Study of confectionery industry waste valorization for microbial oil production via fermentation using oleaginous yeasts
Authors: Τσάκωνα Σοφία 
Published: September 2022

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στην αξιοποίηση ανανεώσιμων πρώτωνυλών, που προέρχονται από υποπροϊόντα βιομηχανιών τροφίμων για τη βιοτεχνολογικήπαραγωγή μικροβιακού λίπους. Εξετάστηκε η πιθανή χρήση του παραγόμενου μικροβιακούλίπους ως πρώτη ύλη για την παραγωγή βιοντίζελ.Το πρώτο μέρος της διατριβής έδειξε ότι τα αλευρούχα υπολείμματα (flour-rich-waste-FRW) και τα ρεύματα υποπροϊόντων που προέρχονται από μονάδες αρτοποιίας,ζαχαροπλαστικής και αλέσεως σίτου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πλήρεις πρώτες ύλεςγια την παραγωγή θρεπτικών μέσων ζύμωσης, κατάλληλες για τη σύνθεση μικροβιακώνλιπιδίων. Τα παραπροϊόντα άλεσης σίτου χρησιμοποιήθηκαν σε ζυμώσεις στερεάςκατάστασης (solid state fermentation-SSF) με το στέλεχος Aspergillus awamori για τηνπαραγωγή ακατέργαστων ενζύμων, κυρίως γλυκοαμυλάση και πρωτεάση. Τα πλούσια σεένζυμα στερεά χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την υδρόλυση των FRW προςπαραγωγή πλούσιων σε θρεπτικά μέσων ζύμωσης. Οι κλειστού τύπου υδρολύσεις, με τηνχρήση αρχικών συγκεντρώσεων FRW έως και 205 g/L είχαν ως αποτέλεσμα αποδόσειςμετατροπής αμύλου σε γλυκόζη υψηλότερες από 90% (w/w) και σε 40% (w/w) απόδοσημετατροπής ολικού αζώτου (Kjeldahl) προς ελεύθερες αμινομάδες αμινοξέων και πεπτιδίων(free amino nitrogen-FAN). Αποδόσεις μετατροπής αμύλου σε γλυκόζη ίσες με 98,2%,86,1% και 73,4% (w/w), επιτεύχθηκαν σε αντίστοιχες αρχικές συγκεντρώσεις FRW 235g/L, 300 g/L και 350 g/L μέσω ενζυμικών υδρολύσεων ημισυνεχούς λειτουργίας. Ενσυνεχεία, τα υδρολύματα που προέκυψαν από τις ενζυμικές υδρολύσεις των FRWχρησιμοποιήθηκαν ως θρεπτικό υπόστρωμα ζύμωσης προς παραγωγή μικροβιακού λίπουςμε την ζύμη Lipomyces starkeyi DSM 70296. Η παραγωγή μικροβιακής βιομάζας (total dryweight-TDW) που επιτεύχθηκε ήταν 30,5 g/L με λιποπεριεκτικότητα 40,4% (w/w), τιμέςυψηλότερες από τις αντίστοιχες που προέκυψαν με την χρήση συνθετικών θρεπτικώνμέσων. Οι ζυμώσεις ημισυνεχούς καλλιέργειας σε βιοαντιδραστήρα οδήγησαν σε TDW109,8 g/L με λιποπεριεκτικότητα 57,8% (w/w) και παραγωγικότητα 0,4 g/(L⸱h).Το επόμενο μέρος της διδακτορικής διατριβής αφορούσε στην παραγωγή ακατέργαστωνενζύμων μέσω SSF χρησιμοποιώντας παραπροϊόντα άλεσης σίτου τόσο για την παραγωγήθρεπτικών μέσων ζύμωσης αξιοποιώντας FRW, όσο και για τη λύση των κυττάρων ζύμηςτου στελέχους Rhodosporidium toruloides. Η αποστείρωση με φίλτρο των ακατέργαστωνπαραγόμενων υδρολυμάτων ήταν ευεργετικότερη σε σύγκριση με την θερμικήαποστείρωση όσον αφορά στην ανάπτυξη ζύμης και στην παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων.