No Slide Title · 1.1 Παρουσίαση της επιχείρησης. Για την...
Transcript of No Slide Title · 1.1 Παρουσίαση της επιχείρησης. Για την...
Λάρισα 2011
laquoΑξιοποίηση
Τυρογάλακτος
με
Παραγωγή
Μονοκυτταρικής
Πρωτεΐνης
με
Ζύμωσηraquo
Υπεύθυνος
έργου
Δρ Γούλας
Παναγιώτης
Τμήμα
Ζωικής
Παραγωγής
Αρ Κουπονιού 72313222‐01‐000095
Εργαστήριο
Προϊόντων
Ζωικής
Παραγωγής
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
1
Τίτλος έργου Αξιοποίηση Τυρογάλακτος με Παραγωγή
Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης με Ζύμωση
1 Εισαγωγή
Η εταιρεία Γ Α ΝΟΥΣΙΑΣ ΟΕ δραστηριοποιείται στην παραγωγή φέτας και
άλλων τυριών ποιότητας στην περιοχή της Ν Λεύκης της Λάρισας Όπως και άλλες
επιχειρήσεις του κλάδου αντιμετωπίζει πρόβλημα με την διαχείριση του
τυρογάλακτος που παράγεται σαν υποπροϊόν της τυροκόμισης Στα πλαίσια της
παρούσας ερευνητικής πρότασης η εταιρεία με την βοήθεια του εργαστηρίου
προϊόντων ζωικής παραγωγής του Τμήματος Ζωικής Παραγωγής του ΤΕΙ Λάρισας
δοκίμασε μία καινοτόμο ιδέα παραγωγής μονοκυταρρικής πρωτεΐνης με απευθείας
ζύμωση της λακτόζης του τυρογάλακτος σε βιοαντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης
τύπου STR Mε τον παραπάνω τρόπο θεωρείται ότι η επιχείρηση θα μπορέσει να
αντιμετωπίσει το πρόβλημα του αποβλήτου της Μεταφέροντας σε βιομηχανική
κλίμακα τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης θεωρείται επίσης ότι η επιχείρηση
θα λύσει με ορθολογιστικό τρόπο το πρόβλημα του τυρογάλακτος κερδίζοντας
προστιθέμενη αξία από την πώληση της παραγόμενης μονοκυτταρικής πρωτεΐνης και
από την διακοπή λειτουργίας του βιολογικού καθαρισμού της που επί του παρόντος
επιβαρύνει την επιχείρηση με μεγάλα λειτουργικά κόστη
11 Παρουσίαση της επιχείρησης Για την εταιρία Γ amp Α ΝΟΥΣΙΑΣ ΟΕ η
άσκηση της τυροκομικής τέχνης είναι οικογενειακή κληρονομιά και ιστορία από τις
ρίζες του γενεαλογικού της δέντρου Από τον τόπο καταγωγής τη Βασιλίτσα της
Πίνδου σημείο αναφοράς και αφετηρία μέχρι τις σημερινές ιδιόκτητες και
υπερσύγχρονες εγκαταστάσεις της εταιρίας στη Νέα Λεύκη Λάρισας μεσολάβησαν
πολλά χρόνια φροντίδας και ποιοτικής τυροκόμησης Το 1967 εμφανίζεται για πρώτη
φορά στην αγορά της Γερμανίας η φέτα της εταιρίας laquoΓ amp Α ΝΟΥΣΙΑΣ ΟΕraquo και
από τότε με την επωνυμία laquoΒΑΣΙΛΙΤΣΑraquo κυριαρχεί στην ευρωπαϊκή αγορά
laquoΣυνταγήraquo επιτυχία η συλλογή μεταφορά αποθήκευση και επεξεργασία του
γάλακτος στο σωστό χρόνο και μόνο με την καλύτερη δυνατή τεχνολογία για
ακέραιη διατήρηση και εξασφάλιση όλων των οργανοληπτικών του στοιχείων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
2
Γεγονός που σε συνδυασμό με τις συνεχείς επενδύσεις της εταιρίας σε ανθρώπινο
δυναμικό και μηχανήματα έφερε την φέτα laquoΒΑΣΙΛΙΤΣΑraquo σε κορυφαία θέση
προτίμησης
12 Εισαγωγή
Ένας από τους κοινοτικούς στόχους είναι η ανάπτυξη της Γεωργίας και Βιομηχανίας
χωρίς επιβάρυνση του περιβάλλοντος για το γενικό σύνολο Δυστυχώς σε πολλές
ευρωπαϊκές χώρες όπως και στην Ελλάδα γεωργικά παραπροϊόντα και υπολείμματα
γεωργικών βιομηχανιών και δραστηριοτήτων συνήθως απορρίπτονται σαν άχρηστα
και πολλές φορές αποτελούν σοβαρά προβλήματα ρυπάνσεως και μόλυνσης του
περιβάλλοντος Θα μπορούσαν όμως πολλά από αυτά μετά από κατάλληλη
επεξεργασία να αποτελέσουν νέο οικονομικό πόρο υπακούοντας ταυτόχρονα στους
κανόνες περιβαλλοντικής προστασίας Η αξιοποίηση αυτών των πρώτων υλών
αποβλήτων ή παραπροϊόντων που συνήθως είναι χαμηλού ή και αρνητικού κόστους
μπορεί να μειώσει το κόστος παραγωγής ανά μονάδα και ταυτόχρονα να
δημιουργήσει νέες θέσεις εργασίας που θα προκύψουν από την αξιοποίηση αυτή
Μεταξύ των οργανικών στερεών ή ημι-στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών
αποβλήτων που παρουσιάζουν ενδιαφέρον από πλευράς ποσοτήτων για τον Ελλαδικό
χώρο μπορούμε να αναφέρουμε τα εξής Άχυρα δημητριακών καλαμποκιού και
βάμβακος υποπροϊόντα ελαιουργείων και τυροκομείων υπολείμματα βιομηχανιών
χυμών εσπεριδοειδών και στέμφυλα οινοποιίας Η αξιοποίηση και η διαχείριση
τέτοιων αγροτοβιομηχανικών υπολειμμάτων και παραπροϊόντων αποβλέπει και στην
έκδοση οικολογικού σήματος (Eco-label) των προϊόντων το οποίο σήμα θα δίνεται σε
εκείνα τα οποία προέρχονται από διαδικασίες με μικρή ή καθόλου περιβαλλοντική
επίπτωση
13 Οργάνωση και στόχοι της έρευνας και βιομηχανικής εφαρμογής
Η ένταση της βιομηχανικής παραγωγής τροφίμων ως ανάγκη της αύξηση του
πληθυσμού της γης και η ταυτόχρονη αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας από τη
γενικότερη παγκόσμια οικονομική ανάπτυξη έχουν δημιουργήσει προβλήματα
απόρριψης και διάθεσης των οργανικών-γεωργικών αποβλήτων στο περιβάλλον
καθώς έντονη ανάγκη για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Από τις αρχές του 1980 η
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
3
σχέση μεταξύ της ενεργειακής χρήσης και περιβαλλοντικών επιπτώσεων έχει
τραβήξει το παγκόσμιο ενδιαφέρον και ένας μεγάλος αριθμός διεθνών δράσεων έχει
επικεντρωθεί προς αυτήν την κατεύθυνση
Τα τυροκομεία παράγουν απόβλητα των οποίων το τυρόγαλο (cheese whey) είναι το
κύριο απόβλητο με υψηλό οργανικό φορτίο (μέχρι και 70 g CODL) το οποίο ωστόσο
είναι βιοαποκοδομήσιμο πλούσιο σε πρωτεΐνη λακτόζη άλατα κλπ Γιrsquo αυτό το
λόγο η χρήση ή η διάθεση του είναι σημαντική Αν διατεθεί ακατέργαστο σε
υδροφόρους ορίζοντες μπορεί να προκαλέσει σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις
(φαινόμενα υπερτροφισμού εξάντληση οξυγόνου σε λίμνες ποτάμια εξόντωση της
υδρόβιας ζωής) Επίσης διαθέτει σημαντική φυτοξικότητα (μείωση της σοδειάς αν
χρησιμοποιηθεί ως υγρό λίπασμα) ενώ αλλοιώνει και τα φυσικοχημικά
χαρακτηριστικά του εδάφους Ωστόσο το τυρόγαλο μπορεί να επεξεργασθεί και να
αξιοποιηθεί κατάλληλα ώστε να μειωθούν αφενός τα προβλήματα αποικοδόμησης
του αποβλήτου (σε βιολογικούς καθαρισμούς) και διάθεσης στο περιβάλλον και
αφετέρου να παραχθούν αρκετά προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας που μπορούν
να αποβούν εις όφελος των γαλακτοπαραγωγικών μονάδων Τα κύρια αυτά προϊόντα
είναι τα εξής
- Πρωτείνη ορού γάλακτος (τυρογάλακτος) έπειτα από θέρμανση
(μετουσίωση-καθίζηση πρωτείνης μαζί με ελάχιστο λίπος και άλατα)
- Καθαρή πρωτείνη τυρογάλακτος έπειτα από υπερδιήθιση
- Γαλακτικό οξύ ως προϊόν ζύμωσης τους τυρογάλακτος
- Μονοκυτταρική πρωτείνη (μικροβιακή βιομάζα) ως προϊόν ζύμωσης τους
τυρογάλακτος
- Αιθανόλη ως προϊόν ζύμωσης τους τυρογάλακτος
- Αρκετά ακόμη προιόντα μικροβιακής ζύμωσης του τυρογάλακτος
Σήμερα σε βιομηχανική κλίμακα το πλήρες τυρόγαλα χρησιμοποιείται για την
παραγωγή τυριών τυρογάλακτος όπως μυζύθρα ανθότυρο μανούρι τυρί τύπου
cottagePhiladelphia κλπ ή για παραγωγή οροπρωτείνης έπειτα από υπερδιήθιση η
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
4
οποία χρησιμοποιείται ως πρόσθετο σε διάφορα τρόφιμα (ικανότητα
γαλακτωματοποίσης-σταθεροποίησης γαλακτωμάτων αύξησης συγκράτησης νερού
σε γαλακτώματα-διαλύματα αύξηση συγκέντρωσης σε πρωτείνη κλπ) Επίσης το
πλήρες υγρό τυρόγαλα ή έπειτα από ξήρανση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ζωοτροφή
(κυρίως σε χοίρους) Στη χειρίστη περίπτωση απορρίπτεται ως έχει παράνομα σε
υδροφόρους ορίζοντες
Το αποπρωτεϊνομένο τυρόγαλα (μετά και την απομάκρυνση-αξιοποίηση των
οροπρωτεϊνών του) είναι το κύριο απόβλητο που παραμένει συνήθως αδιάθετο και
εξακολουθεί να περιέχει υψηλό ρυπαντικό φορτίο λόγο της υψηλής συγκέντρωσης
σακχάρων και κυρίως λακτόζης που περιέχει (~ 47-50 ) Αυτό το σάκχαρο μαζί
με άλατα και χαμηλού μοριακού βάρους αζωτούχες ενώσεις που μπορεί να περιέχει
το αποπρωτείνωμένο τυρόγαλο (πρωτεόζες-πεπτόνες-αμινοξέα) είναι ένα αρκετά
καλό υπόστρωμα ζύμωσης για μικροοργανισμούς που μπορούν να μεταβολίσουν τη
λακτόζη και να παράγουν με βιοτεχνολογικό τρόπο ουσίες υψηλής προστιθέμενης
αξίας μειώνοντας παράλληλα σημαντικά το COD-BOD του απομένοντος υγρού
αποβλήτου μετά το τέλος της ζύμωσης Η βιομάζα άλλωστε που καλλιεργείται για
την κάθε ζύμωση μπορεί έπειτα από αποστείρωση-ξήρανση να χρησιμοποιηθεί ως
μονοκυτταρική πρωτείνη και διατροφικό συμπλήρωμα για ζωοτροφές ή ανθρώπινη
διατροφή Αυτός είναι και ο βασικός στόχος της παρούσας εφαρμοσμένης έρευνας
και μελέτης
14 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
141 Το τυρόγαλα Τυρόγαλα είναι το προϊόν το οποίο λαμβάνεται με τη χρήση
οξέων πυτιάς ή και φυσικοχημικών μεθόδων κατά την παραγωγή τυριών και
καζεΐνης (Κανονισμός 62530-3-1978 ΕΕ) Κατά την τυροκόμηση αγελαδινού
γάλακτος το 10-20 (ββ) των συνολικών συστατικών του γάλακτος μεταφέρεται
στο τυρί και το υπόλοιπο στο τυρόγαλα Τα ποσοστά αυτά ποικίλουν ανάλογα με το
είδος του τυριού που παρασκευάζεται και την τεχνολογία που εφαρμόζεται Ως γενική
προσέγγιση μπορούμε να πούμε ότι το τυρόγαλα είναι ιδιαίτερα πλούσιο σε λακτόζη
η οποία συνιστά το κύριο ρυπαντικό συστατικό του αποβλήτου ενώ περιέχει μεγάλη
ποικιλία ανόργανων και οργανικών ουσιών Στις αζωτούχες ενώσεις του
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
5
τυρογάλακτος κυριαρχούν οι αλβουμίνες και γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν
πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνιση του Πέρα αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-
πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων ουσιών Θα πρέπει να
τονιστεί επίσης ότι το τυρόγαλα έχει πλήθος αλάτων και βιταμινών Κατά την
τυροκόμιση του γάλακτος μεταφέρεται στο τυρόγαλα περίπου το 40-50 (ββ) των
στερεών συστατικών του γάλακτος και προκαλεί σημαντική ρύπανση όταν
απορρίπτεται στο περιβάλλον Σε πολλές χώρες απαγορεύεται η απόρριψη του στο
αποχετευτικό δίκτυο των πόλεων εάν πριν δεν έχει προηγηθεί κάποια επεξεργασία
μείωσης της οργανικής του ουσίας Σήμερα παράγονται περίπου 120 εκατομμύρια
τόνοι τυρογάλακτος σε όλο τον κόσμο (Peters 2006) Από την παραγωγή αυτή
αξιοποιείται μόνο το 55 περίπου Το υπόλοιπο απορρίπτεται ως απόβλητο
142 Σύσταση Τυρογάλακτος Το τυρόγαλα περιέχει μεγάλη ποικιλία στερεών
συστατικών η αναλογία των οποίων προσδιορίζεται κατά κύριο λόγο από τη
σύσταση του γάλακτος από το οποίο προέρχεται αλλά και από τις τεχνολογικές
επεμβάσεις που γίνονται κατά την διάρκεια της επεξεργασίας του Όλοι οι
παράγοντες που επηρεάζουν τη σύσταση του γάλακτος επηρεάζουν και αυτή του
τυρογάλακτος που λαμβάνεται από αυτό Επίσης η θερμική μεταχείριση του
γάλακτος πριν από την πήξη του ο τρόπος πήξης του - ένζυμα βιολογική οξίνιση
προσθήκη οξέων ο βαθμός διαίρεσης του πήγματος καθώς και ο τρόπος και η
θερμοκρασία αναθέρμανσης επηρεάζουν τη σύσταση του τυρογάλακτος Από τα
συστατικά του τυρογάλακτος το λίπος είναι δυνατόν να απομακρυνθεί εύκολα με
φυγοκέντρηση και να χρησιμοποιηθεί με διαφόρους τρόπους ενώ τα άλλα για να
παραληφθούν και να αξιοποιηθούν θα πρέπει αυτό να υποβληθεί σε ειδική κατά
περίπτωση επεξεργασία Κατά τη φυγοκέντρηση του τυρογάλακτος πέραν του
λίπους απομακρύνονται και μικρά τεμαχίδια πήγματος που περιέχει
Παραπλήσια σύσταση με αυτήν του αγελαδινού τυρογάλακτος έχει και το
αποκορυφωμένο τυρόγαλα από την παρασκευή διάφορων τύπων τυριών του
εξωτερικού με εξαίρεση το λίπος που αφαιρείται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
6
Χαρακτηριστικό των αζωτούχων ουσιών του τυρογάλακτος είναι ότι σε αυτές η
καζεΐνη υπάρχει σε ίχνη Δεσπόζουν στην περίπτωση αυτή οι αλβουμίνες και
γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνισή του Πέραν
αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων
ουσιών Δε μεταφέρονται όμως στο τυρόγαλα μόνον κύρια συστατικά του γάλακτος
αλλά και άλατα και βιταμίνες και μάλιστα σε σημαντικές ποσότητες
Ιδιαίτερα σημαντικό για το τυρόγαλα είναι ότι στη δομή των πρωτεϊνών του
συμμετέχουν όλα τα απαραίτητα αμινοξέα στην ενδεδειγμένη αναλογία και μεταξύ
τους σχέσεις για τη διατροφή του ανθρώπου γεγονός που τους προσδίδει εξαιρετική
βιολογική αξία Ενδεικτικές τιμές για τη θρεπτική αξία και σύσταση τυρογάλακτος
δίδονται στον Πίνακα 1
Πίνακας 1 Θρεπτική αξία και Σύσταση Τυρογάλακτος( Venetsaneas et al 2009
e s 1996)
Συστατικό Τιμή Βιβλιογραφία
Διαλύτες 06-08 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Πρωτεΐνες 8-10 wv
Λιπίδια 04-05 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Μεταλλικά άλατα 8-10 του ξηρού
εκχυλίσματος
Venetsaneas et al 2009
e s 1996
BOD5 30000-50000 ppm e so 1996
COD 60000-80000 ppm e s 1996
143 Η λακτόζη Η λακτόζη ή γαλακτοσάκχαρο είναι χαρακτηριστικός
υδατάνθρακας του γάλακτος ο μόνος που υπάρχει ελεύθερος και σε σημαντικές
ποσότητες To κανονικό γάλα περιέχει συνήθως 44 έως 52 και κατά μέσο όρο
