Αξιοποίηση αποβλήτων καφέ προς παραγωγή μικροβιακού λίπους και καροτενοειδών

Abstract

Η αυξημένη ευαισθητοποίηση του κοινού και η θέσπιση αυστηρών κανονισμών για την παραγωγή προϊόντων που βασίζονται σε ορυκτές πρώτες ύλες, έχουν ανοίξει το δρόμο για εναλλακτικούς και ανανεώσιμους πόρους, που μπορούν να παρέχουν καθαρή ενέργεια και «πράσινες» χημικές ουσίες με υψηλή βιοαποικοδομησιμότητα. Το στερεό απόβλητο που προκύπτει από την εκχύλιση του καφέ (Spent Coffee Grounds-SCG) θα μπορούσε να αξιοποιηθεί ως υπόστρωμα για την ανάκτηση και παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας στο πλαίσιο της κυκλικής οικονομίας. Στην παρούσα εργασία αξιολογήθηκε η ικανότητα παραγωγής μικροβιακού λίπους και βιοχρωστικών με την χρήση SCG ως θρεπτικό υπόστρωμα ζύμωσης. Το SCG αρχικά, υπεβλήθη σε προεπεξεργασία με μικροκύματα, υπό διαφορετικούς συνδυασμούς ισχύος και διάρκειας επεξεργασίας με διαφορετικούς διαλύτες, καθώς και διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις στερεών. Στόχος ήταν να μελετηθεί η επίδραση των προαναφερθέντων παραγόντων στην επακόλουθη ενζυμική υδρόλυση του προεπεξεργασμένου SCG. Πιο συγκεκριμένα, το προεπεξεργασμένο SCG, μετατράπηκε σε θρεπτικό υπόστρωμα ζύμωσης για παραγωγή μικροβιακού λίπους και βιοχρωστικών, με τη χρήση εμπορικών ενζύμων. Οι ενζυμικές υδρολύσεις αξιολογήθηκαν ως προς διαφορετικές αρχικές ενζυμικές ενεργότητες. Επιπλέον εξετάστηκε η ανάπτυξη στρατηγικής κατά την οποία το νερό των ενζυμικών υδρολύσεων προερχόταν από το υγρό ρεύμα της προεπεξεργασίας με μικροκύματα. Οι μέγιστες αποδόσεις υδρόλυσης κυτταρίνης (0,75 g υδρολυθείσας κυτταρίνης/g ολικής κυτταρίνης) και ημικυτταρίνης (0,5 g υδρολυθείσας ημικυτταρίνης/g ολικής ημικυτταρίνης) επιτεύχθηκαν υπό συνθήκες μικροκυμάτων 400 W, 15 min, με αρχική συγκέντρωση SCG 50 g/L. H εφαρμογή υψηλής ισχύος (>600 W) και παρατεταμένων χρόνων παραμονής οδήγησε σε μερική αποδόμηση των σακχάρων και συνεπώς σε μείωση της αποδοτικότητας της επακόλουθης ενζυμικής υδρόλυσης. Το ενζυμικό υδρόλυμα με την μεγαλύτερη απόδοση ως προς τα ολικά παραγόμενα σάκχαρα, αξιοποιήθηκε ως πηγή άνθρακα και αζώτου για την διεξαγωγή ζυμώσεων προς παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας. Ζυμώσεις ασυνεχούς καλλιέργειας με το στέλεχος ζύμης Rhodosporidium toruloides DSM 444 πραγματοποιήθηκαν αρχικά σε συνθετικά υποστρώματα με τη χρήση γλυκόζης, μαννόζης και γαλακτόζης, προς παραγωγή μικροβιακού λίπους και καροτενοειδών. Και οι τρεις πηγές άνθρακα καταναλώθηκαν επαρκώς από το μικροοργανισμό. Η μέγιστη παραγωγή μικροβιακού λίπους παρατηρήθηκε με τη χρήση συνθετικής γλυκόζης (16,25 g/L), ενώ η μέγιστη παραγωγή βιοχρωστικών ίση με 131,3 μg/g βιομάζας επετεύχθη σε συνθετική μαννόζη. Εν συνεχεία, ζυμώσεις κλειστού τύπου με τη χρήση ενζυμικών υδρολυμάτων προερχόμενων από SCG, είχαν ως αποτέλεσμα την παραγωγή 28,1 g/L βιομάζας (Total Dry Weight-TDW), 11,1 g/L συγκέντρωση λιπιδίων και 304,6 μg/g βιομάζας βιοχρωστικών. Στην περίπτωση πειραμάτων ημισυνεχούς λειτουργίας που πραγματοποιήθηκαν σε βιοαντιδραστήρα, επετεύχθηκε μέγιστη παραγωγή TDW ίση με 45,8 g/L με ενδοκυτταρικό περιεχόμενο λιπιδίων 52,4%, ενώ η παραγωγή βιοχρωστικών ανήλθε σε 432,8 μg/g βιομάζας. Τα απόβλητα επεξεργασίας καφέ θεωρούνται σημαντικοί και πολλά υποσχόμενοι ανανεώσιμοι πόροι για την παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας, όπως χημικές ενώσεις, φαρμακευτικά προϊόντα και βιοκαύσιμα. Η κλασμάτωση των αποβλήτων και η εφαρμογή καινοτόμων βιοτεχνολογικών διεργασιών αποτελούν απαραίτητες προϋποθέσεις για την πλήρη αξιοποίηση των αποβλήτων και την ανάπτυξη καινοτόμων βιοδιυλιστηρίων.