Η αρχική αναλογία άνθρακα προς FAN των ακατέργαστων υδρολυμάτων βελτιστοποιήθηκε(80,2 g/g) σε ζυμώσεις ημισυνεχούς καλλιέργειας του R. toruloides, οδηγώντας σε TDW61,2 g/L με λιποπεριεκτικότητα 61,8% (w/w). Με την εφαρμογή μιας στρατηγικήτροφοδοσίας κατά την οποία η συγκέντρωση γλυκόζης διατηρήθηκε σε εύρος 12,2 - 17,6g/L επιτεύχθηκε η υψηλότερη τιμή παραγωγικότητας (0,32 g/(L⸱h)). Τα ακατέργασταένζυμα που παράχθηκαν μέσω SSF χρησιμοποιήθηκαν για την επεξεργασία των κυττάρωντης ζύμης οδηγώντας σε ταυτόχρονη απελευθέρωση περίπου 80% των συνολικών λιπιδίωνστο υγρό της ζύμωσης και σε παραγωγή ενός υδρολύματος ως υποκατάστατο εκχυλίσματοςζύμης.Το επόμενο στάδιο της εργασίας αφορούσε την αξιοποίηση μικτών παραπροϊόντωνζαχαροπλαστικής σε βιοδιεργασία δύο σταδίων προς παραγωγή ενός πλούσιου σε θρεπτικάσυστατικά μέσου ζύμωσης κατάλληλου για την παραγωγή μικροβιακού λίπους. Αρχικάδιεξήχθη ζύμωση στερεής κατάστασης για την παραγωγή ακατέργαστων ενζύμων που στηνσυνέχεια χρησιμοποιήθηκαν σε υδρολυτικές αντιδράσεις για την διάσπαση του αμύλου,δισακχαριτών και πρωτεϊνών σε μονοσακχαρίτες, αμινοξέα και πεπτίδια. Τα παραγόμεναυδρολύματα αξιολογήθηκαν σε διεργασίες βιομετατροπής με την χρήση της ζύμης R.toruloides DSM 4444 σε ζυμώσεις κλειστής καλλιέργειας και ημισυνεχούς καλλιέργειας.Υπό συνθήκες περιορισμού του αζώτου, κατά τη διάρκεια ημισυνεχών ζυμώσεων, ησυγκέντρωση των μικροβιακών λιπιδίων κυμάνθηκε από 16,6 έως 17,0 g/L με τοενδοκυτταρικό περιεχόμενο να είναι μεγαλύτερο του 40% (w/w). Το στέλεχος της ζύμηςήταν ικανό να μεταβολίζει τις μικτές πηγές άνθρακα χωρίς καταστολή του καταβολισμού.Το προφίλ λιπαρών οξέων των παραγόμενων λιπιδίων μεταβλήθηκε με βάση το υπόστρωμαπου χρησιμοποιήθηκε στη διαδικασία βιομετατροπής. Τα μικροβιακά λιπίδια ήταν πλούσιασε ακόρεστα λιπαρά οξέα, με το ελαϊκό οξύ να είναι το κύριο λιπαρό οξύ (61,7%, w/w).Το τελευταίο μέρος αυτής της διπλωματικής εργασίας περιελάμβανε την αξιολόγηση τηςπαραγωγής βιοντίζελ χρησιμοποιώντας μικροβιακό λίπος που προέρχεται από υδρολύματαFRW. Χρησιμοποιήθηκαν ακατέργαστα υδρολύματα σε ζυμώσεις βιοαντιδραστήρωνημισυνεχούς λειτουργίας σε αναλογία C/FAN 80,2 g/g με το στέλεχος ζύμης R. toruloides.Το μικροβιακό λίπος μετεστεροποιήθηκε σε βιοντίζελ με ικανοποιητικές επιδόσειςλαμβάνοντας υπόψη το ευρωπαϊκό πρότυπο EN 14214. Αυτή η εργασία έδειξε ότι ηαξιοποίηση των απορριμμάτων τροφίμων για την παραγωγή βιοντίζελ μπορεί να είναιεφικτή.