Ενζυμική προεπεξεργασία αποβλήτων κατανάλωσης καφέ για την παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης
Creators: name: Πιερία, Ειρήνη Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Απόβλητα κατανάλωσης καφέ
Ενζυμική Υδρόλυση
Βακτηριακή Κυτταρίνη
Spent Coffee Grounds
Enzymatic Hydrolysis
Bacterial Cellulose

description: Τα τελευταία χρόνια η διαχείριση των αποβλήτων αποτελεί ένα πρόβλημα υψίστης σημασίας. Δεδομένης της παγκόσμιας αύξησης του πληθυσμού, οι τόνοι των αποβλήτων που παράγονται αυξάνονται συνεχώς, με τα αγροδιατροφικά απόβλητα να αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος αυτών. Το πρόβλημα αυτό σε συνδυασμό και με την ενεργειακή κρίση που ακολουθεί και τους περιορισμένους πόρους που υπάρχουν, οδηγεί απαραιτήτως στην ανάπτυξη μιας ολιστικής διαχείρισης των απορριμμάτων από διάφορους τομείς, με σκοπό την πλήρη αξιοποίηση τους για την ανάκτηση πληθώρας συστατικών και παραγωγής νέων προϊόντων από αυτά. Με βάση το παραπάνω επιστημονικό πλαίσιο, η παρούσα εργασία πραγματεύεται τη δυνατότητα παραγωγής βακτηριακής κυτταρίνης (BC) από το βακτηριακό στέλεχος Komogateibacter sucrofermentans, αξιοποιώντας τα απόβλητα κατανάλωσης καφέ (Spent Coffee Grounds-SCG), τα οποία είχαν υποστεί προκατεργασία με όξινη υδρόλυση. Αρχικά, διεξήχθησαν μια σειρά πειραμάτων με σκοπό τον χαρακτηρισμό του SCG. Συγκεκριμένα, προσδιορίστηκαν τα ολικά στερεά, η υγρασία, η περιεκτικότητα σε τέφρα, πρωτεΐνες, λίπος και οι δομικοί υδατάνθρακες του. Επιπλέον, προσδιορίστηκε η περιεκτικότητα σε υπολειμματική καφεΐνη και έγινε και κατανομή μεγέθους σωματιδίων. Ακολούθησε η χρήση φασματοσκοπίας υπέρυθρου μετασχηματισμού Fourier (FT-IR), καθώς και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) για πιο αναλυτικό χαρακτηρισμό του SCG. Βασικός στόχος της διατριβής, ήταν η βελτιστοποίηση των συνθηκών ενζυμικής υδρόλυσης για την ανάκτηση των υπολειμματικών σακχάρων που περιέχονται στο SCG, με σκοπό την μετέπειτα ζύμωση αυτών από το βακτήριο Komogateibacter sucrofermentans για την παραγωγή BC. Πριν την ενζυμική υδρόλυση το SCG υπέστη χημική προκατεργασία με την χρήση 3% H2SO4 , αναλογία L/S 10,25 mL/gSCG για 150 λεπτά (2,5 ώρες), υπό ήπιες συνθήκες ( 90 ° C, ατμοσφαιρική πίεση). Η προκατεργασία έγινε για να διασπαστεί κυρίως η δομή της λιγνοκυτταρίνης , ώστε να διευκολυνθεί η δράση των ενζύμων στην κυτταρίνη και στις ημικυτταρίνες. Για την βελτιστοποίηση των συνθηκών της ενζυμικής υδρόλυσης, χρησιμοποιήθηκε η Μεθοδολογία της Επιφανειακής Απόκρισης (Response Surface Methodology, RSM). Σκοπός της βελτιστοποίησης, είναι να συσχετιστεί η συγκέντρωση των παραγόμενων σακχάρων από την υδρόλυση, με τα επίπεδα ενός αριθμού μεταβλητών, που την επηρεάζουν, σε μια συγκεκριμένη περιοχή ενδιαφέροντος. Οι μεταβλητές που μελετήθηκαν ήταν η διάρκεια της ενζυμικής υδρόλυσης (t), η επί της εκατό αναλογία μάζας στερεού ανά μονάδα υγρού (ενζυμικού διαλύματος) (% gSCG/ mL), η ποσότητα της κυτταρινάσης (FPU/gSCG) και η ποσότητα της μαννανάσης (U/gSCG). Στη συνέχεια, οι βέλτιστες τιμές των παραγόντων που μελετήθηκαν στην ενζυμική υδρόλυση εφαρμόστηκαν σε SCG χημικώς επεξεργασμένο με H2SO4 . Το υδρόλυμα, που προέκυψε από την υδρόλυση, αξιοποιήθηκε ως πηγή άνθρακα για την παραγωγή BC από το βακτηριακό στέλεχος Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973. Οι ζυμώσεις πραγματοποιήθηκαν υπό στατικές συνθήκες. Τέλος, μετά την παραλαβή και τον καθαρισμό των BC, ακολούθησε ο προσδιορισμός της ικανότητας συγκράτησης νερού, η μέτρηση του πάχους και των διαστάσεων των μεμβρανών.
description: Presently, waste management has evolved into a problem of major significance. Given the world's population growth, the tons of waste generated are constantly increasing, with agri-food waste being the largest part of it. This problem, combined with the energy crisis that follows and the limited resources existing, leads, necessarily, to the development of a holistic management of waste from various sectors, with the aim of fully exploiting it for the recovery of a multitude of components and the production of new products from them. Based on the above philosophy, the present work dealt with the possibility of producing bacterial cellulose (BC) from the bacterial strain Komagateibacter sucrofermentans, utilizing coffee consumption waste (Spent Coffee Grounds-SCG), which had been pre-treated by acid hydrolysis.Initially, a series of experiments were conducted to characterize the SCG. Specifically, total solids, moisture, ash content, proteins, fat and structural carbohydrates were determined. In addition, the residual caffeine content was determined and a particle size distribution was performed. This was followed by the use of Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) as well as scanning electron microscopy (SEM) for more detailed characterization of the SCG. The main objective of the thesis was the optimization of the enzymatic hydrolysis conditions for the recovery of the residual sugars contained in SCG, aiming to their subsequent fermentation by the bacterium Komagateibacter sucrofermentans for the production of BC. Before enzymatic hydrolysis, SCG was chemically pretreated using 3% H2SO4, L/S ratio 10.25 mL/gSCG for 150 min (2.5 h), under mild conditions (90 °C, atmospheric pressure). The pre-treatment was done mainly to break down the structure of the lignocellulosic wood, so as to facilitate the action of the enzymes on the cellulose and hemicelluloses.Response Surface Methodology (RSM) was used, in order to optimize the enzymatic hydrolysis conditions. The purpose of optimization is to correlate the concentration of sugars produced by hydrolysis with the levels of a number of variables that affect it in a specific area of interest. The variables studied were the duration of enzymatic hydrolysis (t), the percent mass ratio of solid per unit liquid (enzyme solution) (% g SCG/ mL), the amount of cellulase (FPU/g SCG) and the amount of hemicellase (U/g SCG).Then the optimal values of the factors studied in enzymatic hydrolysis were applied to SCG chemically treated with H2SO4. The hydrolyzate resulting from the hydrolysis was utilized as a carbon source for the production of BC by the bacterial strain Komagateibacter sucrofermentans DSM 15973. The fermentations were carried out on synthetic substrates with the carbon source of the SCG hydrolysate and under static conditions. Finally, after receiving and cleaning the BCs, the water retention capacity was determined, the thickness and dimensions of the films were measured.