48 λακτόζη που αντιπροσωπεύει το 50-52 των στερεών συστατικών του άπαχου
γάλακτος Στο γάλα της γυναίκας η λακτόζη απαντά σε μεγαλύτερη αναλογία
περίπου 7 Τα διάφορα είδη γάλακτος παρουσιάζουν πολλές φορές σημαντικές
διαφορές μεταξύ τους στην περιεκτικότητά τους σε λακτόζη Αν εξετάσουμε όμως τη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
7
σύσταση του γάλακτος των περισσοτέρων θηλαστικών διαπιστώνουμε ότι η λακτόζη
παρουσιάζει πάντοτε πολύ μικρότερη διακύμανση από ότι το λίπος και τα
λευκώματα πράγμα που οδηγεί στην άποψη ότι η ενζυματική διεργασία που αφορά
τη σύνθεση της λακτόζης είναι παρόμοια σε τελείως διαφορετικά είδη Από βιολογική
άποψη η λακτόζη χρησιμεύει στον οργανισμό ως πηγή ενέργειας πλην όμως για να
απορροφηθεί πρέπει πρώτα να διασπαστεί σε γλυκόζη και γαλακτόζη Σ αυτό βοηθά
το ένζυμο λακτάση που αφθονεί στο πεπτικό σύστημα των βρεφών Σήμερα έχει
διαπιστωθεί ότι η δράση της λακτάσης παρουσιάζεται αυξημένη κατά τις πρώτες
ημέρες μετά τη γέννηση πλην όμως ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου Ο
βαθμός ανοχής της λακτόζης του σιτηρεσίου από τα διάφορα είδη θηλαστικών μπορεί
να λεχθεί ότι είναι ανάλογος της περιεκτικότητας του γάλακτός τους στο σάκχαρο
αυτό Η παρουσία της λακτόζης στο γάλα και στα προϊόντα του παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον γιατί
α) Είναι πρωταρχικός παράγοντας στον έλεγχο των ζυμώσεων σε διάφορα
γαλακτοκομικά προϊόντα
β) Προσδίδει θρεπτική αξία στο γάλα και στα γαλακτοκομικά προϊόντα
γ) Η γεύση και η διαλυτότητα αποθηκευμένων γαλακτοκομικών προϊόντων
επηρεάζονται out αυτή
δ) Παίζει βασικό ρόλο στην εμφάνιση του χρώματος και της γεύσεως στα
υπερθερμασμένα γαλακτοκομικά προϊόντα
ε) Για τον άνθρωπο και αρκετά ζώα δεν αποτελεί μόνο πηγή ενέργειας αλλά
και πηγή γαλακτόζης που αποτελεί συστατικό των νευρικών ιστών
1431 Δομή της Λακτόζης Η λακτόζη είναι δισακχαρίτης που σχηματίζεται από
την ένωση ενός μορίου d-γλυκόζης και ενός μορίου d-γαλακτόζης κατά τρόπο ώστε
να μένει ελεύθερη μια αλδεϋδική ομάδα Σχηματίζεται από τη γλυκόζη του αίματος
και γι αυτό η περιεκτικότητα του τελευταίου στο σάκχαρο αυτό κατά τη διάρκεια της
γαλακτικής περιόδου είναι μικρότερη εκείνης της ξηράς περιόδου Κατά το άρμεγμα
παρατηρείται επίσης πτώση της γλυκόζης του αίματος που επανέρχεται όμως σε
κανονικό επίπεδο λίγο μετά το άρμεγμα Η λακτόζη υπάρχει σε δύο ισομερείς μορφές
την α και β που διακρίνονται μεταξύ τους από τη θέση του υδροξυλίου της γλυκόζης
(σχήμα 1)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
8
Σχήμα 1 Ισομερείς μορφές λακτόζης
Η λακτόζη απαντά στη φύση και στα γαλακτοκομικά προϊόντα είτε στις δύο
κρυσταλλικές μορφές α-ένυδρη και β-άνυδρη ή σαν άμορφη ιλυώδης μάζα που
είναι μίγμα α και β λακτόζης Κάτω από ειδικές συνθήκες λαμβάνονται και άλλες
μορφές που διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως σε ότι αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες
Η μορφή α-λακτόζης που απαντά σε συνήθεις θερμοκρασίες είναι η ενυδατωμένη με
ένα μόριο νερού mdash C12H22OMH2O H λακτόζη του εμπορίου είναι η μορφή αυτή και
λαμβάνεται από υπερκορεσμένα υδατικά διαλύματα λακτόζης με βραδεία
κρυστάλλωση σε θερμοκρασίες μικρότερες των 935 C Έχει σημείο τήξεως 2016deg
C Η α-άνυδρη λακτόζη σχηματίζει κρυστάλλους διαφόρων μορφών που
καθορίζονται από τις συνθήκες κρυσταλλώσεως Ο παράγοντας που κατά κύριο
λόγο ρυθμίζει τη μορφή των κρυστάλλων είναι ο λόγος μεταξύ της πραγματικής
συγκεντρώσεως προς τη διαλυτότητα Όταν είναι μεγάλος η κρυστάλλωση
προχωρεί γρήγορα και σχηματίζονται μόνο πρίσματα Όσο ο λόγος αυτός μειώνεται
τόσο η κρυστάλλωση γίνεται με βραδύτερο ρυθμό ενώ η μορφή των κρυστάλλων
αλλάζει Στη συνέχεια δίδονται οι διάφορες μορφές κρυστάλλων της α-ένυδρης
λακτόζης Οι Α Β και C λαμβάνονται όταν ο ρυθμός κρυσταλλώσεως είναι
γρήγορος ενώ οι Ε F και G όταν είναι βραδύς Ο κρύσταλλος Η δίδει την άλλη όψη
του G ενώ η μορφή D έχει σχήμα πυραμίδας που προκύπτει από την εξέλιξη του
κρυστάλλου C Η κρυστάλλωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα είναι συχνά πιο
πολύπλοκοo φαινόμενο Τα άλλα συστατικά του επηρεάζουν την κρυστάλλωση της
λακτόζης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ακανόνιστοι κρύσταλλοι που
διαφέρουν εκείνων που λαμβάνονται από καθαρά διαλύματά της σε ορισμένες
περιπτώσεις μάλιστα είναι δυνατό να παρεμποδίσουν το σχηματισμό πυρήνων
κρυσταλλώσεως και να καθυστερήσουν την κρυστάλλωση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
9
Οι κρύσταλλοι της α-ένυδρης λακτόζης είναι σκληροί και δυσκολοδιάλυτοι (σχήμα
2)
Σχήμα 2 Κρυσταλλικές μορφές λακτόζης
1432 Βιοσύνθεση της Λακτόζης Κατά την υδρόλυσή της η λακτόζη δίδει ένα
μόριο γλυκόζης και ένα μόριο γαλακτόζης Ο τρόπος συνθέσεως της λακτόζης στο
μαστό των ζώων έχει κατά καιρούς απασχολήσει ερευνητές διαφόρων χωρών
Σήμερα είναι γνωστό ότι η κατ εξοχήν πρόδρομη ουσία για τη σύνθεση της είναι η
D-γλυκόζη του αίματος
Σε πρώτη φάση μετατρέπεται στο μαστό ένα μέρος της D-γλυκόζης σε D-γαλακτόζη
Στη συνέχεια ένα μόριο D-γλυκόζης ενώνεται με ένα μόριο D-γαλοκτόζης και
δημιουργείται η λακτόζη
Αναλυτικότερα ο σχηματισμός της λακτόζης στο μαστό περιλαμβάνει τα εξής στάδια
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
1
Τίτλος έργου Αξιοποίηση Τυρογάλακτος με Παραγωγή
Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης με Ζύμωση
1 Εισαγωγή
Η εταιρεία Γ Α ΝΟΥΣΙΑΣ ΟΕ δραστηριοποιείται στην παραγωγή φέτας και
άλλων τυριών ποιότητας στην περιοχή της Ν Λεύκης της Λάρισας Όπως και άλλες
επιχειρήσεις του κλάδου αντιμετωπίζει πρόβλημα με την διαχείριση του
τυρογάλακτος που παράγεται σαν υποπροϊόν της τυροκόμισης Στα πλαίσια της
παρούσας ερευνητικής πρότασης η εταιρεία με την βοήθεια του εργαστηρίου
προϊόντων ζωικής παραγωγής του Τμήματος Ζωικής Παραγωγής του ΤΕΙ Λάρισας
δοκίμασε μία καινοτόμο ιδέα παραγωγής μονοκυταρρικής πρωτεΐνης με απευθείας
ζύμωση της λακτόζης του τυρογάλακτος σε βιοαντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης
τύπου STR Mε τον παραπάνω τρόπο θεωρείται ότι η επιχείρηση θα μπορέσει να
αντιμετωπίσει το πρόβλημα του αποβλήτου της Μεταφέροντας σε βιομηχανική
κλίμακα τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης θεωρείται επίσης ότι η επιχείρηση
θα λύσει με ορθολογιστικό τρόπο το πρόβλημα του τυρογάλακτος κερδίζοντας
προστιθέμενη αξία από την πώληση της παραγόμενης μονοκυτταρικής πρωτεΐνης και
από την διακοπή λειτουργίας του βιολογικού καθαρισμού της που επί του παρόντος
επιβαρύνει την επιχείρηση με μεγάλα λειτουργικά κόστη
11 Παρουσίαση της επιχείρησης Για την εταιρία Γ amp Α ΝΟΥΣΙΑΣ ΟΕ η
άσκηση της τυροκομικής τέχνης είναι οικογενειακή κληρονομιά και ιστορία από τις
ρίζες του γενεαλογικού της δέντρου Από τον τόπο καταγωγής τη Βασιλίτσα της
Πίνδου σημείο αναφοράς και αφετηρία μέχρι τις σημερινές ιδιόκτητες και
υπερσύγχρονες εγκαταστάσεις της εταιρίας στη Νέα Λεύκη Λάρισας μεσολάβησαν
πολλά χρόνια φροντίδας και ποιοτικής τυροκόμησης Το 1967 εμφανίζεται για πρώτη
φορά στην αγορά της Γερμανίας η φέτα της εταιρίας laquoΓ amp Α ΝΟΥΣΙΑΣ ΟΕraquo και
από τότε με την επωνυμία laquoΒΑΣΙΛΙΤΣΑraquo κυριαρχεί στην ευρωπαϊκή αγορά
laquoΣυνταγήraquo επιτυχία η συλλογή μεταφορά αποθήκευση και επεξεργασία του
γάλακτος στο σωστό χρόνο και μόνο με την καλύτερη δυνατή τεχνολογία για
ακέραιη διατήρηση και εξασφάλιση όλων των οργανοληπτικών του στοιχείων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
2
Γεγονός που σε συνδυασμό με τις συνεχείς επενδύσεις της εταιρίας σε ανθρώπινο
δυναμικό και μηχανήματα έφερε την φέτα laquoΒΑΣΙΛΙΤΣΑraquo σε κορυφαία θέση
προτίμησης
12 Εισαγωγή
Ένας από τους κοινοτικούς στόχους είναι η ανάπτυξη της Γεωργίας και Βιομηχανίας
χωρίς επιβάρυνση του περιβάλλοντος για το γενικό σύνολο Δυστυχώς σε πολλές
ευρωπαϊκές χώρες όπως και στην Ελλάδα γεωργικά παραπροϊόντα και υπολείμματα
γεωργικών βιομηχανιών και δραστηριοτήτων συνήθως απορρίπτονται σαν άχρηστα
και πολλές φορές αποτελούν σοβαρά προβλήματα ρυπάνσεως και μόλυνσης του
περιβάλλοντος Θα μπορούσαν όμως πολλά από αυτά μετά από κατάλληλη
επεξεργασία να αποτελέσουν νέο οικονομικό πόρο υπακούοντας ταυτόχρονα στους
κανόνες περιβαλλοντικής προστασίας Η αξιοποίηση αυτών των πρώτων υλών
αποβλήτων ή παραπροϊόντων που συνήθως είναι χαμηλού ή και αρνητικού κόστους
μπορεί να μειώσει το κόστος παραγωγής ανά μονάδα και ταυτόχρονα να
δημιουργήσει νέες θέσεις εργασίας που θα προκύψουν από την αξιοποίηση αυτή
Μεταξύ των οργανικών στερεών ή ημι-στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών
αποβλήτων που παρουσιάζουν ενδιαφέρον από πλευράς ποσοτήτων για τον Ελλαδικό
χώρο μπορούμε να αναφέρουμε τα εξής Άχυρα δημητριακών καλαμποκιού και
βάμβακος υποπροϊόντα ελαιουργείων και τυροκομείων υπολείμματα βιομηχανιών
χυμών εσπεριδοειδών και στέμφυλα οινοποιίας Η αξιοποίηση και η διαχείριση
τέτοιων αγροτοβιομηχανικών υπολειμμάτων και παραπροϊόντων αποβλέπει και στην
έκδοση οικολογικού σήματος (Eco-label) των προϊόντων το οποίο σήμα θα δίνεται σε
εκείνα τα οποία προέρχονται από διαδικασίες με μικρή ή καθόλου περιβαλλοντική
επίπτωση
13 Οργάνωση και στόχοι της έρευνας και βιομηχανικής εφαρμογής
Η ένταση της βιομηχανικής παραγωγής τροφίμων ως ανάγκη της αύξηση του
πληθυσμού της γης και η ταυτόχρονη αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας από τη
γενικότερη παγκόσμια οικονομική ανάπτυξη έχουν δημιουργήσει προβλήματα
απόρριψης και διάθεσης των οργανικών-γεωργικών αποβλήτων στο περιβάλλον
καθώς έντονη ανάγκη για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Από τις αρχές του 1980 η
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
3
σχέση μεταξύ της ενεργειακής χρήσης και περιβαλλοντικών επιπτώσεων έχει
τραβήξει το παγκόσμιο ενδιαφέρον και ένας μεγάλος αριθμός διεθνών δράσεων έχει
επικεντρωθεί προς αυτήν την κατεύθυνση
Τα τυροκομεία παράγουν απόβλητα των οποίων το τυρόγαλο (cheese whey) είναι το
κύριο απόβλητο με υψηλό οργανικό φορτίο (μέχρι και 70 g CODL) το οποίο ωστόσο
είναι βιοαποκοδομήσιμο πλούσιο σε πρωτεΐνη λακτόζη άλατα κλπ Γιrsquo αυτό το
λόγο η χρήση ή η διάθεση του είναι σημαντική Αν διατεθεί ακατέργαστο σε
υδροφόρους ορίζοντες μπορεί να προκαλέσει σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις
(φαινόμενα υπερτροφισμού εξάντληση οξυγόνου σε λίμνες ποτάμια εξόντωση της
υδρόβιας ζωής) Επίσης διαθέτει σημαντική φυτοξικότητα (μείωση της σοδειάς αν
χρησιμοποιηθεί ως υγρό λίπασμα) ενώ αλλοιώνει και τα φυσικοχημικά
χαρακτηριστικά του εδάφους Ωστόσο το τυρόγαλο μπορεί να επεξεργασθεί και να
αξιοποιηθεί κατάλληλα ώστε να μειωθούν αφενός τα προβλήματα αποικοδόμησης
του αποβλήτου (σε βιολογικούς καθαρισμούς) και διάθεσης στο περιβάλλον και
αφετέρου να παραχθούν αρκετά προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας που μπορούν
να αποβούν εις όφελος των γαλακτοπαραγωγικών μονάδων Τα κύρια αυτά προϊόντα
είναι τα εξής
- Πρωτείνη ορού γάλακτος (τυρογάλακτος) έπειτα από θέρμανση
(μετουσίωση-καθίζηση πρωτείνης μαζί με ελάχιστο λίπος και άλατα)
- Καθαρή πρωτείνη τυρογάλακτος έπειτα από υπερδιήθιση
- Γαλακτικό οξύ ως προϊόν ζύμωσης τους τυρογάλακτος
- Μονοκυτταρική πρωτείνη (μικροβιακή βιομάζα) ως προϊόν ζύμωσης τους
τυρογάλακτος
- Αιθανόλη ως προϊόν ζύμωσης τους τυρογάλακτος
- Αρκετά ακόμη προιόντα μικροβιακής ζύμωσης του τυρογάλακτος
Σήμερα σε βιομηχανική κλίμακα το πλήρες τυρόγαλα χρησιμοποιείται για την
παραγωγή τυριών τυρογάλακτος όπως μυζύθρα ανθότυρο μανούρι τυρί τύπου
cottagePhiladelphia κλπ ή για παραγωγή οροπρωτείνης έπειτα από υπερδιήθιση η
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
4
οποία χρησιμοποιείται ως πρόσθετο σε διάφορα τρόφιμα (ικανότητα
γαλακτωματοποίσης-σταθεροποίησης γαλακτωμάτων αύξησης συγκράτησης νερού
σε γαλακτώματα-διαλύματα αύξηση συγκέντρωσης σε πρωτείνη κλπ) Επίσης το
πλήρες υγρό τυρόγαλα ή έπειτα από ξήρανση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ζωοτροφή
(κυρίως σε χοίρους) Στη χειρίστη περίπτωση απορρίπτεται ως έχει παράνομα σε
υδροφόρους ορίζοντες
Το αποπρωτεϊνομένο τυρόγαλα (μετά και την απομάκρυνση-αξιοποίηση των
οροπρωτεϊνών του) είναι το κύριο απόβλητο που παραμένει συνήθως αδιάθετο και
εξακολουθεί να περιέχει υψηλό ρυπαντικό φορτίο λόγο της υψηλής συγκέντρωσης
σακχάρων και κυρίως λακτόζης που περιέχει (~ 47-50 ) Αυτό το σάκχαρο μαζί
με άλατα και χαμηλού μοριακού βάρους αζωτούχες ενώσεις που μπορεί να περιέχει
το αποπρωτείνωμένο τυρόγαλο (πρωτεόζες-πεπτόνες-αμινοξέα) είναι ένα αρκετά
καλό υπόστρωμα ζύμωσης για μικροοργανισμούς που μπορούν να μεταβολίσουν τη
