Παραγωγή γαλακτικού οξέος από απόβλητα τροφίμων με τη χρήση αυτόχθονων μικροοργανισμών ή με την προσθήκη των Lactobacillus plantarum και Lactobacillus casei
Creators: name: Αναγνωστοπούλου Χρυσούλα Βασιλείου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Γαλακτικό οξύ
Απόβλητα τροφίμων
Ζύμωση
Lactic acid
Food waste
Fermentation

description: Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της ζύμωσης των αποβλήτων τροφίμων τόσο αποκλειστικά από τους αυτόχθονες μικροοργανισμούς όσο και με την ενίσχυση δύο βακτηρίων γαλακτικού οξέος, το Lactobacillus plantarum και το Lactobacillus casei, για την παραγωγή γαλακτικού οξέος. Η ζύμωση πραγματοποιήθηκε αρχικά σε αντιδραστήρες εφάπαξ πλήρωσης και στη συνέχεια σε αναερόβιο βιοαντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας σε μεσόφιλες συνθήκες. Για τη διεξαγωγή της έρευνας εφαρμόστηκε στατιστικός πειραματικός σχεδιασμός με στόχο να εξεταστούν οι επιδράσεις των ανεξάρτητων μεταβλητών (δηλαδή pH και χρόνος) καθώς επίσης και οι τυχόν αλληλεπιδράσεις τους στην παραγωγή γαλακτικού οξέος (απόκριση). Με την εφαρμογή της Μεθοδολογίας των Επιφανειών Απόκρισης προσδιορίστηκε η βέλτιστη περιοχή του πειραματικού χώρου στην οποία πληρούνται ταυτόχρονα όλοι οι επιθυμητοί στόχοι. Στόχος της βελτιστοποίησης ήταν να μεγιστοποιηθεί όσο το δυνατόν η παραγωγή του γαλακτικού οξέος κατά τη ζύμωση διαλείπουσας λειτουργίας από αυτόχθονους μικροοργανισμούς. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ένα βέλτιστο σύνολο συνθηκών για τη μεγιστοποίηση της συγκέντρωσης του προϊόντος ήταν η ρύθμιση του pH στην τιμή 6,5 και χρόνος ζύμωσης 3,5 μέρες στους 37oC. Σε αυτές τις συνθήκες πραγματοποιήθηκε ένα πείραμα επιβεβαίωσης, με το οποίο επιτεύχθηκε παραγωγή γαλακτικού οξέος σε συγκέντρωση ίση με 23,07 g/L, τιμές οι οποίες ήταν σε συσχέτιση με τις αντίστοιχες προβλεπόμενες συγκεντρώσεις που προέκυψαν από το μαθηματικό μοντέλο, επαληθεύοντας με αυτό τον τρόπο την ορθότητα του πειραματικού σχεδιασμού. Στη συνέχεια, οι βέλτιστες συνθήκες που προέκυψαν από τα πειράματα διαλείπουσας λειτουργίας εφαρμόστηκαν σε βιοαντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι εξαιτίας των μη ελεγχόμενων συνθηκών, η παραγωγή του γαλακτικού οξέος κατά τη συνεχόμενη λειτουργία παρουσιάζει μια σταδιακή μείωση όσο προχωράει η ζύμωση. Παράλληλα με τον υπολογισμό της συγκέντρωσης του γαλακτικού οξέος στο μείγμα ζύμωσης μελετήθηκαν και οι συγκεντρώσεις των πτητικών λιπαρών οξέων και της αιθανόλης, οι οποίες βρέθηκαν να είναι σχετικά χαμηλές με την αιθανόλη να είναι το κυρίαρχο παραπροϊόν της ζύμωσης υποδεικνύοντας έτσι την παρουσία ετεροζυμωτικών βακτηρίων στα απόβλητα τροφίμων. Τέλος, μετά τη ζύμωση του υποστρώματος στον βιοαντιδραστήρα εφαρμόστηκε μία μεθοδολογία ανάκτησης και καθαρισμού μέσω της οποίας επιτεύχθηκε επιτυχής ανάκτηση του γαλακτικού οξέος με καθαρότητα πάνω από 90%
description: The aim of the present thesis was to study the fermentation of food waste both by indigenous microbiota and by the bio-augmentation with two lactic acid bacteria, namely Lactobacillus plantarum and Lactobacillus casei, to produce lactic acid. Fermentation process was first performed in batch reactors and then in continuous anaerobic reactor at mesophilic conditions. Statistical experimental design was applied with the aim to examine the effects of independent variables (namely pH and time) as well as their possible interactions in the production of lactic acid (response). By applying Response Surface Methodology (RSM) the optimal area of the experimental space in which all the desired targets are simultaneously met was determined. The aim of the optimization was to maximize the production of lactic acid during the batch fermentation by indigenous microorganisms. The experimental results revealed that an optimal set of parameters for maximizing the concentration of end-product was the adjustment of the pH to a value equal to 6.5 and fermentation period of 3.5 days at 37oC. Under these conditions, validation experiment was carried out which produced lactic acid at a concentration of 23.07 g/L, values which were very close to the mathematically predicted ones by the model, thus verifying the accuracy of the experimental design. Subsequently, the fermentation was evaluated under continuous bioreactor operation under the application of the optimal conditions resulting from the batch experiments. Due to the uncontrolled conditions, the production of lactic acid during continuous operation shows a gradual decrease as fermentation progresses. In addition to the calculation of the concentration of lactic acid in the fermentation broth, the concentrations of volatile fatty acids and ethanol were found to be relatively low with ethanol being the dominant by-product of fermentation indicating the presence of heterofermentative bacteria in the food wastes. Finally, after the fermentation of the substrate in the bioreactor, a downstream process was applied, which achieved the successful recovery of lactic acid with purity over 90%