Ανάπτυξη βιοδιϋλιστηρίου αξιοποίησης αποβλήτων καφέ και φλοιών πορτοκαλιού για την βιοτεχνολογική παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας

Abstract

Στην παρούσα μελέτη μελετήθηκε η δυνατότητα της αξιoπoίησης των στερεών αποβλήτων καφέ (SCGs) και φλοιών στυμμένων πορτοκαλιών για το διαχωρισμό προϊόντων υψηλής πρoστιθέμενης αξίας και τη βιοτεχνoλoγική παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων μέσω της ανάπτυξης ενός σύγχρονου βιοδιυλιστηρίoυ. Στην περίπτωση του διαχωρισμού των προϊόντων προστιθέμενης αξίας αποβλήτων φλοιών στυμμένων πορτοκαλιών σε πρώτο στάδιο πραγματοποιήθηκε η εκχύλιση του d- λεμονενίου, ενώ στη συνέχεια εκχυλίστηκαν τα ελεύθερα σάκχαρα με τα επιμέρους σάκχαρα να είναι η σακχαρόζη (28,9%), γλυκόζη (37,6%) και φρουκτόζη (33,5%). Στην συνέχεια ακολούθησε η εκχύλιση της πηκτίνης σε υψηλή θερμοκρασία με τη χρήση υδροχλωρικού οξέος και χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων της. Η απόδοση ανάκτησης του εκχυλίσματος πλούσιου σε πηκτίνη με την χρήση του υδροχλωρικού οξέος που επιτεύχθηκε ήταν ίση με 17,6 % με περιεκτικότητα γαλακτουρονικού οξέος ίση με 69,4%. Η ενζυμική υδρόλυση των υπολειπόμενων στερεών αποβλήτων φλοιών στυμμένων πορτοκαλιών με εμπορικά ένζυμα είχε ως αποτέλεσμα απόδοση της υδρόλυση της γλουκάνης στο 60% ενώ για την περίπτωση της ημικυτταρίνης το αντίστοιχο ποσοστό ανέρχεται σε 77%. Τo φυτικό έλαιo του καφέ διαχωρίστηκε επιτυχώς με τη χρήση του oξικoύ αιθυλεστέρα (96,9%), αλλά και με τη χρήση εξανίου (97,8%), ενώ στην συνέχεια τα φαινολικά συστατικά εκχυλίστηκαν με αιθανόλη σε διαφορετικές αναλογίες στερεού:υγρού υπό την επίδραση υπερήχων. Η αξιοποίηση της υπολειπόμενης λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας SCGs για την παραγωγή πλούσιου υδρoλύματος σε ζυμώσιμα σάκχαρα πραγματοποιήθηκε υδρoθερμική πρoεπεξεργασία. Επιπρόσθετα πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση απολιγνινοποίησης υπολειπόμενων SCGs με αλκαλική προεπεξεργασία μέσω ενός κεντρικού σύνθετου σχεδιασμού. Η μεγαλύτερη απομάκρυνση ολικών στερεών παρουσιάστηκε με την χρήση 1,7% (w/v) NaOH στους 130oC και 2% (w/v) NaOH στους 105oC. Η χαμηλότερη απομάκρυνση των ολικών στερεών προέκυψε στην περίπτωση όπου δεν έγινε προσθήκη NaOH στους 105oC (8,4%). Η απομάκρυνση του 36,3% της λιγνίνης έχοντας ως περιορισμό της διαλυτοποίηση του 2,5% της γλουκάνης και ημικυτταρίνης επιλέχθηκε ως βέλτιστη συνθήκη, με τη χρήση 0,06% (w/v) NaOH στους 99,45oC για 1 ώρα χρόνο επεξεργασίας. Η συνολική απόδοση μετατροπής της γλουκάνης έφτασε στο 63,3% και της ημικυτταρίνης στο 44,4%. Χαμηλότερες διάρκειες προεπεξεργασίας (15 και 30 λεπτά) αξιολογήθηκαν υπό τις βέλτιστες συνθήκες. Τέλος, το υδρόλυμα SCGs χρησιμοποιήθηκε ως πηγή άνθρακα για την βιoτεχνολογική παραγωγή μικρoβιακού ελαίου σε ημι-συνεχής καλλιέργεια σε βιοαντιδραστήρα με τη χρήση του ελαιογόνου μικρooργανισμού C. curvatus ATCC 20509. Κατά την ημι-συνεχή ζύμωση, η συγκέντρωση μικροβιακού ελαίου έφτασε τα 36,1 g/L στις 88 ώρες ζύμωσης, με απόδοση 0,25 g/g και 0,41 g/(L∙h) παραγωγικότητα. Το συνολικό ξηρό βάρος έφτασε τα 62,7 g/L, που αντιστοιχεί σε ενδοκυτταρική λιποπεριεκτικότητα 57.5% w/w. Το μικροβιακό έλαιο ήταν πλούσιο σε ελαϊκό οξύ (55,6%) ακολουθούμενο από παλμιτικό οξύ (18,9%) και στεατικό οξύ (14,0%).

In the present study, the possibility of using spent coffee grounds (SCGs) and orange peel residues for the recovery of high value-added components and the subsequent biotechnological production of microbial oil through the development of a biorefinery concept was evaluated. In the recovery of value-added products from the orange peel residues, the extraction of d-limonene was carried out in the first stage, while subsequently the free sugars were extracted, of which the individual sugars being sucrose (28.9%), glucose (37.6%) and fructose (33.5%). The extraction of the pectin was followed at high temperature with hydrochloric acid and the characterization of its properties. The pectin-rich extract with hydrochloric acid recovery was 17.6% with a content of galacturonic acid of 69.4%. Enzymatic hydrolysis of the remaining solids of orange peel residues with commercial enzymes resulted in a glucan hydrolysis yield of 60%, while the corresponding value of hemicellulose was 77%. The coffee oil from SCGs was extracted by employing two different extraction solvents, hexane (97.8%) and ethyl acetate (96.9%), as an alternative green solvent. Ultrasound- assisted extraction of phenolic compounds was performed in SCGs using aqueous ethanol at different initial solid-liquid ratios. Antioxidant- and oil-free SCGs residual solids were hydrothermal pretreated and used for enzymatic hydrolysis with a commercial enzyme cocktail for the production of sugar-rich hydrolysate. Alkaline pretreatment of antioxidant- and oil-free SCGs has been optimised via Central Composite Design (CCD). The highest solids removal was achieved with 1.7% (w/v) NaOH at 130oC and 2% (w/v) NaOH at 105oC. The lowest total solids removal was achieved when no NaOH was added at 105oC (8.4%). Removal of 36.3% of lignin, minimise glucan and hemicellulose losses at 2.5%, was selected as the optimum condition, using 0.06% (w/v) NaOH at 99.45oC for 1 h duration time. The overall conversion efficiency of glucan reached 63.3% and hemicellulose 44.4%. Lower duration times (15 and 30 minutes) were evaluated under optimal conditions. Finally, the SCGs hydrolysate was used as a carbon source for the biotechnological production of microbial oil in fed-batch bioreactor fermentation via C. curvatus ATCC 20509. The concentration of microbial oil reached 36.1 g/L after 88 h of fermentation, with a yield of 0.25 g/g and productivity of 0.41 g/(L∙h). The total dry weight reached 62.7 g/L, corresponding to an intracellular lipid content of 57.5% (w/w). The microbial oil was rich in oleic acid (55.6%), followed by palmitic acid (18.9%) and stearic acid (14.0%).