λακτόζη και να παράγουν με βιοτεχνολογικό τρόπο ουσίες υψηλής προστιθέμενης
αξίας μειώνοντας παράλληλα σημαντικά το COD-BOD του απομένοντος υγρού
αποβλήτου μετά το τέλος της ζύμωσης Η βιομάζα άλλωστε που καλλιεργείται για
την κάθε ζύμωση μπορεί έπειτα από αποστείρωση-ξήρανση να χρησιμοποιηθεί ως
μονοκυτταρική πρωτείνη και διατροφικό συμπλήρωμα για ζωοτροφές ή ανθρώπινη
διατροφή Αυτός είναι και ο βασικός στόχος της παρούσας εφαρμοσμένης έρευνας
και μελέτης
14 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
141 Το τυρόγαλα Τυρόγαλα είναι το προϊόν το οποίο λαμβάνεται με τη χρήση
οξέων πυτιάς ή και φυσικοχημικών μεθόδων κατά την παραγωγή τυριών και
καζεΐνης (Κανονισμός 62530-3-1978 ΕΕ) Κατά την τυροκόμηση αγελαδινού
γάλακτος το 10-20 (ββ) των συνολικών συστατικών του γάλακτος μεταφέρεται
στο τυρί και το υπόλοιπο στο τυρόγαλα Τα ποσοστά αυτά ποικίλουν ανάλογα με το
είδος του τυριού που παρασκευάζεται και την τεχνολογία που εφαρμόζεται Ως γενική
προσέγγιση μπορούμε να πούμε ότι το τυρόγαλα είναι ιδιαίτερα πλούσιο σε λακτόζη
η οποία συνιστά το κύριο ρυπαντικό συστατικό του αποβλήτου ενώ περιέχει μεγάλη
ποικιλία ανόργανων και οργανικών ουσιών Στις αζωτούχες ενώσεις του
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
5
τυρογάλακτος κυριαρχούν οι αλβουμίνες και γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν
πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνιση του Πέρα αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-
πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων ουσιών Θα πρέπει να
τονιστεί επίσης ότι το τυρόγαλα έχει πλήθος αλάτων και βιταμινών Κατά την
τυροκόμιση του γάλακτος μεταφέρεται στο τυρόγαλα περίπου το 40-50 (ββ) των
στερεών συστατικών του γάλακτος και προκαλεί σημαντική ρύπανση όταν
απορρίπτεται στο περιβάλλον Σε πολλές χώρες απαγορεύεται η απόρριψη του στο
αποχετευτικό δίκτυο των πόλεων εάν πριν δεν έχει προηγηθεί κάποια επεξεργασία
μείωσης της οργανικής του ουσίας Σήμερα παράγονται περίπου 120 εκατομμύρια
τόνοι τυρογάλακτος σε όλο τον κόσμο (Peters 2006) Από την παραγωγή αυτή
αξιοποιείται μόνο το 55 περίπου Το υπόλοιπο απορρίπτεται ως απόβλητο
142 Σύσταση Τυρογάλακτος Το τυρόγαλα περιέχει μεγάλη ποικιλία στερεών
συστατικών η αναλογία των οποίων προσδιορίζεται κατά κύριο λόγο από τη
σύσταση του γάλακτος από το οποίο προέρχεται αλλά και από τις τεχνολογικές
επεμβάσεις που γίνονται κατά την διάρκεια της επεξεργασίας του Όλοι οι
παράγοντες που επηρεάζουν τη σύσταση του γάλακτος επηρεάζουν και αυτή του
τυρογάλακτος που λαμβάνεται από αυτό Επίσης η θερμική μεταχείριση του
γάλακτος πριν από την πήξη του ο τρόπος πήξης του - ένζυμα βιολογική οξίνιση
προσθήκη οξέων ο βαθμός διαίρεσης του πήγματος καθώς και ο τρόπος και η
θερμοκρασία αναθέρμανσης επηρεάζουν τη σύσταση του τυρογάλακτος Από τα
συστατικά του τυρογάλακτος το λίπος είναι δυνατόν να απομακρυνθεί εύκολα με
φυγοκέντρηση και να χρησιμοποιηθεί με διαφόρους τρόπους ενώ τα άλλα για να
παραληφθούν και να αξιοποιηθούν θα πρέπει αυτό να υποβληθεί σε ειδική κατά
περίπτωση επεξεργασία Κατά τη φυγοκέντρηση του τυρογάλακτος πέραν του
λίπους απομακρύνονται και μικρά τεμαχίδια πήγματος που περιέχει
Παραπλήσια σύσταση με αυτήν του αγελαδινού τυρογάλακτος έχει και το
αποκορυφωμένο τυρόγαλα από την παρασκευή διάφορων τύπων τυριών του
εξωτερικού με εξαίρεση το λίπος που αφαιρείται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
6
Χαρακτηριστικό των αζωτούχων ουσιών του τυρογάλακτος είναι ότι σε αυτές η
καζεΐνη υπάρχει σε ίχνη Δεσπόζουν στην περίπτωση αυτή οι αλβουμίνες και
γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνισή του Πέραν
αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων
ουσιών Δε μεταφέρονται όμως στο τυρόγαλα μόνον κύρια συστατικά του γάλακτος
αλλά και άλατα και βιταμίνες και μάλιστα σε σημαντικές ποσότητες
Ιδιαίτερα σημαντικό για το τυρόγαλα είναι ότι στη δομή των πρωτεϊνών του
συμμετέχουν όλα τα απαραίτητα αμινοξέα στην ενδεδειγμένη αναλογία και μεταξύ
τους σχέσεις για τη διατροφή του ανθρώπου γεγονός που τους προσδίδει εξαιρετική
βιολογική αξία Ενδεικτικές τιμές για τη θρεπτική αξία και σύσταση τυρογάλακτος
δίδονται στον Πίνακα 1
Πίνακας 1 Θρεπτική αξία και Σύσταση Τυρογάλακτος( Venetsaneas et al 2009
e s 1996)
Συστατικό Τιμή Βιβλιογραφία
Διαλύτες 06-08 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Πρωτεΐνες 8-10 wv
Λιπίδια 04-05 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Μεταλλικά άλατα 8-10 του ξηρού
εκχυλίσματος
Venetsaneas et al 2009
e s 1996
BOD5 30000-50000 ppm e so 1996
COD 60000-80000 ppm e s 1996
143 Η λακτόζη Η λακτόζη ή γαλακτοσάκχαρο είναι χαρακτηριστικός
υδατάνθρακας του γάλακτος ο μόνος που υπάρχει ελεύθερος και σε σημαντικές
ποσότητες To κανονικό γάλα περιέχει συνήθως 44 έως 52 και κατά μέσο όρο
48 λακτόζη που αντιπροσωπεύει το 50-52 των στερεών συστατικών του άπαχου
γάλακτος Στο γάλα της γυναίκας η λακτόζη απαντά σε μεγαλύτερη αναλογία
περίπου 7 Τα διάφορα είδη γάλακτος παρουσιάζουν πολλές φορές σημαντικές
διαφορές μεταξύ τους στην περιεκτικότητά τους σε λακτόζη Αν εξετάσουμε όμως τη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
7
σύσταση του γάλακτος των περισσοτέρων θηλαστικών διαπιστώνουμε ότι η λακτόζη
παρουσιάζει πάντοτε πολύ μικρότερη διακύμανση από ότι το λίπος και τα
λευκώματα πράγμα που οδηγεί στην άποψη ότι η ενζυματική διεργασία που αφορά
τη σύνθεση της λακτόζης είναι παρόμοια σε τελείως διαφορετικά είδη Από βιολογική
άποψη η λακτόζη χρησιμεύει στον οργανισμό ως πηγή ενέργειας πλην όμως για να
απορροφηθεί πρέπει πρώτα να διασπαστεί σε γλυκόζη και γαλακτόζη Σ αυτό βοηθά
το ένζυμο λακτάση που αφθονεί στο πεπτικό σύστημα των βρεφών Σήμερα έχει
διαπιστωθεί ότι η δράση της λακτάσης παρουσιάζεται αυξημένη κατά τις πρώτες
ημέρες μετά τη γέννηση πλην όμως ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου Ο
βαθμός ανοχής της λακτόζης του σιτηρεσίου από τα διάφορα είδη θηλαστικών μπορεί
να λεχθεί ότι είναι ανάλογος της περιεκτικότητας του γάλακτός τους στο σάκχαρο
αυτό Η παρουσία της λακτόζης στο γάλα και στα προϊόντα του παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον γιατί
α) Είναι πρωταρχικός παράγοντας στον έλεγχο των ζυμώσεων σε διάφορα
γαλακτοκομικά προϊόντα
β) Προσδίδει θρεπτική αξία στο γάλα και στα γαλακτοκομικά προϊόντα
γ) Η γεύση και η διαλυτότητα αποθηκευμένων γαλακτοκομικών προϊόντων
επηρεάζονται out αυτή
δ) Παίζει βασικό ρόλο στην εμφάνιση του χρώματος και της γεύσεως στα
υπερθερμασμένα γαλακτοκομικά προϊόντα
ε) Για τον άνθρωπο και αρκετά ζώα δεν αποτελεί μόνο πηγή ενέργειας αλλά
και πηγή γαλακτόζης που αποτελεί συστατικό των νευρικών ιστών
1431 Δομή της Λακτόζης Η λακτόζη είναι δισακχαρίτης που σχηματίζεται από
την ένωση ενός μορίου d-γλυκόζης και ενός μορίου d-γαλακτόζης κατά τρόπο ώστε
να μένει ελεύθερη μια αλδεϋδική ομάδα Σχηματίζεται από τη γλυκόζη του αίματος
και γι αυτό η περιεκτικότητα του τελευταίου στο σάκχαρο αυτό κατά τη διάρκεια της
γαλακτικής περιόδου είναι μικρότερη εκείνης της ξηράς περιόδου Κατά το άρμεγμα
παρατηρείται επίσης πτώση της γλυκόζης του αίματος που επανέρχεται όμως σε
κανονικό επίπεδο λίγο μετά το άρμεγμα Η λακτόζη υπάρχει σε δύο ισομερείς μορφές
την α και β που διακρίνονται μεταξύ τους από τη θέση του υδροξυλίου της γλυκόζης
(σχήμα 1)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
8
Σχήμα 1 Ισομερείς μορφές λακτόζης
Η λακτόζη απαντά στη φύση και στα γαλακτοκομικά προϊόντα είτε στις δύο
κρυσταλλικές μορφές α-ένυδρη και β-άνυδρη ή σαν άμορφη ιλυώδης μάζα που
είναι μίγμα α και β λακτόζης Κάτω από ειδικές συνθήκες λαμβάνονται και άλλες
μορφές που διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως σε ότι αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες
Η μορφή α-λακτόζης που απαντά σε συνήθεις θερμοκρασίες είναι η ενυδατωμένη με
ένα μόριο νερού mdash C12H22OMH2O H λακτόζη του εμπορίου είναι η μορφή αυτή και
λαμβάνεται από υπερκορεσμένα υδατικά διαλύματα λακτόζης με βραδεία
κρυστάλλωση σε θερμοκρασίες μικρότερες των 935 C Έχει σημείο τήξεως 2016deg
C Η α-άνυδρη λακτόζη σχηματίζει κρυστάλλους διαφόρων μορφών που
καθορίζονται από τις συνθήκες κρυσταλλώσεως Ο παράγοντας που κατά κύριο
λόγο ρυθμίζει τη μορφή των κρυστάλλων είναι ο λόγος μεταξύ της πραγματικής
συγκεντρώσεως προς τη διαλυτότητα Όταν είναι μεγάλος η κρυστάλλωση
προχωρεί γρήγορα και σχηματίζονται μόνο πρίσματα Όσο ο λόγος αυτός μειώνεται
τόσο η κρυστάλλωση γίνεται με βραδύτερο ρυθμό ενώ η μορφή των κρυστάλλων
αλλάζει Στη συνέχεια δίδονται οι διάφορες μορφές κρυστάλλων της α-ένυδρης
λακτόζης Οι Α Β και C λαμβάνονται όταν ο ρυθμός κρυσταλλώσεως είναι
γρήγορος ενώ οι Ε F και G όταν είναι βραδύς Ο κρύσταλλος Η δίδει την άλλη όψη
του G ενώ η μορφή D έχει σχήμα πυραμίδας που προκύπτει από την εξέλιξη του
κρυστάλλου C Η κρυστάλλωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα είναι συχνά πιο
πολύπλοκοo φαινόμενο Τα άλλα συστατικά του επηρεάζουν την κρυστάλλωση της
λακτόζης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ακανόνιστοι κρύσταλλοι που
διαφέρουν εκείνων που λαμβάνονται από καθαρά διαλύματά της σε ορισμένες
περιπτώσεις μάλιστα είναι δυνατό να παρεμποδίσουν το σχηματισμό πυρήνων
κρυσταλλώσεως και να καθυστερήσουν την κρυστάλλωση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
9
Οι κρύσταλλοι της α-ένυδρης λακτόζης είναι σκληροί και δυσκολοδιάλυτοι (σχήμα
2)
Σχήμα 2 Κρυσταλλικές μορφές λακτόζης
1432 Βιοσύνθεση της Λακτόζης Κατά την υδρόλυσή της η λακτόζη δίδει ένα
μόριο γλυκόζης και ένα μόριο γαλακτόζης Ο τρόπος συνθέσεως της λακτόζης στο
μαστό των ζώων έχει κατά καιρούς απασχολήσει ερευνητές διαφόρων χωρών
Σήμερα είναι γνωστό ότι η κατ εξοχήν πρόδρομη ουσία για τη σύνθεση της είναι η
D-γλυκόζη του αίματος
Σε πρώτη φάση μετατρέπεται στο μαστό ένα μέρος της D-γλυκόζης σε D-γαλακτόζη
Στη συνέχεια ένα μόριο D-γλυκόζης ενώνεται με ένα μόριο D-γαλοκτόζης και
δημιουργείται η λακτόζη
Αναλυτικότερα ο σχηματισμός της λακτόζης στο μαστό περιλαμβάνει τα εξής στάδια
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
2
Γεγονός που σε συνδυασμό με τις συνεχείς επενδύσεις της εταιρίας σε ανθρώπινο
δυναμικό και μηχανήματα έφερε την φέτα laquoΒΑΣΙΛΙΤΣΑraquo σε κορυφαία θέση
προτίμησης
12 Εισαγωγή
Ένας από τους κοινοτικούς στόχους είναι η ανάπτυξη της Γεωργίας και Βιομηχανίας
χωρίς επιβάρυνση του περιβάλλοντος για το γενικό σύνολο Δυστυχώς σε πολλές
ευρωπαϊκές χώρες όπως και στην Ελλάδα γεωργικά παραπροϊόντα και υπολείμματα
γεωργικών βιομηχανιών και δραστηριοτήτων συνήθως απορρίπτονται σαν άχρηστα
και πολλές φορές αποτελούν σοβαρά προβλήματα ρυπάνσεως και μόλυνσης του
περιβάλλοντος Θα μπορούσαν όμως πολλά από αυτά μετά από κατάλληλη
επεξεργασία να αποτελέσουν νέο οικονομικό πόρο υπακούοντας ταυτόχρονα στους
κανόνες περιβαλλοντικής προστασίας Η αξιοποίηση αυτών των πρώτων υλών
αποβλήτων ή παραπροϊόντων που συνήθως είναι χαμηλού ή και αρνητικού κόστους
μπορεί να μειώσει το κόστος παραγωγής ανά μονάδα και ταυτόχρονα να
δημιουργήσει νέες θέσεις εργασίας που θα προκύψουν από την αξιοποίηση αυτή
Μεταξύ των οργανικών στερεών ή ημι-στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών
αποβλήτων που παρουσιάζουν ενδιαφέρον από πλευράς ποσοτήτων για τον Ελλαδικό
χώρο μπορούμε να αναφέρουμε τα εξής Άχυρα δημητριακών καλαμποκιού και
βάμβακος υποπροϊόντα ελαιουργείων και τυροκομείων υπολείμματα βιομηχανιών
χυμών εσπεριδοειδών και στέμφυλα οινοποιίας Η αξιοποίηση και η διαχείριση
τέτοιων αγροτοβιομηχανικών υπολειμμάτων και παραπροϊόντων αποβλέπει και στην
έκδοση οικολογικού σήματος (Eco-label) των προϊόντων το οποίο σήμα θα δίνεται σε
εκείνα τα οποία προέρχονται από διαδικασίες με μικρή ή καθόλου περιβαλλοντική
επίπτωση
13 Οργάνωση και στόχοι της έρευνας και βιομηχανικής εφαρμογής
Η ένταση της βιομηχανικής παραγωγής τροφίμων ως ανάγκη της αύξηση του
πληθυσμού της γης και η ταυτόχρονη αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας από τη
γενικότερη παγκόσμια οικονομική ανάπτυξη έχουν δημιουργήσει προβλήματα
απόρριψης και διάθεσης των οργανικών-γεωργικών αποβλήτων στο περιβάλλον
καθώς έντονη ανάγκη για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας Από τις αρχές του 1980 η
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
3
σχέση μεταξύ της ενεργειακής χρήσης και περιβαλλοντικών επιπτώσεων έχει
τραβήξει το παγκόσμιο ενδιαφέρον και ένας μεγάλος αριθμός διεθνών δράσεων έχει
επικεντρωθεί προς αυτήν την κατεύθυνση
Τα τυροκομεία παράγουν απόβλητα των οποίων το τυρόγαλο (cheese whey) είναι το
