Wykorzystanie surowców odpadowych do otrzymywania białka jednokomórkowców i etanolu
Białko jednokomórkowców (ang. Single Cell Protein) Wykorzystanie surowców odpadowych jako składników pożywek do namnażania drobnoustrojów w celu otrzymania biomasy mogącej znaleźć zastosowanie do celów żywieniowych, głównie jako składniki pasz dla zwierząt hodowlanych. Wykorzystywane surowce odpadowe: metanol, długołańcuchowe n-alkany, ligninoceluloza (odpady przemysłu drzewnego, makulatura), serwatka, melasa, ługi posulfitowe z przemysłu papierniczego, Drobnoustroje wykorzystywane do otrzymywania SCP: Drożdże Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces carlsbergensis, Candida utilis, Candida tropicalis, Candida lipolytica, Kluyveromuces marxianus Grzyby Fusarium gravinearum, Paecilomyces varioti Bakterie Methylophilus methylotropus
Wady drobnoustrojów jako składnika pożywienia: Wysoka zawartość kwasów nukleinowych (bakterie – głównie DNA; grzyby – głównie RNA Spożywanie przez ludzi żywności zawierającej dużo kw. nukleinowych nie jest wskazane. Zasady purynowe są metabolizowane do kwasu moczowego, którego nagromadzenie w organizmie jest szkodliwe. Problem ten nie dotyczy zwierząt hodowlanych, u których zasady purynowe są metabolizowane do allantoiny, łatwo usuwanej z organizmu. Eliminacja RNA i DNA z komórek grzybowych: autoliza komórek w temperaturze 50 – 60C. W tych warunkach enzymy proteolityczne są inaktywowane, a nukleazy i rybonukleazy trawią kwasy nukleinowe do zasad azotowych, które można łatwo oddzielić od SCP. Przykład: 30 min autoliza Fusarium gravinearum w temp. 64 C redukuje zawartość RNA z 80 mg/g do 2 mg/g. Niekorzystne właściwości organoleptyczne – głównie bakterie Obecność substancji toksycznych – głównie grzyby (mykotoksyny)
Wartości odżywcze SCP Wartości odżywcze drożdży paszowych
Instalacja przemysłowa do wytwarzania drożdży
Ekstrakt drożdżowy Wysokowartościowy produkt – źródło dodatków smakowo-zapachowych do żywności oraz witamin Schemat technologiczny otrzymywania ekstraktu drożdżowego
Warunki prowadzenia fermentacji dla otrzymywania SCP Duża skala – biofermentory o objętości 10 - 100 m3; Warunki aerobowe, intensywne napowietrzanie, sprzyjają maksymalizacji wydajności biomasy; Konieczność dodawania tanich źródeł azotu, Najczęściej stosowane - gazowy amoniak; 4. Zwykle fermentacja w trybie ciągłym;
Przykłady procesów otrzymywania SCP Technologia British Petroleum Pożywka: n-parafiny, amoniak, sole. Fermentacja w dużych fermentorach z napowietrzaniem i intensywnym mieszaniem. Drobnoustrój – Candida utilis. Technologia ICI Pożywka: metanol + amoniak + sole. Fermentacja w reaktorach air-lift. Drobnoustrój – Methylophilus methylotropus. Technologia Ber Fromageries Pożywka: serwatka. Fermentacja w bioreaktorach z intensywnym napowietrzaniem. Drobnoustrój - Kluyveromuces marxianus. Technologia RHM Mycoprotein Pożywka: melasa, amoniak, sole, biotyna. Drobnoustrój - Fusarium gravinearum. Technologia Pekilo Pożywka – ługi posulfitowe. Drobnoustrój - Paecilomyces varioti Technologia symba Pożywka: skrobia ziemniaczana. Drobnoustrój – Saccharomyces fibuligera + Candida utilis
Schemat technologiczny wytwarzania SCP z wykorzystaniem makulatury jako źródła węgla
Wykorzystywane substraty Drobnoustroje wytwarzające etanol Drobnoustrój Wykorzystywane substraty Drożdże Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsgergensis Kluyveromyces fragilis Candida tropicalis Bakterie Zymomonas mobilis Clostridium thermocellum glukoza, fruktoza, galaktoza, maltoza, maltotrioza, ksyluloza glukoza, galaktoza, laktoza glukoza, ksyloza, ksyluloza glukoza, fruktoza, sacharoza glukoza, celobioza, celuloza
Paliwa samochodowe zawierające etanol wytwarzane w Brazylii i USA Paliwo Państwo Zawartość EtOH (%) Spirytus Benzyna E85 E10 Oxygenated fuel Brazylia USA 95,5 (4,5 % wody) 24 85 10 7,6 5,7
Produkcja etanolu do celów paliwowych Państwo Substrat Produkcja ( 109 dm3) Brazylia USA Kanada Sok z trzciny cukrowej lub melasa Skrobia kukurydziana (95%) i z innych źródeł Skrobia kukurydziana i z innych zbóż (15%) 17 5,3 0,24 Dane z lat 1998 – 1999
Otrzymywanie etanolu ze skrobi kukurydzianej Uzyskiwanie skrobi z kukurydzy i glukozy ze skrobi Wytwarzanie etanolu z glukozy
Wytwarzanie etanolu z celulozy i ligninocelulozy Źródła celulozy i ligninocelulozy: wysłodki, słoma, odpady przemysłu papierniczego, trociny, komunalne odpady stałe, makulatura Etapy i metody chemo/biokonwersji ligninocelulozy i celulozy w etanol
Grzyby białej zgnilizny (white rot fungi) Phanerochaete chrysosporium Grzyby te produkują i wydzielają poza błonę cytoplazmatyczną enzymy, które degradują ligniny obecne w drewnie. Do enzymów tych należą: peroksydaza ligninowa, lakkaza (enzym przekształcający związki fenolowe w chinony i Mn-zależna peroksydaza. Phanerochaete rrhizon Phanerochaete crassa
Kanadyjska firma IOGEN uruchomiła w 2004 roku pierwszą instalację do przemysłowego wytwarzania etanolu z celulozy Widok ogólny fabryki Rozdrabnianie słomy Prasy filtracyjne do oddzielania lignin Biofermentor (obj. 250 m3) Zbiorniki do etanolu
Technologia SSF Problem: glukoza powstająca w wyniku dwuetapowej hydrolizy celulozy jest inhibitorem -glukozydazy. Rozwiązanie problemu: połączenie procesu scukrzania celulozy i fermentacji alkoholowej w technologii SSF. konsorcjum T. reesei i S. cerevisiae, temp. 38 C konsorcjum T. reesei i Kluyveromyces fragilis, temp. 42 C Celuloza Celulaza Celobioza -glukozydaza Glukoza Inne kierunki badań: zastosowanie Clostridium thermocellum genetycznie modyfikowane drożdże zawierające geny kodujące celulazę i -glukozydazę lub alternatywnie amylazę (możliwość metabolizowania skrobi) Enzymatyczna hydroliza celulozy: preparat enzymów celulolitycznych z Trichoderma reesei. Warunki: pH 4,8, temperatura 45 – 50 C