Increased public awareness and the establishment of strict policy regulations for fossil-based processes have paved the way towards alternative resources that provide clean energy, «green» chemicals, and biofuels. Spent coffee grounds (SCG), that are the solid residues deriving from coffee brewing, could be used as a renewable substrate for the recovery and production of value-added products, in the context of circular economy. In this study, SCG was utilized as a fermentation substrate for the production of microbial oil and carotenoids. SCG was initially pretreated via microwave applying different combinations of power and processing duration, solvents, and different initial solid concentrations. The aim of this experimental study was the evaluation of the aforementioned factors on the subsequent enzymatic hydrolysis of the pretreated SCG. More specifically, the pretreated SCG was converted into a fermentation substrate for the production of microbial oil and carotenoids, through enzymatic processes using commercial enzymes. Enzymatic hydrolysis was evaluated in terms of different initial enzymatic activities. Furthermore, a two-step strategy was developed applying water derived from microwave processing to the subsequent enzymatic hydrolysis. The maximum hydrolysis yields of cellulose (0,75 g hydrolyzed cellulose/g total cellulose) and hemicellulose (0,5 g hydrolyzed hemicellulose/g total hemicellulose) were obtained via microwave pretreatment at 400 W, 15 min reaction duration and initial solids concentration of 50 g/L. The application of high power (>600 W) and prolonged duration led to partial sugars degradation and reduction of the subsequent enzymatic hydrolysis efficiency. Enzymatic hydrolysate derived from SCG, were further applied as sources of carbon, nitrogen and minerals in fermentations for the production of value-added products. Initially, batch fermentations were performed using commercial substrates including glucose, mannose and galactose, for microbial oil and carotenoids production, using Rhodosporidium toruloides DSM 444. The carbon sources were adequately consumed by the microorganism with the maximum production of microbial oil achieved with commercial glucose (16,3 g/L), and the maximum production of carotenoids (131,3 μg / g biomass) obtained using synthetic mannose. Subsequent batch fermentations using SCG hydrolysate led to the production of 28,1 g/L TDW, lipid concentration of 11,1 g/L, and carotenoids of 304,6 μg/g TDW. Regarding fed-batch fermentations that were performed in a bench-top bioreactor, the highest TDW concentration was determined equal to 45,8 g/L with an intracellular lipid content of 52,4%, while the carotenoids production reached 432,8 μg / g TDW. Coffee processing waste should be considered as important and highly promising renewable resources for the production of value-added products, such as chemicals, pharmaceutical products and biofuels. The fractionation of waste streams and the application of biotechnological processes will lead to efficient valorization of wastes and the development of innovative biorefinery concepts.