κύριο απόβλητο με υψηλό οργανικό φορτίο (μέχρι και 70 g CODL) το οποίο ωστόσο
είναι βιοαποκοδομήσιμο πλούσιο σε πρωτεΐνη λακτόζη άλατα κλπ Γιrsquo αυτό το
λόγο η χρήση ή η διάθεση του είναι σημαντική Αν διατεθεί ακατέργαστο σε
υδροφόρους ορίζοντες μπορεί να προκαλέσει σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις
(φαινόμενα υπερτροφισμού εξάντληση οξυγόνου σε λίμνες ποτάμια εξόντωση της
υδρόβιας ζωής) Επίσης διαθέτει σημαντική φυτοξικότητα (μείωση της σοδειάς αν
χρησιμοποιηθεί ως υγρό λίπασμα) ενώ αλλοιώνει και τα φυσικοχημικά
χαρακτηριστικά του εδάφους Ωστόσο το τυρόγαλο μπορεί να επεξεργασθεί και να
αξιοποιηθεί κατάλληλα ώστε να μειωθούν αφενός τα προβλήματα αποικοδόμησης
του αποβλήτου (σε βιολογικούς καθαρισμούς) και διάθεσης στο περιβάλλον και
αφετέρου να παραχθούν αρκετά προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας που μπορούν
να αποβούν εις όφελος των γαλακτοπαραγωγικών μονάδων Τα κύρια αυτά προϊόντα
είναι τα εξής
- Πρωτείνη ορού γάλακτος (τυρογάλακτος) έπειτα από θέρμανση
(μετουσίωση-καθίζηση πρωτείνης μαζί με ελάχιστο λίπος και άλατα)
- Καθαρή πρωτείνη τυρογάλακτος έπειτα από υπερδιήθιση
- Γαλακτικό οξύ ως προϊόν ζύμωσης τους τυρογάλακτος
- Μονοκυτταρική πρωτείνη (μικροβιακή βιομάζα) ως προϊόν ζύμωσης τους
τυρογάλακτος
- Αιθανόλη ως προϊόν ζύμωσης τους τυρογάλακτος
- Αρκετά ακόμη προιόντα μικροβιακής ζύμωσης του τυρογάλακτος
Σήμερα σε βιομηχανική κλίμακα το πλήρες τυρόγαλα χρησιμοποιείται για την
παραγωγή τυριών τυρογάλακτος όπως μυζύθρα ανθότυρο μανούρι τυρί τύπου
cottagePhiladelphia κλπ ή για παραγωγή οροπρωτείνης έπειτα από υπερδιήθιση η
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
4
οποία χρησιμοποιείται ως πρόσθετο σε διάφορα τρόφιμα (ικανότητα
γαλακτωματοποίσης-σταθεροποίησης γαλακτωμάτων αύξησης συγκράτησης νερού
σε γαλακτώματα-διαλύματα αύξηση συγκέντρωσης σε πρωτείνη κλπ) Επίσης το
πλήρες υγρό τυρόγαλα ή έπειτα από ξήρανση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ζωοτροφή
(κυρίως σε χοίρους) Στη χειρίστη περίπτωση απορρίπτεται ως έχει παράνομα σε
υδροφόρους ορίζοντες
Το αποπρωτεϊνομένο τυρόγαλα (μετά και την απομάκρυνση-αξιοποίηση των
οροπρωτεϊνών του) είναι το κύριο απόβλητο που παραμένει συνήθως αδιάθετο και
εξακολουθεί να περιέχει υψηλό ρυπαντικό φορτίο λόγο της υψηλής συγκέντρωσης
σακχάρων και κυρίως λακτόζης που περιέχει (~ 47-50 ) Αυτό το σάκχαρο μαζί
με άλατα και χαμηλού μοριακού βάρους αζωτούχες ενώσεις που μπορεί να περιέχει
το αποπρωτείνωμένο τυρόγαλο (πρωτεόζες-πεπτόνες-αμινοξέα) είναι ένα αρκετά
καλό υπόστρωμα ζύμωσης για μικροοργανισμούς που μπορούν να μεταβολίσουν τη
λακτόζη και να παράγουν με βιοτεχνολογικό τρόπο ουσίες υψηλής προστιθέμενης
αξίας μειώνοντας παράλληλα σημαντικά το COD-BOD του απομένοντος υγρού
αποβλήτου μετά το τέλος της ζύμωσης Η βιομάζα άλλωστε που καλλιεργείται για
την κάθε ζύμωση μπορεί έπειτα από αποστείρωση-ξήρανση να χρησιμοποιηθεί ως
μονοκυτταρική πρωτείνη και διατροφικό συμπλήρωμα για ζωοτροφές ή ανθρώπινη
διατροφή Αυτός είναι και ο βασικός στόχος της παρούσας εφαρμοσμένης έρευνας
και μελέτης
14 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
141 Το τυρόγαλα Τυρόγαλα είναι το προϊόν το οποίο λαμβάνεται με τη χρήση
οξέων πυτιάς ή και φυσικοχημικών μεθόδων κατά την παραγωγή τυριών και
καζεΐνης (Κανονισμός 62530-3-1978 ΕΕ) Κατά την τυροκόμηση αγελαδινού
γάλακτος το 10-20 (ββ) των συνολικών συστατικών του γάλακτος μεταφέρεται
στο τυρί και το υπόλοιπο στο τυρόγαλα Τα ποσοστά αυτά ποικίλουν ανάλογα με το
είδος του τυριού που παρασκευάζεται και την τεχνολογία που εφαρμόζεται Ως γενική
προσέγγιση μπορούμε να πούμε ότι το τυρόγαλα είναι ιδιαίτερα πλούσιο σε λακτόζη
η οποία συνιστά το κύριο ρυπαντικό συστατικό του αποβλήτου ενώ περιέχει μεγάλη
ποικιλία ανόργανων και οργανικών ουσιών Στις αζωτούχες ενώσεις του
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
5
τυρογάλακτος κυριαρχούν οι αλβουμίνες και γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν
πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνιση του Πέρα αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-
πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων ουσιών Θα πρέπει να
τονιστεί επίσης ότι το τυρόγαλα έχει πλήθος αλάτων και βιταμινών Κατά την
τυροκόμιση του γάλακτος μεταφέρεται στο τυρόγαλα περίπου το 40-50 (ββ) των
στερεών συστατικών του γάλακτος και προκαλεί σημαντική ρύπανση όταν
απορρίπτεται στο περιβάλλον Σε πολλές χώρες απαγορεύεται η απόρριψη του στο
αποχετευτικό δίκτυο των πόλεων εάν πριν δεν έχει προηγηθεί κάποια επεξεργασία
μείωσης της οργανικής του ουσίας Σήμερα παράγονται περίπου 120 εκατομμύρια
τόνοι τυρογάλακτος σε όλο τον κόσμο (Peters 2006) Από την παραγωγή αυτή
αξιοποιείται μόνο το 55 περίπου Το υπόλοιπο απορρίπτεται ως απόβλητο
142 Σύσταση Τυρογάλακτος Το τυρόγαλα περιέχει μεγάλη ποικιλία στερεών
συστατικών η αναλογία των οποίων προσδιορίζεται κατά κύριο λόγο από τη
σύσταση του γάλακτος από το οποίο προέρχεται αλλά και από τις τεχνολογικές
επεμβάσεις που γίνονται κατά την διάρκεια της επεξεργασίας του Όλοι οι
παράγοντες που επηρεάζουν τη σύσταση του γάλακτος επηρεάζουν και αυτή του
τυρογάλακτος που λαμβάνεται από αυτό Επίσης η θερμική μεταχείριση του
γάλακτος πριν από την πήξη του ο τρόπος πήξης του - ένζυμα βιολογική οξίνιση
προσθήκη οξέων ο βαθμός διαίρεσης του πήγματος καθώς και ο τρόπος και η
θερμοκρασία αναθέρμανσης επηρεάζουν τη σύσταση του τυρογάλακτος Από τα
συστατικά του τυρογάλακτος το λίπος είναι δυνατόν να απομακρυνθεί εύκολα με
φυγοκέντρηση και να χρησιμοποιηθεί με διαφόρους τρόπους ενώ τα άλλα για να
παραληφθούν και να αξιοποιηθούν θα πρέπει αυτό να υποβληθεί σε ειδική κατά
περίπτωση επεξεργασία Κατά τη φυγοκέντρηση του τυρογάλακτος πέραν του
λίπους απομακρύνονται και μικρά τεμαχίδια πήγματος που περιέχει
Παραπλήσια σύσταση με αυτήν του αγελαδινού τυρογάλακτος έχει και το
αποκορυφωμένο τυρόγαλα από την παρασκευή διάφορων τύπων τυριών του
εξωτερικού με εξαίρεση το λίπος που αφαιρείται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
6
Χαρακτηριστικό των αζωτούχων ουσιών του τυρογάλακτος είναι ότι σε αυτές η
καζεΐνη υπάρχει σε ίχνη Δεσπόζουν στην περίπτωση αυτή οι αλβουμίνες και
γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνισή του Πέραν
αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων
ουσιών Δε μεταφέρονται όμως στο τυρόγαλα μόνον κύρια συστατικά του γάλακτος
αλλά και άλατα και βιταμίνες και μάλιστα σε σημαντικές ποσότητες
Ιδιαίτερα σημαντικό για το τυρόγαλα είναι ότι στη δομή των πρωτεϊνών του
συμμετέχουν όλα τα απαραίτητα αμινοξέα στην ενδεδειγμένη αναλογία και μεταξύ
τους σχέσεις για τη διατροφή του ανθρώπου γεγονός που τους προσδίδει εξαιρετική
βιολογική αξία Ενδεικτικές τιμές για τη θρεπτική αξία και σύσταση τυρογάλακτος
δίδονται στον Πίνακα 1
Πίνακας 1 Θρεπτική αξία και Σύσταση Τυρογάλακτος( Venetsaneas et al 2009
e s 1996)
Συστατικό Τιμή Βιβλιογραφία
Διαλύτες 06-08 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Πρωτεΐνες 8-10 wv
Λιπίδια 04-05 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Μεταλλικά άλατα 8-10 του ξηρού
εκχυλίσματος
Venetsaneas et al 2009
e s 1996
BOD5 30000-50000 ppm e so 1996
COD 60000-80000 ppm e s 1996
143 Η λακτόζη Η λακτόζη ή γαλακτοσάκχαρο είναι χαρακτηριστικός
υδατάνθρακας του γάλακτος ο μόνος που υπάρχει ελεύθερος και σε σημαντικές
ποσότητες To κανονικό γάλα περιέχει συνήθως 44 έως 52 και κατά μέσο όρο
48 λακτόζη που αντιπροσωπεύει το 50-52 των στερεών συστατικών του άπαχου
γάλακτος Στο γάλα της γυναίκας η λακτόζη απαντά σε μεγαλύτερη αναλογία
περίπου 7 Τα διάφορα είδη γάλακτος παρουσιάζουν πολλές φορές σημαντικές
διαφορές μεταξύ τους στην περιεκτικότητά τους σε λακτόζη Αν εξετάσουμε όμως τη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
7
σύσταση του γάλακτος των περισσοτέρων θηλαστικών διαπιστώνουμε ότι η λακτόζη
παρουσιάζει πάντοτε πολύ μικρότερη διακύμανση από ότι το λίπος και τα
λευκώματα πράγμα που οδηγεί στην άποψη ότι η ενζυματική διεργασία που αφορά
τη σύνθεση της λακτόζης είναι παρόμοια σε τελείως διαφορετικά είδη Από βιολογική
άποψη η λακτόζη χρησιμεύει στον οργανισμό ως πηγή ενέργειας πλην όμως για να
απορροφηθεί πρέπει πρώτα να διασπαστεί σε γλυκόζη και γαλακτόζη Σ αυτό βοηθά
το ένζυμο λακτάση που αφθονεί στο πεπτικό σύστημα των βρεφών Σήμερα έχει
διαπιστωθεί ότι η δράση της λακτάσης παρουσιάζεται αυξημένη κατά τις πρώτες
ημέρες μετά τη γέννηση πλην όμως ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου Ο
βαθμός ανοχής της λακτόζης του σιτηρεσίου από τα διάφορα είδη θηλαστικών μπορεί
να λεχθεί ότι είναι ανάλογος της περιεκτικότητας του γάλακτός τους στο σάκχαρο
αυτό Η παρουσία της λακτόζης στο γάλα και στα προϊόντα του παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον γιατί
α) Είναι πρωταρχικός παράγοντας στον έλεγχο των ζυμώσεων σε διάφορα
γαλακτοκομικά προϊόντα
β) Προσδίδει θρεπτική αξία στο γάλα και στα γαλακτοκομικά προϊόντα
γ) Η γεύση και η διαλυτότητα αποθηκευμένων γαλακτοκομικών προϊόντων
επηρεάζονται out αυτή
δ) Παίζει βασικό ρόλο στην εμφάνιση του χρώματος και της γεύσεως στα
υπερθερμασμένα γαλακτοκομικά προϊόντα
ε) Για τον άνθρωπο και αρκετά ζώα δεν αποτελεί μόνο πηγή ενέργειας αλλά
και πηγή γαλακτόζης που αποτελεί συστατικό των νευρικών ιστών
1431 Δομή της Λακτόζης Η λακτόζη είναι δισακχαρίτης που σχηματίζεται από
την ένωση ενός μορίου d-γλυκόζης και ενός μορίου d-γαλακτόζης κατά τρόπο ώστε
να μένει ελεύθερη μια αλδεϋδική ομάδα Σχηματίζεται από τη γλυκόζη του αίματος
και γι αυτό η περιεκτικότητα του τελευταίου στο σάκχαρο αυτό κατά τη διάρκεια της
γαλακτικής περιόδου είναι μικρότερη εκείνης της ξηράς περιόδου Κατά το άρμεγμα
παρατηρείται επίσης πτώση της γλυκόζης του αίματος που επανέρχεται όμως σε
κανονικό επίπεδο λίγο μετά το άρμεγμα Η λακτόζη υπάρχει σε δύο ισομερείς μορφές
την α και β που διακρίνονται μεταξύ τους από τη θέση του υδροξυλίου της γλυκόζης
(σχήμα 1)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
8
Σχήμα 1 Ισομερείς μορφές λακτόζης
Η λακτόζη απαντά στη φύση και στα γαλακτοκομικά προϊόντα είτε στις δύο
κρυσταλλικές μορφές α-ένυδρη και β-άνυδρη ή σαν άμορφη ιλυώδης μάζα που
είναι μίγμα α και β λακτόζης Κάτω από ειδικές συνθήκες λαμβάνονται και άλλες
μορφές που διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως σε ότι αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες
Η μορφή α-λακτόζης που απαντά σε συνήθεις θερμοκρασίες είναι η ενυδατωμένη με
ένα μόριο νερού mdash C12H22OMH2O H λακτόζη του εμπορίου είναι η μορφή αυτή και
λαμβάνεται από υπερκορεσμένα υδατικά διαλύματα λακτόζης με βραδεία
κρυστάλλωση σε θερμοκρασίες μικρότερες των 935 C Έχει σημείο τήξεως 2016deg
C Η α-άνυδρη λακτόζη σχηματίζει κρυστάλλους διαφόρων μορφών που
καθορίζονται από τις συνθήκες κρυσταλλώσεως Ο παράγοντας που κατά κύριο
λόγο ρυθμίζει τη μορφή των κρυστάλλων είναι ο λόγος μεταξύ της πραγματικής
συγκεντρώσεως προς τη διαλυτότητα Όταν είναι μεγάλος η κρυστάλλωση
προχωρεί γρήγορα και σχηματίζονται μόνο πρίσματα Όσο ο λόγος αυτός μειώνεται
τόσο η κρυστάλλωση γίνεται με βραδύτερο ρυθμό ενώ η μορφή των κρυστάλλων
αλλάζει Στη συνέχεια δίδονται οι διάφορες μορφές κρυστάλλων της α-ένυδρης
λακτόζης Οι Α Β και C λαμβάνονται όταν ο ρυθμός κρυσταλλώσεως είναι
γρήγορος ενώ οι Ε F και G όταν είναι βραδύς Ο κρύσταλλος Η δίδει την άλλη όψη
του G ενώ η μορφή D έχει σχήμα πυραμίδας που προκύπτει από την εξέλιξη του
κρυστάλλου C Η κρυστάλλωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα είναι συχνά πιο
πολύπλοκοo φαινόμενο Τα άλλα συστατικά του επηρεάζουν την κρυστάλλωση της
λακτόζης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ακανόνιστοι κρύσταλλοι που
διαφέρουν εκείνων που λαμβάνονται από καθαρά διαλύματά της σε ορισμένες
περιπτώσεις μάλιστα είναι δυνατό να παρεμποδίσουν το σχηματισμό πυρήνων
κρυσταλλώσεως και να καθυστερήσουν την κρυστάλλωση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
9
Οι κρύσταλλοι της α-ένυδρης λακτόζης είναι σκληροί και δυσκολοδιάλυτοι (σχήμα
2)
Σχήμα 2 Κρυσταλλικές μορφές λακτόζης
1432 Βιοσύνθεση της Λακτόζης Κατά την υδρόλυσή της η λακτόζη δίδει ένα
μόριο γλυκόζης και ένα μόριο γαλακτόζης Ο τρόπος συνθέσεως της λακτόζης στο
μαστό των ζώων έχει κατά καιρούς απασχολήσει ερευνητές διαφόρων χωρών
Σήμερα είναι γνωστό ότι η κατ εξοχήν πρόδρομη ουσία για τη σύνθεση της είναι η
D-γλυκόζη του αίματος
Σε πρώτη φάση μετατρέπεται στο μαστό ένα μέρος της D-γλυκόζης σε D-γαλακτόζη
