Μελέτη της παραγωγής μικροβιακού λίπους με χρήση υδρολύματος αποβλήτων καφέ και φλοιών πορτοκαλιού

Abstract

Η μετάβαση της χημικής βιομηχανίας προς την εποχή της κυκλική βιοοικονομίας μέσω της ανάπτυξη καινοτόμων και βιώσιμων βιοδιεργασιών έχει ως σκοπό την ελαχιστοποίηση της χρήσης ορυκτών πόρων. Η βιοτεχνολογική παραγωγή προϊόντων από ανανεώσιμες πρώτες ύλες έχει ως στόχο την ενίσχυση της βιωσιμότητας. Συγκεκριμένα, η καλλιέργεια ελαιογόνων ζυμών σε υπόστρωμα από αγρο-βιομηχανικά παραπροϊόντα και απόβλητα, για την παραγωγή μικροβιακών ελαίων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή πληθώρας προϊόντων αποτελεί ιδιαίτερα σημαντική προσέγγιση στα πλαίσια της κυκλικής οικονομίας και της βιωσιμότητας. Στην παρούσα μελέτη αξιοποιήθηκε το οργανικό κλάσμα στερεών αποβλήτων και συγκεκριμένα τα στερεά απόβλητα που προκύπτουν κατά την εκχύλιση του καφέ (Spent Coffee Grounds-SCGs) και οι φλοιοί των στυμμένων πορτοκαλιών, για τον διαχωρισμό συστατικών προστιθέμενης αξίας. Το φυτικό έλαιο διαχωρίστηκε αποτελεσματικά με την χρήση οξικού αιθυλεστέρα ως πράσινος διαλύτης, και στη συνέχεια τα φαινολικά συστατικά του SCGs εκχυλίστηκαν με αιθανόλη υπό την επίδραση υπερήχων και έπειτα από υδροθερμική προκατεργασία το στερεό υπόλειμμα υποβλήθηκε σε ενζυμική υδρόλυση. Από τους φλοιούς των πορτοκαλιών εκχυλίστηκαν τα ελεύθερα σάκχαρα. Τόσο το υδρόλυμα του καφέ όσο και τα ελεύθερα σάκχαρα των φλοιών των πορτοκαλιών χρησιμοποιήθηκαν ως υπόστρωμα σε μικροβιακές ζυμώσεις για την βιοτεχνολογική παραγωγή λιπιδίων με τον μικροοργανισμό L. starkeyi DSM 70296. Επίσης, οι ελαιογόνοι μικροοργανισμοί C. curvatus ATCC 20509, L. starkeyi DSM 70296 και R. toruloides NRRL Y-27012 αξιολογήθηκαν ως προς την ικανότητά τους να αναπτυχθούν και παράγουν μικροβιακά λιπίδια σε συνθετικό υπόστρωμα με διαφορετικές πηγές άνθρακα σε κλειστές καλλιέργειες, ενώ οι δύο πρώτοι αξιολογήθηκαν και σε ημισυνεχείς καλλιέργειες σε συνθετικό υπόστρωμα με πηγή άνθρακα γλυκόζη και ξυλόζη. Όλοι οι μικροοργανισμοί αναπτύχθηκαν και παρήγαγαν λίπος, αποτελούμενο κυρίως από λιπαρά οξέα Δ9C18:1, C16:0, C18:0 και Δ9,12C18:2, σε όλα τα διαφορετικά υποστρώματα. Στις ημισυνεχείς ζυμώσεις που πραγματοποιήθηκαν με τον μικροοργανισμό L. starkeyi DSM 70296 η μέγιστη συγκέντρωση βιομάζας που επιτεύχθηκε ήταν 107,79 g/L με περιεκτικότητα σε λίπος, 51,03% w/w, ενώ με τον C. curvatus ATCC 20509 επιτεύχθηκε μία από τις υψηλότερες περιεκτικότητες σε λίπος της τάξης του 62,5% με την συγκέντρωση της βιομάζας να φτάνει στα 70,4 g/L.

The transition of the chemical industry into the era of the circular bioeconomy, which aims to minimize the use of fossil resources, can be achieved through the development of novel sustainable bioprocesses. Biotechnological production of products from renewable feedstocks will enhance and improve the sustainability of bio-based chemicals. In particular, the cultivation of oleaginous yeasts for microbial oil production through the valorization of agro-industrial substrate, that can be used as an intermediate product for the production of different value-added products and chemicals is an important approach in the context of circular economy and sustainability. In the present study, the biowaste fraction of municipal solid waste, and more specifically the spent coffee grounds (SCGs) wastes from coffee extraction and the orange peels, were used for the recovery of value-added components and microbial oil production. The oil fraction from SCGs was efficiently extracted with ethyl acetate as green solvent and subsequently the phenolic components of SCGs were extracted with aqueous mixture containing ethanol under sonication. Subsequently, the residual solids were hydrothermal pretreated, and afterwards enzymatic hydrolysis was subjected. In the case of orange peels the free sugars were extracted. Both, the produced coffee hydrolysate and the free sugars from orange peels were used as carbon source for microbial oil with the microorganism L. starkeyi DSM 70296. The oleaginous yeast strains C. curvatus ATCC 20509, L. starkeyi DSM 70296, and R. toruloides NRRL Y-27012 were evaluated for their ability to grow in batch cultures on a synthetic medium with various commercial carbon source for microbial oil production. C. curvatus and L. starkeyi were also evaluated in fed-batch cultures using synthetic medium and a mixture of glucose:xylose as carbon source. All microorganisms were efficiently grew and produced microbial oil, consisting mainly of C18:1, C16:0, C18:0, and C18:2 fatty acids on the different carbon sources. In the fed-batch fermentations performed with the microorganism L. starkeyi DSM 70296, a maximum biomass concentration of 107.785 g/L was obtained with a lipid content of 51.03% w/w, while in case of C. curvatus ATCC 20509 the lipid content was reached 62.5% w/w with a biomass concentration of 70.4 g/L.