκαλιού και στεμφύλων μετά τη διαδικασία παραγωγής οίνου. Ο μικροοργανισμός Komagataeibacter sucrofermentans αναπτύχθηκε σε χυμούς αυτών, καθώς και σε εκχυλίσματα που προέκυψαν μετά από κατάλληλη επεξεργασία της φλούδας ύστερα από χημική και ενζυμική υδρόλυση. Η βάση για όλες τις βακτηριακές ζυμώσεις ήταν το θρεπτικό μέσο καλλιέργειας Hestrin-Schramm (HS-γλυκόζη) όπου η αρχική συγκέντρωση των σακχάρων είναι 20 g/L και η συγκέντρωση του αζώτου των ελεύθερων αμινομάδων αμινοξέων και πεπτιδίων είναι 385 mg/L. Η μέγιστη παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης σε κωνικές φιάλες επιτεύχθηκε όταν ο μικροοργανισμός K. sucrofermentans αναπτύχθηκε σε θρεπτικό υπόστρωμα προερχόμενο από ελεύθερα σάκχαρα φρούτων με συγκέντρωση 6,48 g/L και απόδοση 0,35 g/g. Στη ζύμωση που έλαβε χώρα σε βιοαντιδραστήρα διαλείποντος έργου με υπόστρωμα προερχόμενο από ελεύθερα σάκχαρα φρούτων η συγκέντρωση της βακτηριακής κυτταρίνης έφτασε τα 10,2 g/L και η απόδοση τα 0,62 g/g. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν ζυμώσεις σε πλαστικά δοχεία με σκοπό τη βελτιστοποίηση της παραγωγής βακτηριακής κυτταρίνης παρουσία και απουσία αερισμού με υπόστρωμα προερχόμενο από ελεύθερα σάκχαρα αποβλήτων φλοιών πορτοκαλιού και η μέγιστη συγκέντρωση βακτηριακής κυτταρίνης έφτασε τα 11,56 g/L με απόδοση 0,72 g/g με παροχή αερισμού. Αντιθέτως, οι ζυμώσεις που πραγματοποιήθηκαν σε κωνικές φιάλες με υποστρώματα προερχόμενα από ελεύθερα σάκχαρα στεμφύλων και υδρόλυμα αποβλήτων φλοιών πορτοκαλιού παρουσίασαν τις χαμηλότερες συγκεντρώσεις βακτηριακής κυτταρίνης συγκριτικά με τις υπόλοιπες ζυμώσεις. Επιπροσθέτως, μελετήθηκε η δυνατότητα εκχύλισης πηκτινών με χρήση διαφορετικών οξέων (κιτρικό οξύ: 68,15%, HNO3: 55,23%, H2SO4: 64,21%, HCl: 47,14%) από απόβλητα φλοιών πορτοκαλιού. Τέλος, μελετήθηκε ο βαθμός πολυμερισμού δειγμάτων βακτηριακής κυτταρίνης που προέκυψαν από τις παραπάνω ζυμώσεις, με μέγιστη τιμή στη ζύμωση με πηγή άνθρακα τα ελεύθερα σάκχαρα αποβλήτων φρούτων.

Cellulose is the most abundant biopolymer on earth. It constitutes the largest part of the cell wall of plant tissues. Furthermore, it can be produced by microbial fermentation mainly by bacterial strains of the genus Acetobacter. Nowadays, research is focused on bacterial cellulose production due to its high purity, physico-chemical characteristics and wide range of applications in numerous sectors namely medicine, food industry and various bio-based products formation. In the present study, the bacterial cellulose production potential of the bacterial strain Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973 was evaluated using fruit, grape and orange peel waste. The bacterial strain Komagataeibacter sucrofermentans was cultivated in fruit derived sugars and extracts obtained after proper chemical treatment and enzymatic hydrolysis of peels. The basis for all bacterial fermentations was the Hestrin-Schramm (HS-glucose) culture medium, where the initial sugar concentration is 20 g/L and the free amino nitrogen concentration is 385 mg/L. The highest bacterial cellulose concentration (6,48 g/L) with a yield of 0,35 g/g was achieved when the K. sucrofermentans strain was cultivated in shake flasks using a fermentation medium containing fruit derived free sugars. Batch bioreactor fermentation was subsequently carried out using fruit derived free sugars leading to bacterial cellulose concentration of 10,2 g/L with yield of 0,62 g/g. In addition, fermentations were carried out in plastic containers with or without air sparging to optimize bacterial cellulose production using orange peel derived free sugars leading to bacterial cellulose concentration up to 11,56 g/L with yield of 0,72 g/g when aeration was employed. The lowest bacterial cellulose production was observed when sugars derived from winery waste and orange peel waste hydrolysates were used in shake flask fermentations. Pectin extraction from orange peels was evaluated using different acids (citric acid: 68,15%, HNO3: 55,23%, H2SO4: 64,21%, HCl: 47,14%). The degree of polymerization of bacterial cellulose samples resulting from the above fermentations was studied, with the maximum value obtained when the bacterial cellulose was produced using free sugars derived from fruit waste.