Στη συνέχεια ένα μόριο D-γλυκόζης ενώνεται με ένα μόριο D-γαλοκτόζης και
δημιουργείται η λακτόζη
Αναλυτικότερα ο σχηματισμός της λακτόζης στο μαστό περιλαμβάνει τα εξής στάδια
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
3
σχέση μεταξύ της ενεργειακής χρήσης και περιβαλλοντικών επιπτώσεων έχει
τραβήξει το παγκόσμιο ενδιαφέρον και ένας μεγάλος αριθμός διεθνών δράσεων έχει
επικεντρωθεί προς αυτήν την κατεύθυνση
Τα τυροκομεία παράγουν απόβλητα των οποίων το τυρόγαλο (cheese whey) είναι το
κύριο απόβλητο με υψηλό οργανικό φορτίο (μέχρι και 70 g CODL) το οποίο ωστόσο
είναι βιοαποκοδομήσιμο πλούσιο σε πρωτεΐνη λακτόζη άλατα κλπ Γιrsquo αυτό το
λόγο η χρήση ή η διάθεση του είναι σημαντική Αν διατεθεί ακατέργαστο σε
υδροφόρους ορίζοντες μπορεί να προκαλέσει σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις
(φαινόμενα υπερτροφισμού εξάντληση οξυγόνου σε λίμνες ποτάμια εξόντωση της
υδρόβιας ζωής) Επίσης διαθέτει σημαντική φυτοξικότητα (μείωση της σοδειάς αν
χρησιμοποιηθεί ως υγρό λίπασμα) ενώ αλλοιώνει και τα φυσικοχημικά
χαρακτηριστικά του εδάφους Ωστόσο το τυρόγαλο μπορεί να επεξεργασθεί και να
αξιοποιηθεί κατάλληλα ώστε να μειωθούν αφενός τα προβλήματα αποικοδόμησης
του αποβλήτου (σε βιολογικούς καθαρισμούς) και διάθεσης στο περιβάλλον και
αφετέρου να παραχθούν αρκετά προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας που μπορούν
να αποβούν εις όφελος των γαλακτοπαραγωγικών μονάδων Τα κύρια αυτά προϊόντα
είναι τα εξής
- Πρωτείνη ορού γάλακτος (τυρογάλακτος) έπειτα από θέρμανση
(μετουσίωση-καθίζηση πρωτείνης μαζί με ελάχιστο λίπος και άλατα)
- Καθαρή πρωτείνη τυρογάλακτος έπειτα από υπερδιήθιση
- Γαλακτικό οξύ ως προϊόν ζύμωσης τους τυρογάλακτος
- Μονοκυτταρική πρωτείνη (μικροβιακή βιομάζα) ως προϊόν ζύμωσης τους
τυρογάλακτος
- Αιθανόλη ως προϊόν ζύμωσης τους τυρογάλακτος
- Αρκετά ακόμη προιόντα μικροβιακής ζύμωσης του τυρογάλακτος
Σήμερα σε βιομηχανική κλίμακα το πλήρες τυρόγαλα χρησιμοποιείται για την
παραγωγή τυριών τυρογάλακτος όπως μυζύθρα ανθότυρο μανούρι τυρί τύπου
cottagePhiladelphia κλπ ή για παραγωγή οροπρωτείνης έπειτα από υπερδιήθιση η
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
4
οποία χρησιμοποιείται ως πρόσθετο σε διάφορα τρόφιμα (ικανότητα
γαλακτωματοποίσης-σταθεροποίησης γαλακτωμάτων αύξησης συγκράτησης νερού
σε γαλακτώματα-διαλύματα αύξηση συγκέντρωσης σε πρωτείνη κλπ) Επίσης το
πλήρες υγρό τυρόγαλα ή έπειτα από ξήρανση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ζωοτροφή
(κυρίως σε χοίρους) Στη χειρίστη περίπτωση απορρίπτεται ως έχει παράνομα σε
υδροφόρους ορίζοντες
Το αποπρωτεϊνομένο τυρόγαλα (μετά και την απομάκρυνση-αξιοποίηση των
οροπρωτεϊνών του) είναι το κύριο απόβλητο που παραμένει συνήθως αδιάθετο και
εξακολουθεί να περιέχει υψηλό ρυπαντικό φορτίο λόγο της υψηλής συγκέντρωσης
σακχάρων και κυρίως λακτόζης που περιέχει (~ 47-50 ) Αυτό το σάκχαρο μαζί
με άλατα και χαμηλού μοριακού βάρους αζωτούχες ενώσεις που μπορεί να περιέχει
το αποπρωτείνωμένο τυρόγαλο (πρωτεόζες-πεπτόνες-αμινοξέα) είναι ένα αρκετά
καλό υπόστρωμα ζύμωσης για μικροοργανισμούς που μπορούν να μεταβολίσουν τη
λακτόζη και να παράγουν με βιοτεχνολογικό τρόπο ουσίες υψηλής προστιθέμενης
αξίας μειώνοντας παράλληλα σημαντικά το COD-BOD του απομένοντος υγρού
αποβλήτου μετά το τέλος της ζύμωσης Η βιομάζα άλλωστε που καλλιεργείται για
την κάθε ζύμωση μπορεί έπειτα από αποστείρωση-ξήρανση να χρησιμοποιηθεί ως
μονοκυτταρική πρωτείνη και διατροφικό συμπλήρωμα για ζωοτροφές ή ανθρώπινη
διατροφή Αυτός είναι και ο βασικός στόχος της παρούσας εφαρμοσμένης έρευνας
και μελέτης
14 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
141 Το τυρόγαλα Τυρόγαλα είναι το προϊόν το οποίο λαμβάνεται με τη χρήση
οξέων πυτιάς ή και φυσικοχημικών μεθόδων κατά την παραγωγή τυριών και
καζεΐνης (Κανονισμός 62530-3-1978 ΕΕ) Κατά την τυροκόμηση αγελαδινού
γάλακτος το 10-20 (ββ) των συνολικών συστατικών του γάλακτος μεταφέρεται
στο τυρί και το υπόλοιπο στο τυρόγαλα Τα ποσοστά αυτά ποικίλουν ανάλογα με το
είδος του τυριού που παρασκευάζεται και την τεχνολογία που εφαρμόζεται Ως γενική
προσέγγιση μπορούμε να πούμε ότι το τυρόγαλα είναι ιδιαίτερα πλούσιο σε λακτόζη
η οποία συνιστά το κύριο ρυπαντικό συστατικό του αποβλήτου ενώ περιέχει μεγάλη
ποικιλία ανόργανων και οργανικών ουσιών Στις αζωτούχες ενώσεις του
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
5
τυρογάλακτος κυριαρχούν οι αλβουμίνες και γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν
πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνιση του Πέρα αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-
πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων ουσιών Θα πρέπει να
τονιστεί επίσης ότι το τυρόγαλα έχει πλήθος αλάτων και βιταμινών Κατά την
τυροκόμιση του γάλακτος μεταφέρεται στο τυρόγαλα περίπου το 40-50 (ββ) των
στερεών συστατικών του γάλακτος και προκαλεί σημαντική ρύπανση όταν
απορρίπτεται στο περιβάλλον Σε πολλές χώρες απαγορεύεται η απόρριψη του στο
αποχετευτικό δίκτυο των πόλεων εάν πριν δεν έχει προηγηθεί κάποια επεξεργασία
μείωσης της οργανικής του ουσίας Σήμερα παράγονται περίπου 120 εκατομμύρια
τόνοι τυρογάλακτος σε όλο τον κόσμο (Peters 2006) Από την παραγωγή αυτή
αξιοποιείται μόνο το 55 περίπου Το υπόλοιπο απορρίπτεται ως απόβλητο
142 Σύσταση Τυρογάλακτος Το τυρόγαλα περιέχει μεγάλη ποικιλία στερεών
συστατικών η αναλογία των οποίων προσδιορίζεται κατά κύριο λόγο από τη
σύσταση του γάλακτος από το οποίο προέρχεται αλλά και από τις τεχνολογικές
επεμβάσεις που γίνονται κατά την διάρκεια της επεξεργασίας του Όλοι οι
παράγοντες που επηρεάζουν τη σύσταση του γάλακτος επηρεάζουν και αυτή του
τυρογάλακτος που λαμβάνεται από αυτό Επίσης η θερμική μεταχείριση του
γάλακτος πριν από την πήξη του ο τρόπος πήξης του - ένζυμα βιολογική οξίνιση
προσθήκη οξέων ο βαθμός διαίρεσης του πήγματος καθώς και ο τρόπος και η
θερμοκρασία αναθέρμανσης επηρεάζουν τη σύσταση του τυρογάλακτος Από τα
συστατικά του τυρογάλακτος το λίπος είναι δυνατόν να απομακρυνθεί εύκολα με
φυγοκέντρηση και να χρησιμοποιηθεί με διαφόρους τρόπους ενώ τα άλλα για να
παραληφθούν και να αξιοποιηθούν θα πρέπει αυτό να υποβληθεί σε ειδική κατά
περίπτωση επεξεργασία Κατά τη φυγοκέντρηση του τυρογάλακτος πέραν του
λίπους απομακρύνονται και μικρά τεμαχίδια πήγματος που περιέχει
Παραπλήσια σύσταση με αυτήν του αγελαδινού τυρογάλακτος έχει και το
αποκορυφωμένο τυρόγαλα από την παρασκευή διάφορων τύπων τυριών του
εξωτερικού με εξαίρεση το λίπος που αφαιρείται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
6
Χαρακτηριστικό των αζωτούχων ουσιών του τυρογάλακτος είναι ότι σε αυτές η
καζεΐνη υπάρχει σε ίχνη Δεσπόζουν στην περίπτωση αυτή οι αλβουμίνες και
γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνισή του Πέραν
αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων
ουσιών Δε μεταφέρονται όμως στο τυρόγαλα μόνον κύρια συστατικά του γάλακτος
αλλά και άλατα και βιταμίνες και μάλιστα σε σημαντικές ποσότητες
Ιδιαίτερα σημαντικό για το τυρόγαλα είναι ότι στη δομή των πρωτεϊνών του
συμμετέχουν όλα τα απαραίτητα αμινοξέα στην ενδεδειγμένη αναλογία και μεταξύ
τους σχέσεις για τη διατροφή του ανθρώπου γεγονός που τους προσδίδει εξαιρετική
βιολογική αξία Ενδεικτικές τιμές για τη θρεπτική αξία και σύσταση τυρογάλακτος
δίδονται στον Πίνακα 1
Πίνακας 1 Θρεπτική αξία και Σύσταση Τυρογάλακτος( Venetsaneas et al 2009
e s 1996)
Συστατικό Τιμή Βιβλιογραφία
Διαλύτες 06-08 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Πρωτεΐνες 8-10 wv
Λιπίδια 04-05 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Μεταλλικά άλατα 8-10 του ξηρού
εκχυλίσματος
Venetsaneas et al 2009
e s 1996
BOD5 30000-50000 ppm e so 1996
COD 60000-80000 ppm e s 1996
143 Η λακτόζη Η λακτόζη ή γαλακτοσάκχαρο είναι χαρακτηριστικός
υδατάνθρακας του γάλακτος ο μόνος που υπάρχει ελεύθερος και σε σημαντικές
ποσότητες To κανονικό γάλα περιέχει συνήθως 44 έως 52 και κατά μέσο όρο
48 λακτόζη που αντιπροσωπεύει το 50-52 των στερεών συστατικών του άπαχου
γάλακτος Στο γάλα της γυναίκας η λακτόζη απαντά σε μεγαλύτερη αναλογία
περίπου 7 Τα διάφορα είδη γάλακτος παρουσιάζουν πολλές φορές σημαντικές
διαφορές μεταξύ τους στην περιεκτικότητά τους σε λακτόζη Αν εξετάσουμε όμως τη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
7
σύσταση του γάλακτος των περισσοτέρων θηλαστικών διαπιστώνουμε ότι η λακτόζη
παρουσιάζει πάντοτε πολύ μικρότερη διακύμανση από ότι το λίπος και τα
λευκώματα πράγμα που οδηγεί στην άποψη ότι η ενζυματική διεργασία που αφορά
τη σύνθεση της λακτόζης είναι παρόμοια σε τελείως διαφορετικά είδη Από βιολογική
άποψη η λακτόζη χρησιμεύει στον οργανισμό ως πηγή ενέργειας πλην όμως για να
απορροφηθεί πρέπει πρώτα να διασπαστεί σε γλυκόζη και γαλακτόζη Σ αυτό βοηθά
το ένζυμο λακτάση που αφθονεί στο πεπτικό σύστημα των βρεφών Σήμερα έχει
διαπιστωθεί ότι η δράση της λακτάσης παρουσιάζεται αυξημένη κατά τις πρώτες
ημέρες μετά τη γέννηση πλην όμως ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου Ο
βαθμός ανοχής της λακτόζης του σιτηρεσίου από τα διάφορα είδη θηλαστικών μπορεί
να λεχθεί ότι είναι ανάλογος της περιεκτικότητας του γάλακτός τους στο σάκχαρο
αυτό Η παρουσία της λακτόζης στο γάλα και στα προϊόντα του παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον γιατί
α) Είναι πρωταρχικός παράγοντας στον έλεγχο των ζυμώσεων σε διάφορα
γαλακτοκομικά προϊόντα
β) Προσδίδει θρεπτική αξία στο γάλα και στα γαλακτοκομικά προϊόντα
γ) Η γεύση και η διαλυτότητα αποθηκευμένων γαλακτοκομικών προϊόντων
επηρεάζονται out αυτή
δ) Παίζει βασικό ρόλο στην εμφάνιση του χρώματος και της γεύσεως στα
υπερθερμασμένα γαλακτοκομικά προϊόντα
ε) Για τον άνθρωπο και αρκετά ζώα δεν αποτελεί μόνο πηγή ενέργειας αλλά
και πηγή γαλακτόζης που αποτελεί συστατικό των νευρικών ιστών
1431 Δομή της Λακτόζης Η λακτόζη είναι δισακχαρίτης που σχηματίζεται από
την ένωση ενός μορίου d-γλυκόζης και ενός μορίου d-γαλακτόζης κατά τρόπο ώστε
να μένει ελεύθερη μια αλδεϋδική ομάδα Σχηματίζεται από τη γλυκόζη του αίματος
και γι αυτό η περιεκτικότητα του τελευταίου στο σάκχαρο αυτό κατά τη διάρκεια της
γαλακτικής περιόδου είναι μικρότερη εκείνης της ξηράς περιόδου Κατά το άρμεγμα
παρατηρείται επίσης πτώση της γλυκόζης του αίματος που επανέρχεται όμως σε
κανονικό επίπεδο λίγο μετά το άρμεγμα Η λακτόζη υπάρχει σε δύο ισομερείς μορφές
την α και β που διακρίνονται μεταξύ τους από τη θέση του υδροξυλίου της γλυκόζης
(σχήμα 1)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
8
Σχήμα 1 Ισομερείς μορφές λακτόζης
Η λακτόζη απαντά στη φύση και στα γαλακτοκομικά προϊόντα είτε στις δύο
κρυσταλλικές μορφές α-ένυδρη και β-άνυδρη ή σαν άμορφη ιλυώδης μάζα που
είναι μίγμα α και β λακτόζης Κάτω από ειδικές συνθήκες λαμβάνονται και άλλες
μορφές που διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως σε ότι αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες
Η μορφή α-λακτόζης που απαντά σε συνήθεις θερμοκρασίες είναι η ενυδατωμένη με
ένα μόριο νερού mdash C12H22OMH2O H λακτόζη του εμπορίου είναι η μορφή αυτή και
λαμβάνεται από υπερκορεσμένα υδατικά διαλύματα λακτόζης με βραδεία
κρυστάλλωση σε θερμοκρασίες μικρότερες των 935 C Έχει σημείο τήξεως 2016deg
C Η α-άνυδρη λακτόζη σχηματίζει κρυστάλλους διαφόρων μορφών που
καθορίζονται από τις συνθήκες κρυσταλλώσεως Ο παράγοντας που κατά κύριο
λόγο ρυθμίζει τη μορφή των κρυστάλλων είναι ο λόγος μεταξύ της πραγματικής
συγκεντρώσεως προς τη διαλυτότητα Όταν είναι μεγάλος η κρυστάλλωση
προχωρεί γρήγορα και σχηματίζονται μόνο πρίσματα Όσο ο λόγος αυτός μειώνεται
τόσο η κρυστάλλωση γίνεται με βραδύτερο ρυθμό ενώ η μορφή των κρυστάλλων
αλλάζει Στη συνέχεια δίδονται οι διάφορες μορφές κρυστάλλων της α-ένυδρης
λακτόζης Οι Α Β και C λαμβάνονται όταν ο ρυθμός κρυσταλλώσεως είναι
γρήγορος ενώ οι Ε F και G όταν είναι βραδύς Ο κρύσταλλος Η δίδει την άλλη όψη
του G ενώ η μορφή D έχει σχήμα πυραμίδας που προκύπτει από την εξέλιξη του
κρυστάλλου C Η κρυστάλλωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα είναι συχνά πιο
πολύπλοκοo φαινόμενο Τα άλλα συστατικά του επηρεάζουν την κρυστάλλωση της
λακτόζης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ακανόνιστοι κρύσταλλοι που
διαφέρουν εκείνων που λαμβάνονται από καθαρά διαλύματά της σε ορισμένες
περιπτώσεις μάλιστα είναι δυνατό να παρεμποδίσουν το σχηματισμό πυρήνων
κρυσταλλώσεως και να καθυστερήσουν την κρυστάλλωση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
9
Οι κρύσταλλοι της α-ένυδρης λακτόζης είναι σκληροί και δυσκολοδιάλυτοι (σχήμα
2)
