Αξιοποίηση αποβλήτων καφέ για την παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας και μεταβολικών προϊόντων

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης ερευνήθηκε η δυνατότητα της αξιοποίησης των στερεών αποβλήτων καφέ (SCG) για το διαχωρισμό συστατικών υψηλής προστιθέμενης αξίας και τη βιοτεχνολογική παραγωγή 2,3-βουτανοδιόλης (BDO) και ακετοΐνης μέσω της ανάπτυξης ενός σύγχρονου βιοδιυλιστηρίου. Η αξιοποίηση του SCG για την παραγωγή ακατέργαστων ενζύμων (πρωτεασών, φυτασών, β-γλυκοσιδάσης και κυτταρινάσης) σε συνδυασμό με δύο υποστρώματα, το πίτυρο σίτου και το οργανικό κλάσμα αστικών στερεών απορριμμάτων (OFΜSW), μελετήθηκε χρησιμοποιώντας το μύκητα Aspergillus awamori σε δύο αναλογίες SCG:πίτυρο και SCG:OFMSW (75:25 και 50:50 κ.β.) με αρχική υγρασία 65 %. Η μέγιστη παραγωγή πρωτεασών (15 U/g) παρατηρήθηκε στο υπόστρωμα SCG:OFMSW στην αναλογία 75:25. Η χρήση SCG:πίτυρο και SCG:OFMSW σε αναλογία 50:50 οδήγησε στη μέγιστη παραγωγή φυτασών (334 U/g) και β-γλυκοσιδάσης (21 U/g) αντίστοιχα. Η εκχύλιση του φυτικού ελαίου με απόδοση 99,2% επιτεύχθηκε με χρήση εξανίου, ενώ η ανάκτηση των φαινολικών συστατικών επετεύχθη με υδατικό διάλυμα αιθανόλης (70 % κ.ο.). Η μέγιστη ανάκτηση φαινολικών συστατικών (1 g γραμμοϊσοδύναμα χλωρογενικού οξέος ανά 100 g SCG) επιτεύχθηκε σε αναλογία στερεού προς υγρό 1:20 και διάρκεια εκχύλισης 20 min. Η προεπεξεργασία του SCG μέσω αλκαλικής και υδροθερμικής διεργασίας για την αποδόμηση της λιγνοκυτταρινούχας δομής μελετήθηκε σε διαφορετικές θερμοκρασίες και αναλογίες στερεού προς υγρό με σκοπό τη βελτιστοποίηση παραγωγής σακχάρων κατά την ενζυμική υδρόλυση. Σημαντική απομάκρυνση στερεών παρατηρήθηκε στην περίπτωση της αλκαλικής προεπεξεργασίας με αποτέλεσμα τη μείωση της συνολικής απόδοσης παραγωγής σακχάρων από την ημικυτταρίνη και την κυτταρίνη. Η υδροθερμική επεξεργασία στους 140 °C σε αναλογία στερεού προς υγρό 1:20 (w/v) και η αξιοποίηση του υγρού κλάσματος της προεπεξεργασίας κατά την ενζυμική υδρόλυση οδήγησαν σε υψηλή συνολική απόδοση μετατροπής κυτταρίνης (65,1%) και ημικυτταρίνης (60,7%) σε μονοσακχαρίτες. Το πλούσιο σε μονοσακχαρίτες υδρόλυμα χρησιμοποιήθηκε ως πηγή άνθρακα σε κλειστές και ημισυνεχείς ζυμώσεις για παραγωγή BDO και ακετοΐνης. Το βακτηριακό στέλεχος Bacillus amyloliquefaciens 105 αξιολογήθηκε για παραγωγή ακετοΐνης, ωστόσο επιτεύχθηκε μικρή παραγωγή (9,7 g/L). Μέγιστη παραγωγή BDO (73,3 g/L), με παραγωγικότητα (2,33 g/L/h) και απόδοση (0,30 g/g), επιτεύχθηκε από το βακτηριακό στέλεχος Enterobacter ludwigii 204 σε ημι-συνεχή ζύμωση.

An integrated biorefinery has been developed to exploit the potential of spent coffee grounds (SCG) to produce value-added products (enzymes, antioxidants, oil) acetoin and 2,3-butanediol (BDO). Initially, SCG with wheat bran and SCG with the organic fraction of municipal solid wastes (OFMSW) at different ratios (75:25 and 50:50 w/w) were evaluated to produce crude enzymes by Aspergillus awamori in solid state fermentation. Maximum proteases production (15 U/g) was obtained at SCG:OFMSW (75:25 w/w). The evaluation of SCG:wheat bran and SCG:OFMSW at ratio of 50:50 (w/w) led to maximum phytase activity (334 U/g) and β-glucosidase activity (21 U/g) respectively. Successive extractions of phenolics and oil were carried out using standard methods. Soxhlet extraction using hexane as solvent led to high oil recover yield of 99.2 %. Antioxidant extraction was carried out using aqueous ethanol solution (70 % v/v). Total phenolic content of 1 g chlorogenic acid equivalent/100 g SCG was reached at solid to liquid ratio of 1:20 after 20 min extraction duration. Alkaline and liquid hot water (LHW) pretreatments of SCG were studied at different temperatures and solid to liquid ratios to degrade the lignocellulose structure. Significant removal of lignin was achieved under alkaline pretreatment; However, the subsequent enzymatic hydrolysis of pretreated solids resulted in low overall hydrolysis yield of cellulose and hemicellulose. LHW pretreatment at 140 °C followed by enzymatic hydrolysis proved to be a suitable alternative method for efficient hydrolysis of cellulose and hemicellulose. The highest cellulose (65.1%) and hemicellulose (60.7%) yield were obtained via enzymatic hydrolysis of hydrothermally pretreated SCG. SCG hydrolysates were used as the sole carbon source for BDO and acetoin production. Enhanced BDO concentration (73.3 g/L) with conversion yield of 0.30 g/g and productivity of 2.33 g/L/h was achieved in fed-batch fermentation using the bacterial strain Enterobacter ludwigii 204. The production of acetoin by Bacillus amyloliquefaciens using the SCG hydrolysate led to low final concentration (9.7 g/L). The proposed biorefinery valorizes SCG to produce enzymes, antioxidants, oil and BDO.