Σχήμα 2 Κρυσταλλικές μορφές λακτόζης
1432 Βιοσύνθεση της Λακτόζης Κατά την υδρόλυσή της η λακτόζη δίδει ένα
μόριο γλυκόζης και ένα μόριο γαλακτόζης Ο τρόπος συνθέσεως της λακτόζης στο
μαστό των ζώων έχει κατά καιρούς απασχολήσει ερευνητές διαφόρων χωρών
Σήμερα είναι γνωστό ότι η κατ εξοχήν πρόδρομη ουσία για τη σύνθεση της είναι η
D-γλυκόζη του αίματος
Σε πρώτη φάση μετατρέπεται στο μαστό ένα μέρος της D-γλυκόζης σε D-γαλακτόζη
Στη συνέχεια ένα μόριο D-γλυκόζης ενώνεται με ένα μόριο D-γαλοκτόζης και
δημιουργείται η λακτόζη
Αναλυτικότερα ο σχηματισμός της λακτόζης στο μαστό περιλαμβάνει τα εξής στάδια
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
4
οποία χρησιμοποιείται ως πρόσθετο σε διάφορα τρόφιμα (ικανότητα
γαλακτωματοποίσης-σταθεροποίησης γαλακτωμάτων αύξησης συγκράτησης νερού
σε γαλακτώματα-διαλύματα αύξηση συγκέντρωσης σε πρωτείνη κλπ) Επίσης το
πλήρες υγρό τυρόγαλα ή έπειτα από ξήρανση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ζωοτροφή
(κυρίως σε χοίρους) Στη χειρίστη περίπτωση απορρίπτεται ως έχει παράνομα σε
υδροφόρους ορίζοντες
Το αποπρωτεϊνομένο τυρόγαλα (μετά και την απομάκρυνση-αξιοποίηση των
οροπρωτεϊνών του) είναι το κύριο απόβλητο που παραμένει συνήθως αδιάθετο και
εξακολουθεί να περιέχει υψηλό ρυπαντικό φορτίο λόγο της υψηλής συγκέντρωσης
σακχάρων και κυρίως λακτόζης που περιέχει (~ 47-50 ) Αυτό το σάκχαρο μαζί
με άλατα και χαμηλού μοριακού βάρους αζωτούχες ενώσεις που μπορεί να περιέχει
το αποπρωτείνωμένο τυρόγαλο (πρωτεόζες-πεπτόνες-αμινοξέα) είναι ένα αρκετά
καλό υπόστρωμα ζύμωσης για μικροοργανισμούς που μπορούν να μεταβολίσουν τη
λακτόζη και να παράγουν με βιοτεχνολογικό τρόπο ουσίες υψηλής προστιθέμενης
αξίας μειώνοντας παράλληλα σημαντικά το COD-BOD του απομένοντος υγρού
αποβλήτου μετά το τέλος της ζύμωσης Η βιομάζα άλλωστε που καλλιεργείται για
την κάθε ζύμωση μπορεί έπειτα από αποστείρωση-ξήρανση να χρησιμοποιηθεί ως
μονοκυτταρική πρωτείνη και διατροφικό συμπλήρωμα για ζωοτροφές ή ανθρώπινη
διατροφή Αυτός είναι και ο βασικός στόχος της παρούσας εφαρμοσμένης έρευνας
και μελέτης
14 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση
141 Το τυρόγαλα Τυρόγαλα είναι το προϊόν το οποίο λαμβάνεται με τη χρήση
οξέων πυτιάς ή και φυσικοχημικών μεθόδων κατά την παραγωγή τυριών και
καζεΐνης (Κανονισμός 62530-3-1978 ΕΕ) Κατά την τυροκόμηση αγελαδινού
γάλακτος το 10-20 (ββ) των συνολικών συστατικών του γάλακτος μεταφέρεται
στο τυρί και το υπόλοιπο στο τυρόγαλα Τα ποσοστά αυτά ποικίλουν ανάλογα με το
είδος του τυριού που παρασκευάζεται και την τεχνολογία που εφαρμόζεται Ως γενική
προσέγγιση μπορούμε να πούμε ότι το τυρόγαλα είναι ιδιαίτερα πλούσιο σε λακτόζη
η οποία συνιστά το κύριο ρυπαντικό συστατικό του αποβλήτου ενώ περιέχει μεγάλη
ποικιλία ανόργανων και οργανικών ουσιών Στις αζωτούχες ενώσεις του
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
5
τυρογάλακτος κυριαρχούν οι αλβουμίνες και γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν
πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνιση του Πέρα αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-
πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων ουσιών Θα πρέπει να
τονιστεί επίσης ότι το τυρόγαλα έχει πλήθος αλάτων και βιταμινών Κατά την
τυροκόμιση του γάλακτος μεταφέρεται στο τυρόγαλα περίπου το 40-50 (ββ) των
στερεών συστατικών του γάλακτος και προκαλεί σημαντική ρύπανση όταν
απορρίπτεται στο περιβάλλον Σε πολλές χώρες απαγορεύεται η απόρριψη του στο
αποχετευτικό δίκτυο των πόλεων εάν πριν δεν έχει προηγηθεί κάποια επεξεργασία
μείωσης της οργανικής του ουσίας Σήμερα παράγονται περίπου 120 εκατομμύρια
τόνοι τυρογάλακτος σε όλο τον κόσμο (Peters 2006) Από την παραγωγή αυτή
αξιοποιείται μόνο το 55 περίπου Το υπόλοιπο απορρίπτεται ως απόβλητο
142 Σύσταση Τυρογάλακτος Το τυρόγαλα περιέχει μεγάλη ποικιλία στερεών
συστατικών η αναλογία των οποίων προσδιορίζεται κατά κύριο λόγο από τη
σύσταση του γάλακτος από το οποίο προέρχεται αλλά και από τις τεχνολογικές
επεμβάσεις που γίνονται κατά την διάρκεια της επεξεργασίας του Όλοι οι
παράγοντες που επηρεάζουν τη σύσταση του γάλακτος επηρεάζουν και αυτή του
τυρογάλακτος που λαμβάνεται από αυτό Επίσης η θερμική μεταχείριση του
γάλακτος πριν από την πήξη του ο τρόπος πήξης του - ένζυμα βιολογική οξίνιση
προσθήκη οξέων ο βαθμός διαίρεσης του πήγματος καθώς και ο τρόπος και η
θερμοκρασία αναθέρμανσης επηρεάζουν τη σύσταση του τυρογάλακτος Από τα
συστατικά του τυρογάλακτος το λίπος είναι δυνατόν να απομακρυνθεί εύκολα με
φυγοκέντρηση και να χρησιμοποιηθεί με διαφόρους τρόπους ενώ τα άλλα για να
παραληφθούν και να αξιοποιηθούν θα πρέπει αυτό να υποβληθεί σε ειδική κατά
περίπτωση επεξεργασία Κατά τη φυγοκέντρηση του τυρογάλακτος πέραν του
λίπους απομακρύνονται και μικρά τεμαχίδια πήγματος που περιέχει
Παραπλήσια σύσταση με αυτήν του αγελαδινού τυρογάλακτος έχει και το
αποκορυφωμένο τυρόγαλα από την παρασκευή διάφορων τύπων τυριών του
εξωτερικού με εξαίρεση το λίπος που αφαιρείται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
6
Χαρακτηριστικό των αζωτούχων ουσιών του τυρογάλακτος είναι ότι σε αυτές η
καζεΐνη υπάρχει σε ίχνη Δεσπόζουν στην περίπτωση αυτή οι αλβουμίνες και
γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνισή του Πέραν
αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων
ουσιών Δε μεταφέρονται όμως στο τυρόγαλα μόνον κύρια συστατικά του γάλακτος
αλλά και άλατα και βιταμίνες και μάλιστα σε σημαντικές ποσότητες
Ιδιαίτερα σημαντικό για το τυρόγαλα είναι ότι στη δομή των πρωτεϊνών του
συμμετέχουν όλα τα απαραίτητα αμινοξέα στην ενδεδειγμένη αναλογία και μεταξύ
τους σχέσεις για τη διατροφή του ανθρώπου γεγονός που τους προσδίδει εξαιρετική
βιολογική αξία Ενδεικτικές τιμές για τη θρεπτική αξία και σύσταση τυρογάλακτος
δίδονται στον Πίνακα 1
Πίνακας 1 Θρεπτική αξία και Σύσταση Τυρογάλακτος( Venetsaneas et al 2009
e s 1996)
Συστατικό Τιμή Βιβλιογραφία
Διαλύτες 06-08 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Πρωτεΐνες 8-10 wv
Λιπίδια 04-05 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Μεταλλικά άλατα 8-10 του ξηρού
εκχυλίσματος
Venetsaneas et al 2009
e s 1996
BOD5 30000-50000 ppm e so 1996
COD 60000-80000 ppm e s 1996
143 Η λακτόζη Η λακτόζη ή γαλακτοσάκχαρο είναι χαρακτηριστικός
υδατάνθρακας του γάλακτος ο μόνος που υπάρχει ελεύθερος και σε σημαντικές
ποσότητες To κανονικό γάλα περιέχει συνήθως 44 έως 52 και κατά μέσο όρο
48 λακτόζη που αντιπροσωπεύει το 50-52 των στερεών συστατικών του άπαχου
γάλακτος Στο γάλα της γυναίκας η λακτόζη απαντά σε μεγαλύτερη αναλογία
περίπου 7 Τα διάφορα είδη γάλακτος παρουσιάζουν πολλές φορές σημαντικές
διαφορές μεταξύ τους στην περιεκτικότητά τους σε λακτόζη Αν εξετάσουμε όμως τη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
7
σύσταση του γάλακτος των περισσοτέρων θηλαστικών διαπιστώνουμε ότι η λακτόζη
παρουσιάζει πάντοτε πολύ μικρότερη διακύμανση από ότι το λίπος και τα
λευκώματα πράγμα που οδηγεί στην άποψη ότι η ενζυματική διεργασία που αφορά
τη σύνθεση της λακτόζης είναι παρόμοια σε τελείως διαφορετικά είδη Από βιολογική
άποψη η λακτόζη χρησιμεύει στον οργανισμό ως πηγή ενέργειας πλην όμως για να
απορροφηθεί πρέπει πρώτα να διασπαστεί σε γλυκόζη και γαλακτόζη Σ αυτό βοηθά
το ένζυμο λακτάση που αφθονεί στο πεπτικό σύστημα των βρεφών Σήμερα έχει
διαπιστωθεί ότι η δράση της λακτάσης παρουσιάζεται αυξημένη κατά τις πρώτες
ημέρες μετά τη γέννηση πλην όμως ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου Ο
βαθμός ανοχής της λακτόζης του σιτηρεσίου από τα διάφορα είδη θηλαστικών μπορεί
να λεχθεί ότι είναι ανάλογος της περιεκτικότητας του γάλακτός τους στο σάκχαρο
αυτό Η παρουσία της λακτόζης στο γάλα και στα προϊόντα του παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον γιατί
α) Είναι πρωταρχικός παράγοντας στον έλεγχο των ζυμώσεων σε διάφορα
γαλακτοκομικά προϊόντα
β) Προσδίδει θρεπτική αξία στο γάλα και στα γαλακτοκομικά προϊόντα
γ) Η γεύση και η διαλυτότητα αποθηκευμένων γαλακτοκομικών προϊόντων
επηρεάζονται out αυτή
δ) Παίζει βασικό ρόλο στην εμφάνιση του χρώματος και της γεύσεως στα
υπερθερμασμένα γαλακτοκομικά προϊόντα
ε) Για τον άνθρωπο και αρκετά ζώα δεν αποτελεί μόνο πηγή ενέργειας αλλά
και πηγή γαλακτόζης που αποτελεί συστατικό των νευρικών ιστών
1431 Δομή της Λακτόζης Η λακτόζη είναι δισακχαρίτης που σχηματίζεται από
την ένωση ενός μορίου d-γλυκόζης και ενός μορίου d-γαλακτόζης κατά τρόπο ώστε
να μένει ελεύθερη μια αλδεϋδική ομάδα Σχηματίζεται από τη γλυκόζη του αίματος
και γι αυτό η περιεκτικότητα του τελευταίου στο σάκχαρο αυτό κατά τη διάρκεια της
γαλακτικής περιόδου είναι μικρότερη εκείνης της ξηράς περιόδου Κατά το άρμεγμα
παρατηρείται επίσης πτώση της γλυκόζης του αίματος που επανέρχεται όμως σε
κανονικό επίπεδο λίγο μετά το άρμεγμα Η λακτόζη υπάρχει σε δύο ισομερείς μορφές
την α και β που διακρίνονται μεταξύ τους από τη θέση του υδροξυλίου της γλυκόζης
(σχήμα 1)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
8
Σχήμα 1 Ισομερείς μορφές λακτόζης
Η λακτόζη απαντά στη φύση και στα γαλακτοκομικά προϊόντα είτε στις δύο
κρυσταλλικές μορφές α-ένυδρη και β-άνυδρη ή σαν άμορφη ιλυώδης μάζα που
είναι μίγμα α και β λακτόζης Κάτω από ειδικές συνθήκες λαμβάνονται και άλλες
μορφές που διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως σε ότι αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες
Η μορφή α-λακτόζης που απαντά σε συνήθεις θερμοκρασίες είναι η ενυδατωμένη με
ένα μόριο νερού mdash C12H22OMH2O H λακτόζη του εμπορίου είναι η μορφή αυτή και
λαμβάνεται από υπερκορεσμένα υδατικά διαλύματα λακτόζης με βραδεία
κρυστάλλωση σε θερμοκρασίες μικρότερες των 935 C Έχει σημείο τήξεως 2016deg
C Η α-άνυδρη λακτόζη σχηματίζει κρυστάλλους διαφόρων μορφών που
καθορίζονται από τις συνθήκες κρυσταλλώσεως Ο παράγοντας που κατά κύριο
λόγο ρυθμίζει τη μορφή των κρυστάλλων είναι ο λόγος μεταξύ της πραγματικής
συγκεντρώσεως προς τη διαλυτότητα Όταν είναι μεγάλος η κρυστάλλωση
προχωρεί γρήγορα και σχηματίζονται μόνο πρίσματα Όσο ο λόγος αυτός μειώνεται
τόσο η κρυστάλλωση γίνεται με βραδύτερο ρυθμό ενώ η μορφή των κρυστάλλων
αλλάζει Στη συνέχεια δίδονται οι διάφορες μορφές κρυστάλλων της α-ένυδρης
λακτόζης Οι Α Β και C λαμβάνονται όταν ο ρυθμός κρυσταλλώσεως είναι
γρήγορος ενώ οι Ε F και G όταν είναι βραδύς Ο κρύσταλλος Η δίδει την άλλη όψη
του G ενώ η μορφή D έχει σχήμα πυραμίδας που προκύπτει από την εξέλιξη του
κρυστάλλου C Η κρυστάλλωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα είναι συχνά πιο
πολύπλοκοo φαινόμενο Τα άλλα συστατικά του επηρεάζουν την κρυστάλλωση της
λακτόζης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ακανόνιστοι κρύσταλλοι που
διαφέρουν εκείνων που λαμβάνονται από καθαρά διαλύματά της σε ορισμένες
περιπτώσεις μάλιστα είναι δυνατό να παρεμποδίσουν το σχηματισμό πυρήνων
κρυσταλλώσεως και να καθυστερήσουν την κρυστάλλωση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
9
Οι κρύσταλλοι της α-ένυδρης λακτόζης είναι σκληροί και δυσκολοδιάλυτοι (σχήμα
2)
Σχήμα 2 Κρυσταλλικές μορφές λακτόζης
1432 Βιοσύνθεση της Λακτόζης Κατά την υδρόλυσή της η λακτόζη δίδει ένα
μόριο γλυκόζης και ένα μόριο γαλακτόζης Ο τρόπος συνθέσεως της λακτόζης στο
μαστό των ζώων έχει κατά καιρούς απασχολήσει ερευνητές διαφόρων χωρών
Σήμερα είναι γνωστό ότι η κατ εξοχήν πρόδρομη ουσία για τη σύνθεση της είναι η
D-γλυκόζη του αίματος
Σε πρώτη φάση μετατρέπεται στο μαστό ένα μέρος της D-γλυκόζης σε D-γαλακτόζη
Στη συνέχεια ένα μόριο D-γλυκόζης ενώνεται με ένα μόριο D-γαλοκτόζης και
δημιουργείται η λακτόζη
Αναλυτικότερα ο σχηματισμός της λακτόζης στο μαστό περιλαμβάνει τα εξής στάδια
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
5
τυρογάλακτος κυριαρχούν οι αλβουμίνες και γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν
πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνιση του Πέρα αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-
πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων ουσιών Θα πρέπει να
τονιστεί επίσης ότι το τυρόγαλα έχει πλήθος αλάτων και βιταμινών Κατά την
τυροκόμιση του γάλακτος μεταφέρεται στο τυρόγαλα περίπου το 40-50 (ββ) των
στερεών συστατικών του γάλακτος και προκαλεί σημαντική ρύπανση όταν
απορρίπτεται στο περιβάλλον Σε πολλές χώρες απαγορεύεται η απόρριψη του στο
αποχετευτικό δίκτυο των πόλεων εάν πριν δεν έχει προηγηθεί κάποια επεξεργασία
μείωσης της οργανικής του ουσίας Σήμερα παράγονται περίπου 120 εκατομμύρια
τόνοι τυρογάλακτος σε όλο τον κόσμο (Peters 2006) Από την παραγωγή αυτή
αξιοποιείται μόνο το 55 περίπου Το υπόλοιπο απορρίπτεται ως απόβλητο
142 Σύσταση Τυρογάλακτος Το τυρόγαλα περιέχει μεγάλη ποικιλία στερεών
συστατικών η αναλογία των οποίων προσδιορίζεται κατά κύριο λόγο από τη
σύσταση του γάλακτος από το οποίο προέρχεται αλλά και από τις τεχνολογικές
επεμβάσεις που γίνονται κατά την διάρκεια της επεξεργασίας του Όλοι οι
παράγοντες που επηρεάζουν τη σύσταση του γάλακτος επηρεάζουν και αυτή του
τυρογάλακτος που λαμβάνεται από αυτό Επίσης η θερμική μεταχείριση του
γάλακτος πριν από την πήξη του ο τρόπος πήξης του - ένζυμα βιολογική οξίνιση
προσθήκη οξέων ο βαθμός διαίρεσης του πήγματος καθώς και ο τρόπος και η
θερμοκρασία αναθέρμανσης επηρεάζουν τη σύσταση του τυρογάλακτος Από τα
συστατικά του τυρογάλακτος το λίπος είναι δυνατόν να απομακρυνθεί εύκολα με
φυγοκέντρηση και να χρησιμοποιηθεί με διαφόρους τρόπους ενώ τα άλλα για να
παραληφθούν και να αξιοποιηθούν θα πρέπει αυτό να υποβληθεί σε ειδική κατά
περίπτωση επεξεργασία Κατά τη φυγοκέντρηση του τυρογάλακτος πέραν του
λίπους απομακρύνονται και μικρά τεμαχίδια πήγματος που περιέχει
Παραπλήσια σύσταση με αυτήν του αγελαδινού τυρογάλακτος έχει και το
αποκορυφωμένο τυρόγαλα από την παρασκευή διάφορων τύπων τυριών του
εξωτερικού με εξαίρεση το λίπος που αφαιρείται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
6
Χαρακτηριστικό των αζωτούχων ουσιών του τυρογάλακτος είναι ότι σε αυτές η
καζεΐνη υπάρχει σε ίχνη Δεσπόζουν στην περίπτωση αυτή οι αλβουμίνες και
γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνισή του Πέραν
αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων
ουσιών Δε μεταφέρονται όμως στο τυρόγαλα μόνον κύρια συστατικά του γάλακτος
αλλά και άλατα και βιταμίνες και μάλιστα σε σημαντικές ποσότητες
Ιδιαίτερα σημαντικό για το τυρόγαλα είναι ότι στη δομή των πρωτεϊνών του
συμμετέχουν όλα τα απαραίτητα αμινοξέα στην ενδεδειγμένη αναλογία και μεταξύ
τους σχέσεις για τη διατροφή του ανθρώπου γεγονός που τους προσδίδει εξαιρετική
βιολογική αξία Ενδεικτικές τιμές για τη θρεπτική αξία και σύσταση τυρογάλακτος
δίδονται στον Πίνακα 1
Πίνακας 1 Θρεπτική αξία και Σύσταση Τυρογάλακτος( Venetsaneas et al 2009
e s 1996)
Συστατικό Τιμή Βιβλιογραφία
Διαλύτες 06-08 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Πρωτεΐνες 8-10 wv
Λιπίδια 04-05 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Μεταλλικά άλατα 8-10 του ξηρού
εκχυλίσματος
Venetsaneas et al 2009
e s 1996
BOD5 30000-50000 ppm e so 1996
COD 60000-80000 ppm e s 1996
143 Η λακτόζη Η λακτόζη ή γαλακτοσάκχαρο είναι χαρακτηριστικός
υδατάνθρακας του γάλακτος ο μόνος που υπάρχει ελεύθερος και σε σημαντικές
ποσότητες To κανονικό γάλα περιέχει συνήθως 44 έως 52 και κατά μέσο όρο
48 λακτόζη που αντιπροσωπεύει το 50-52 των στερεών συστατικών του άπαχου
γάλακτος Στο γάλα της γυναίκας η λακτόζη απαντά σε μεγαλύτερη αναλογία
περίπου 7 Τα διάφορα είδη γάλακτος παρουσιάζουν πολλές φορές σημαντικές
διαφορές μεταξύ τους στην περιεκτικότητά τους σε λακτόζη Αν εξετάσουμε όμως τη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
7
σύσταση του γάλακτος των περισσοτέρων θηλαστικών διαπιστώνουμε ότι η λακτόζη
παρουσιάζει πάντοτε πολύ μικρότερη διακύμανση από ότι το λίπος και τα
λευκώματα πράγμα που οδηγεί στην άποψη ότι η ενζυματική διεργασία που αφορά
τη σύνθεση της λακτόζης είναι παρόμοια σε τελείως διαφορετικά είδη Από βιολογική
άποψη η λακτόζη χρησιμεύει στον οργανισμό ως πηγή ενέργειας πλην όμως για να
απορροφηθεί πρέπει πρώτα να διασπαστεί σε γλυκόζη και γαλακτόζη Σ αυτό βοηθά
το ένζυμο λακτάση που αφθονεί στο πεπτικό σύστημα των βρεφών Σήμερα έχει
διαπιστωθεί ότι η δράση της λακτάσης παρουσιάζεται αυξημένη κατά τις πρώτες
ημέρες μετά τη γέννηση πλην όμως ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου Ο
βαθμός ανοχής της λακτόζης του σιτηρεσίου από τα διάφορα είδη θηλαστικών μπορεί
να λεχθεί ότι είναι ανάλογος της περιεκτικότητας του γάλακτός τους στο σάκχαρο
αυτό Η παρουσία της λακτόζης στο γάλα και στα προϊόντα του παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον γιατί
α) Είναι πρωταρχικός παράγοντας στον έλεγχο των ζυμώσεων σε διάφορα
γαλακτοκομικά προϊόντα
β) Προσδίδει θρεπτική αξία στο γάλα και στα γαλακτοκομικά προϊόντα
γ) Η γεύση και η διαλυτότητα αποθηκευμένων γαλακτοκομικών προϊόντων
επηρεάζονται out αυτή
δ) Παίζει βασικό ρόλο στην εμφάνιση του χρώματος και της γεύσεως στα
υπερθερμασμένα γαλακτοκομικά προϊόντα
ε) Για τον άνθρωπο και αρκετά ζώα δεν αποτελεί μόνο πηγή ενέργειας αλλά
και πηγή γαλακτόζης που αποτελεί συστατικό των νευρικών ιστών
1431 Δομή της Λακτόζης Η λακτόζη είναι δισακχαρίτης που σχηματίζεται από
την ένωση ενός μορίου d-γλυκόζης και ενός μορίου d-γαλακτόζης κατά τρόπο ώστε
να μένει ελεύθερη μια αλδεϋδική ομάδα Σχηματίζεται από τη γλυκόζη του αίματος
και γι αυτό η περιεκτικότητα του τελευταίου στο σάκχαρο αυτό κατά τη διάρκεια της
γαλακτικής περιόδου είναι μικρότερη εκείνης της ξηράς περιόδου Κατά το άρμεγμα
παρατηρείται επίσης πτώση της γλυκόζης του αίματος που επανέρχεται όμως σε
κανονικό επίπεδο λίγο μετά το άρμεγμα Η λακτόζη υπάρχει σε δύο ισομερείς μορφές
την α και β που διακρίνονται μεταξύ τους από τη θέση του υδροξυλίου της γλυκόζης
(σχήμα 1)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
8
Σχήμα 1 Ισομερείς μορφές λακτόζης
Η λακτόζη απαντά στη φύση και στα γαλακτοκομικά προϊόντα είτε στις δύο
κρυσταλλικές μορφές α-ένυδρη και β-άνυδρη ή σαν άμορφη ιλυώδης μάζα που
είναι μίγμα α και β λακτόζης Κάτω από ειδικές συνθήκες λαμβάνονται και άλλες
μορφές που διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως σε ότι αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες
Η μορφή α-λακτόζης που απαντά σε συνήθεις θερμοκρασίες είναι η ενυδατωμένη με
ένα μόριο νερού mdash C12H22OMH2O H λακτόζη του εμπορίου είναι η μορφή αυτή και
λαμβάνεται από υπερκορεσμένα υδατικά διαλύματα λακτόζης με βραδεία
κρυστάλλωση σε θερμοκρασίες μικρότερες των 935 C Έχει σημείο τήξεως 2016deg
C Η α-άνυδρη λακτόζη σχηματίζει κρυστάλλους διαφόρων μορφών που
καθορίζονται από τις συνθήκες κρυσταλλώσεως Ο παράγοντας που κατά κύριο
λόγο ρυθμίζει τη μορφή των κρυστάλλων είναι ο λόγος μεταξύ της πραγματικής
συγκεντρώσεως προς τη διαλυτότητα Όταν είναι μεγάλος η κρυστάλλωση
προχωρεί γρήγορα και σχηματίζονται μόνο πρίσματα Όσο ο λόγος αυτός μειώνεται
τόσο η κρυστάλλωση γίνεται με βραδύτερο ρυθμό ενώ η μορφή των κρυστάλλων
αλλάζει Στη συνέχεια δίδονται οι διάφορες μορφές κρυστάλλων της α-ένυδρης
λακτόζης Οι Α Β και C λαμβάνονται όταν ο ρυθμός κρυσταλλώσεως είναι
γρήγορος ενώ οι Ε F και G όταν είναι βραδύς Ο κρύσταλλος Η δίδει την άλλη όψη
του G ενώ η μορφή D έχει σχήμα πυραμίδας που προκύπτει από την εξέλιξη του
κρυστάλλου C Η κρυστάλλωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα είναι συχνά πιο
πολύπλοκοo φαινόμενο Τα άλλα συστατικά του επηρεάζουν την κρυστάλλωση της
λακτόζης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ακανόνιστοι κρύσταλλοι που
διαφέρουν εκείνων που λαμβάνονται από καθαρά διαλύματά της σε ορισμένες
περιπτώσεις μάλιστα είναι δυνατό να παρεμποδίσουν το σχηματισμό πυρήνων
κρυσταλλώσεως και να καθυστερήσουν την κρυστάλλωση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
9
Οι κρύσταλλοι της α-ένυδρης λακτόζης είναι σκληροί και δυσκολοδιάλυτοι (σχήμα
2)
Σχήμα 2 Κρυσταλλικές μορφές λακτόζης
1432 Βιοσύνθεση της Λακτόζης Κατά την υδρόλυσή της η λακτόζη δίδει ένα
μόριο γλυκόζης και ένα μόριο γαλακτόζης Ο τρόπος συνθέσεως της λακτόζης στο
μαστό των ζώων έχει κατά καιρούς απασχολήσει ερευνητές διαφόρων χωρών
Σήμερα είναι γνωστό ότι η κατ εξοχήν πρόδρομη ουσία για τη σύνθεση της είναι η
D-γλυκόζη του αίματος
Σε πρώτη φάση μετατρέπεται στο μαστό ένα μέρος της D-γλυκόζης σε D-γαλακτόζη
Στη συνέχεια ένα μόριο D-γλυκόζης ενώνεται με ένα μόριο D-γαλοκτόζης και
δημιουργείται η λακτόζη
Αναλυτικότερα ο σχηματισμός της λακτόζης στο μαστό περιλαμβάνει τα εξής στάδια
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
6
Χαρακτηριστικό των αζωτούχων ουσιών του τυρογάλακτος είναι ότι σε αυτές η
καζεΐνη υπάρχει σε ίχνη Δεσπόζουν στην περίπτωση αυτή οι αλβουμίνες και
γλοβουλίνες του γάλακτος που δεν πήζουν με την πυτιά ή με την οξίνισή του Πέραν
αυτών υπάρχουν πρωτεόζες-πεπτόνες και πλήθος άλλων υδατοδιαλυτών αζωτούχων
ουσιών Δε μεταφέρονται όμως στο τυρόγαλα μόνον κύρια συστατικά του γάλακτος
αλλά και άλατα και βιταμίνες και μάλιστα σε σημαντικές ποσότητες
Ιδιαίτερα σημαντικό για το τυρόγαλα είναι ότι στη δομή των πρωτεϊνών του
συμμετέχουν όλα τα απαραίτητα αμινοξέα στην ενδεδειγμένη αναλογία και μεταξύ
τους σχέσεις για τη διατροφή του ανθρώπου γεγονός που τους προσδίδει εξαιρετική
βιολογική αξία Ενδεικτικές τιμές για τη θρεπτική αξία και σύσταση τυρογάλακτος
δίδονται στον Πίνακα 1
Πίνακας 1 Θρεπτική αξία και Σύσταση Τυρογάλακτος( Venetsaneas et al 2009
e s 1996)
Συστατικό Τιμή Βιβλιογραφία
Διαλύτες 06-08 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Πρωτεΐνες 8-10 wv
Λιπίδια 04-05 wv Venetsaneas et al 2009
e s 1996
Μεταλλικά άλατα 8-10 του ξηρού
εκχυλίσματος
Venetsaneas et al 2009
e s 1996
BOD5 30000-50000 ppm e so 1996
COD 60000-80000 ppm e s 1996
143 Η λακτόζη Η λακτόζη ή γαλακτοσάκχαρο είναι χαρακτηριστικός
υδατάνθρακας του γάλακτος ο μόνος που υπάρχει ελεύθερος και σε σημαντικές
ποσότητες To κανονικό γάλα περιέχει συνήθως 44 έως 52 και κατά μέσο όρο
48 λακτόζη που αντιπροσωπεύει το 50-52 των στερεών συστατικών του άπαχου
γάλακτος Στο γάλα της γυναίκας η λακτόζη απαντά σε μεγαλύτερη αναλογία
περίπου 7 Τα διάφορα είδη γάλακτος παρουσιάζουν πολλές φορές σημαντικές
διαφορές μεταξύ τους στην περιεκτικότητά τους σε λακτόζη Αν εξετάσουμε όμως τη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
7
σύσταση του γάλακτος των περισσοτέρων θηλαστικών διαπιστώνουμε ότι η λακτόζη
παρουσιάζει πάντοτε πολύ μικρότερη διακύμανση από ότι το λίπος και τα
λευκώματα πράγμα που οδηγεί στην άποψη ότι η ενζυματική διεργασία που αφορά
τη σύνθεση της λακτόζης είναι παρόμοια σε τελείως διαφορετικά είδη Από βιολογική
άποψη η λακτόζη χρησιμεύει στον οργανισμό ως πηγή ενέργειας πλην όμως για να
απορροφηθεί πρέπει πρώτα να διασπαστεί σε γλυκόζη και γαλακτόζη Σ αυτό βοηθά
το ένζυμο λακτάση που αφθονεί στο πεπτικό σύστημα των βρεφών Σήμερα έχει
διαπιστωθεί ότι η δράση της λακτάσης παρουσιάζεται αυξημένη κατά τις πρώτες
ημέρες μετά τη γέννηση πλην όμως ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου Ο
βαθμός ανοχής της λακτόζης του σιτηρεσίου από τα διάφορα είδη θηλαστικών μπορεί
να λεχθεί ότι είναι ανάλογος της περιεκτικότητας του γάλακτός τους στο σάκχαρο
αυτό Η παρουσία της λακτόζης στο γάλα και στα προϊόντα του παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον γιατί
α) Είναι πρωταρχικός παράγοντας στον έλεγχο των ζυμώσεων σε διάφορα
γαλακτοκομικά προϊόντα
β) Προσδίδει θρεπτική αξία στο γάλα και στα γαλακτοκομικά προϊόντα
γ) Η γεύση και η διαλυτότητα αποθηκευμένων γαλακτοκομικών προϊόντων
επηρεάζονται out αυτή
δ) Παίζει βασικό ρόλο στην εμφάνιση του χρώματος και της γεύσεως στα
υπερθερμασμένα γαλακτοκομικά προϊόντα
ε) Για τον άνθρωπο και αρκετά ζώα δεν αποτελεί μόνο πηγή ενέργειας αλλά
και πηγή γαλακτόζης που αποτελεί συστατικό των νευρικών ιστών
1431 Δομή της Λακτόζης Η λακτόζη είναι δισακχαρίτης που σχηματίζεται από
την ένωση ενός μορίου d-γλυκόζης και ενός μορίου d-γαλακτόζης κατά τρόπο ώστε
να μένει ελεύθερη μια αλδεϋδική ομάδα Σχηματίζεται από τη γλυκόζη του αίματος
και γι αυτό η περιεκτικότητα του τελευταίου στο σάκχαρο αυτό κατά τη διάρκεια της
γαλακτικής περιόδου είναι μικρότερη εκείνης της ξηράς περιόδου Κατά το άρμεγμα
παρατηρείται επίσης πτώση της γλυκόζης του αίματος που επανέρχεται όμως σε
κανονικό επίπεδο λίγο μετά το άρμεγμα Η λακτόζη υπάρχει σε δύο ισομερείς μορφές
την α και β που διακρίνονται μεταξύ τους από τη θέση του υδροξυλίου της γλυκόζης
(σχήμα 1)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
8
Σχήμα 1 Ισομερείς μορφές λακτόζης
Η λακτόζη απαντά στη φύση και στα γαλακτοκομικά προϊόντα είτε στις δύο
κρυσταλλικές μορφές α-ένυδρη και β-άνυδρη ή σαν άμορφη ιλυώδης μάζα που
είναι μίγμα α και β λακτόζης Κάτω από ειδικές συνθήκες λαμβάνονται και άλλες
μορφές που διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως σε ότι αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες
Η μορφή α-λακτόζης που απαντά σε συνήθεις θερμοκρασίες είναι η ενυδατωμένη με
ένα μόριο νερού mdash C12H22OMH2O H λακτόζη του εμπορίου είναι η μορφή αυτή και
λαμβάνεται από υπερκορεσμένα υδατικά διαλύματα λακτόζης με βραδεία
κρυστάλλωση σε θερμοκρασίες μικρότερες των 935 C Έχει σημείο τήξεως 2016deg
C Η α-άνυδρη λακτόζη σχηματίζει κρυστάλλους διαφόρων μορφών που
καθορίζονται από τις συνθήκες κρυσταλλώσεως Ο παράγοντας που κατά κύριο
λόγο ρυθμίζει τη μορφή των κρυστάλλων είναι ο λόγος μεταξύ της πραγματικής
συγκεντρώσεως προς τη διαλυτότητα Όταν είναι μεγάλος η κρυστάλλωση
προχωρεί γρήγορα και σχηματίζονται μόνο πρίσματα Όσο ο λόγος αυτός μειώνεται
τόσο η κρυστάλλωση γίνεται με βραδύτερο ρυθμό ενώ η μορφή των κρυστάλλων
αλλάζει Στη συνέχεια δίδονται οι διάφορες μορφές κρυστάλλων της α-ένυδρης
λακτόζης Οι Α Β και C λαμβάνονται όταν ο ρυθμός κρυσταλλώσεως είναι
γρήγορος ενώ οι Ε F και G όταν είναι βραδύς Ο κρύσταλλος Η δίδει την άλλη όψη
του G ενώ η μορφή D έχει σχήμα πυραμίδας που προκύπτει από την εξέλιξη του
κρυστάλλου C Η κρυστάλλωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα είναι συχνά πιο
πολύπλοκοo φαινόμενο Τα άλλα συστατικά του επηρεάζουν την κρυστάλλωση της
λακτόζης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ακανόνιστοι κρύσταλλοι που
διαφέρουν εκείνων που λαμβάνονται από καθαρά διαλύματά της σε ορισμένες
περιπτώσεις μάλιστα είναι δυνατό να παρεμποδίσουν το σχηματισμό πυρήνων
κρυσταλλώσεως και να καθυστερήσουν την κρυστάλλωση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
9
Οι κρύσταλλοι της α-ένυδρης λακτόζης είναι σκληροί και δυσκολοδιάλυτοι (σχήμα
2)
Σχήμα 2 Κρυσταλλικές μορφές λακτόζης
1432 Βιοσύνθεση της Λακτόζης Κατά την υδρόλυσή της η λακτόζη δίδει ένα
μόριο γλυκόζης και ένα μόριο γαλακτόζης Ο τρόπος συνθέσεως της λακτόζης στο
μαστό των ζώων έχει κατά καιρούς απασχολήσει ερευνητές διαφόρων χωρών
Σήμερα είναι γνωστό ότι η κατ εξοχήν πρόδρομη ουσία για τη σύνθεση της είναι η
D-γλυκόζη του αίματος
Σε πρώτη φάση μετατρέπεται στο μαστό ένα μέρος της D-γλυκόζης σε D-γαλακτόζη
Στη συνέχεια ένα μόριο D-γλυκόζης ενώνεται με ένα μόριο D-γαλοκτόζης και
δημιουργείται η λακτόζη
Αναλυτικότερα ο σχηματισμός της λακτόζης στο μαστό περιλαμβάνει τα εξής στάδια
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
7
σύσταση του γάλακτος των περισσοτέρων θηλαστικών διαπιστώνουμε ότι η λακτόζη
παρουσιάζει πάντοτε πολύ μικρότερη διακύμανση από ότι το λίπος και τα
λευκώματα πράγμα που οδηγεί στην άποψη ότι η ενζυματική διεργασία που αφορά
τη σύνθεση της λακτόζης είναι παρόμοια σε τελείως διαφορετικά είδη Από βιολογική
άποψη η λακτόζη χρησιμεύει στον οργανισμό ως πηγή ενέργειας πλην όμως για να
απορροφηθεί πρέπει πρώτα να διασπαστεί σε γλυκόζη και γαλακτόζη Σ αυτό βοηθά
το ένζυμο λακτάση που αφθονεί στο πεπτικό σύστημα των βρεφών Σήμερα έχει
διαπιστωθεί ότι η δράση της λακτάσης παρουσιάζεται αυξημένη κατά τις πρώτες
ημέρες μετά τη γέννηση πλην όμως ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου Ο
βαθμός ανοχής της λακτόζης του σιτηρεσίου από τα διάφορα είδη θηλαστικών μπορεί
να λεχθεί ότι είναι ανάλογος της περιεκτικότητας του γάλακτός τους στο σάκχαρο
αυτό Η παρουσία της λακτόζης στο γάλα και στα προϊόντα του παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον γιατί
α) Είναι πρωταρχικός παράγοντας στον έλεγχο των ζυμώσεων σε διάφορα
γαλακτοκομικά προϊόντα
β) Προσδίδει θρεπτική αξία στο γάλα και στα γαλακτοκομικά προϊόντα
γ) Η γεύση και η διαλυτότητα αποθηκευμένων γαλακτοκομικών προϊόντων
επηρεάζονται out αυτή
δ) Παίζει βασικό ρόλο στην εμφάνιση του χρώματος και της γεύσεως στα
υπερθερμασμένα γαλακτοκομικά προϊόντα
ε) Για τον άνθρωπο και αρκετά ζώα δεν αποτελεί μόνο πηγή ενέργειας αλλά
και πηγή γαλακτόζης που αποτελεί συστατικό των νευρικών ιστών
1431 Δομή της Λακτόζης Η λακτόζη είναι δισακχαρίτης που σχηματίζεται από
την ένωση ενός μορίου d-γλυκόζης και ενός μορίου d-γαλακτόζης κατά τρόπο ώστε
να μένει ελεύθερη μια αλδεϋδική ομάδα Σχηματίζεται από τη γλυκόζη του αίματος
και γι αυτό η περιεκτικότητα του τελευταίου στο σάκχαρο αυτό κατά τη διάρκεια της
γαλακτικής περιόδου είναι μικρότερη εκείνης της ξηράς περιόδου Κατά το άρμεγμα
παρατηρείται επίσης πτώση της γλυκόζης του αίματος που επανέρχεται όμως σε
κανονικό επίπεδο λίγο μετά το άρμεγμα Η λακτόζη υπάρχει σε δύο ισομερείς μορφές
την α και β που διακρίνονται μεταξύ τους από τη θέση του υδροξυλίου της γλυκόζης
(σχήμα 1)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
8
Σχήμα 1 Ισομερείς μορφές λακτόζης
Η λακτόζη απαντά στη φύση και στα γαλακτοκομικά προϊόντα είτε στις δύο
κρυσταλλικές μορφές α-ένυδρη και β-άνυδρη ή σαν άμορφη ιλυώδης μάζα που
είναι μίγμα α και β λακτόζης Κάτω από ειδικές συνθήκες λαμβάνονται και άλλες
μορφές που διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως σε ότι αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες
Η μορφή α-λακτόζης που απαντά σε συνήθεις θερμοκρασίες είναι η ενυδατωμένη με
ένα μόριο νερού mdash C12H22OMH2O H λακτόζη του εμπορίου είναι η μορφή αυτή και
λαμβάνεται από υπερκορεσμένα υδατικά διαλύματα λακτόζης με βραδεία
κρυστάλλωση σε θερμοκρασίες μικρότερες των 935 C Έχει σημείο τήξεως 2016deg
C Η α-άνυδρη λακτόζη σχηματίζει κρυστάλλους διαφόρων μορφών που
καθορίζονται από τις συνθήκες κρυσταλλώσεως Ο παράγοντας που κατά κύριο
λόγο ρυθμίζει τη μορφή των κρυστάλλων είναι ο λόγος μεταξύ της πραγματικής
συγκεντρώσεως προς τη διαλυτότητα Όταν είναι μεγάλος η κρυστάλλωση
προχωρεί γρήγορα και σχηματίζονται μόνο πρίσματα Όσο ο λόγος αυτός μειώνεται
τόσο η κρυστάλλωση γίνεται με βραδύτερο ρυθμό ενώ η μορφή των κρυστάλλων
αλλάζει Στη συνέχεια δίδονται οι διάφορες μορφές κρυστάλλων της α-ένυδρης
λακτόζης Οι Α Β και C λαμβάνονται όταν ο ρυθμός κρυσταλλώσεως είναι
γρήγορος ενώ οι Ε F και G όταν είναι βραδύς Ο κρύσταλλος Η δίδει την άλλη όψη
του G ενώ η μορφή D έχει σχήμα πυραμίδας που προκύπτει από την εξέλιξη του
κρυστάλλου C Η κρυστάλλωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα είναι συχνά πιο
πολύπλοκοo φαινόμενο Τα άλλα συστατικά του επηρεάζουν την κρυστάλλωση της
λακτόζης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ακανόνιστοι κρύσταλλοι που
διαφέρουν εκείνων που λαμβάνονται από καθαρά διαλύματά της σε ορισμένες
περιπτώσεις μάλιστα είναι δυνατό να παρεμποδίσουν το σχηματισμό πυρήνων
κρυσταλλώσεως και να καθυστερήσουν την κρυστάλλωση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
9
Οι κρύσταλλοι της α-ένυδρης λακτόζης είναι σκληροί και δυσκολοδιάλυτοι (σχήμα
2)
Σχήμα 2 Κρυσταλλικές μορφές λακτόζης
1432 Βιοσύνθεση της Λακτόζης Κατά την υδρόλυσή της η λακτόζη δίδει ένα
μόριο γλυκόζης και ένα μόριο γαλακτόζης Ο τρόπος συνθέσεως της λακτόζης στο
μαστό των ζώων έχει κατά καιρούς απασχολήσει ερευνητές διαφόρων χωρών
Σήμερα είναι γνωστό ότι η κατ εξοχήν πρόδρομη ουσία για τη σύνθεση της είναι η
D-γλυκόζη του αίματος
Σε πρώτη φάση μετατρέπεται στο μαστό ένα μέρος της D-γλυκόζης σε D-γαλακτόζη
Στη συνέχεια ένα μόριο D-γλυκόζης ενώνεται με ένα μόριο D-γαλοκτόζης και
δημιουργείται η λακτόζη
Αναλυτικότερα ο σχηματισμός της λακτόζης στο μαστό περιλαμβάνει τα εξής στάδια
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
8
Σχήμα 1 Ισομερείς μορφές λακτόζης
Η λακτόζη απαντά στη φύση και στα γαλακτοκομικά προϊόντα είτε στις δύο
κρυσταλλικές μορφές α-ένυδρη και β-άνυδρη ή σαν άμορφη ιλυώδης μάζα που
είναι μίγμα α και β λακτόζης Κάτω από ειδικές συνθήκες λαμβάνονται και άλλες
μορφές που διαφέρουν μεταξύ τους κυρίως σε ότι αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες
Η μορφή α-λακτόζης που απαντά σε συνήθεις θερμοκρασίες είναι η ενυδατωμένη με
ένα μόριο νερού mdash C12H22OMH2O H λακτόζη του εμπορίου είναι η μορφή αυτή και
λαμβάνεται από υπερκορεσμένα υδατικά διαλύματα λακτόζης με βραδεία
κρυστάλλωση σε θερμοκρασίες μικρότερες των 935 C Έχει σημείο τήξεως 2016deg
C Η α-άνυδρη λακτόζη σχηματίζει κρυστάλλους διαφόρων μορφών που
καθορίζονται από τις συνθήκες κρυσταλλώσεως Ο παράγοντας που κατά κύριο
λόγο ρυθμίζει τη μορφή των κρυστάλλων είναι ο λόγος μεταξύ της πραγματικής
συγκεντρώσεως προς τη διαλυτότητα Όταν είναι μεγάλος η κρυστάλλωση
προχωρεί γρήγορα και σχηματίζονται μόνο πρίσματα Όσο ο λόγος αυτός μειώνεται
τόσο η κρυστάλλωση γίνεται με βραδύτερο ρυθμό ενώ η μορφή των κρυστάλλων
αλλάζει Στη συνέχεια δίδονται οι διάφορες μορφές κρυστάλλων της α-ένυδρης
λακτόζης Οι Α Β και C λαμβάνονται όταν ο ρυθμός κρυσταλλώσεως είναι
γρήγορος ενώ οι Ε F και G όταν είναι βραδύς Ο κρύσταλλος Η δίδει την άλλη όψη
του G ενώ η μορφή D έχει σχήμα πυραμίδας που προκύπτει από την εξέλιξη του
κρυστάλλου C Η κρυστάλλωση στα γαλακτοκομικά προϊόντα είναι συχνά πιο
πολύπλοκοo φαινόμενο Τα άλλα συστατικά του επηρεάζουν την κρυστάλλωση της
λακτόζης με αποτέλεσμα να δημιουργούνται ακανόνιστοι κρύσταλλοι που
διαφέρουν εκείνων που λαμβάνονται από καθαρά διαλύματά της σε ορισμένες
περιπτώσεις μάλιστα είναι δυνατό να παρεμποδίσουν το σχηματισμό πυρήνων
κρυσταλλώσεως και να καθυστερήσουν την κρυστάλλωση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
9
Οι κρύσταλλοι της α-ένυδρης λακτόζης είναι σκληροί και δυσκολοδιάλυτοι (σχήμα
2)
Σχήμα 2 Κρυσταλλικές μορφές λακτόζης
1432 Βιοσύνθεση της Λακτόζης Κατά την υδρόλυσή της η λακτόζη δίδει ένα
μόριο γλυκόζης και ένα μόριο γαλακτόζης Ο τρόπος συνθέσεως της λακτόζης στο
μαστό των ζώων έχει κατά καιρούς απασχολήσει ερευνητές διαφόρων χωρών
Σήμερα είναι γνωστό ότι η κατ εξοχήν πρόδρομη ουσία για τη σύνθεση της είναι η
D-γλυκόζη του αίματος
Σε πρώτη φάση μετατρέπεται στο μαστό ένα μέρος της D-γλυκόζης σε D-γαλακτόζη
Στη συνέχεια ένα μόριο D-γλυκόζης ενώνεται με ένα μόριο D-γαλοκτόζης και
δημιουργείται η λακτόζη
Αναλυτικότερα ο σχηματισμός της λακτόζης στο μαστό περιλαμβάνει τα εξής στάδια
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
9
Οι κρύσταλλοι της α-ένυδρης λακτόζης είναι σκληροί και δυσκολοδιάλυτοι (σχήμα
2)
Σχήμα 2 Κρυσταλλικές μορφές λακτόζης
1432 Βιοσύνθεση της Λακτόζης Κατά την υδρόλυσή της η λακτόζη δίδει ένα
μόριο γλυκόζης και ένα μόριο γαλακτόζης Ο τρόπος συνθέσεως της λακτόζης στο
μαστό των ζώων έχει κατά καιρούς απασχολήσει ερευνητές διαφόρων χωρών
Σήμερα είναι γνωστό ότι η κατ εξοχήν πρόδρομη ουσία για τη σύνθεση της είναι η
D-γλυκόζη του αίματος
Σε πρώτη φάση μετατρέπεται στο μαστό ένα μέρος της D-γλυκόζης σε D-γαλακτόζη
Στη συνέχεια ένα μόριο D-γλυκόζης ενώνεται με ένα μόριο D-γαλοκτόζης και
δημιουργείται η λακτόζη
Αναλυτικότερα ο σχηματισμός της λακτόζης στο μαστό περιλαμβάνει τα εξής στάδια
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
10
Από τα ένζυμα που συμμετέχουν στο σχηματισμό της λακτόζης η συνθετάση της
λακτόζης (UDP mdash γαλακτόζη mdash d mdash γλυκόζη I mdash γαλακτοζυλοτρανφεράση)
απαντά μόνο στο μαστό ενώ τα άλλα ανευρίσκονται και σε άλλα σημεία του
σώματος των ζώων όπου λαμβάνουν μέρος σε διάφορους μεταβολικούς κύκλους
Διαπιστώθηκε ότι η συνθετάση της λακτόζης αποτελείται από δύο πρωτεΐνες που
ονομάστηκαν Α και Β To τμήμα Β του ενζύμου βρέθηκε ότι είναι ταυτόσημο με την
α-γαλακταλβουμίνη που είναι προϊόν της συνθετικής δραστηριότητας των
γαλακτικών κυττάρων και απαντά μόνο στο μαστό ενώ το Α υπάρχει σε διάφορους
ιστούς και μόνο του καταλύει διαφορετική αντίδραση
1433 Ισορροπία λακτόζης σε διάλυμα Ο ρυθμός μετατροπής της α-λακτόζης προς
β και αντίστροφα μέχρι να επιτευχθεί η ισορροπία μεταξύ τους επηρεάζεται
σημαντικά από τη θερμοκρασία του διαλύματος Είναι μικρή σε χαμηλές
θερμοκρασίες και αυξάνει με την αύξησή της Στους 70 C η ισορροπία επιτυγχάνεται
αμέσως To pH επηρεάζει επίσης το φαινόμενο αυτό Σε τιμές ρΗ γύρω από 50 ο
ρυθμός μετατροπής της μιας μορφής προς την άλλη είναι πολύ μικρός πλην όμως
αυξάνει με τη μεταβολή του Σε ρΗ 90 η ισορροπία επιτυγχάνεται σε λίγα λεπτά Η
παρουσία αλάτων μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μετατροπής της α-λακτόζης
προς β και αντίστροφα Η επίδραση είναι περιορισμένη σε αραιά διαλύματα αλάτων
πλην όμως σε συγκεντρώσεις παραπλήσιες με αυτές του γάλακτος η ταχύτητα σχεδόν
διπλασιάζεται
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
11
Παρόμοια επίδραση με τα άλατα έχει και η παρουσία σακχάρων σε χαμηλές
συγκεντρώσεις Αντίθετα οι υψηλές συγκεντρώσεις μειώνουν την ταχύτητα
μετατροπής της μιας μορφής λακτόζης προς την άλλη (σχήμα 3)
Σχήμα 3 Σχέση μεταξύ των διαφόρων μορφών λακτόζης (Τ=C)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
12
144 Πλεονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Μερικά από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του τυρογάλακτος ως υπόστρωμα
ζύμωσης είναι τα εξής
Υψηλό ποσοστό πρωτεϊνών και σακχάρων
Χαμηλό κόστος υποστρώματος
145 Μειονεκτήματα του Τυρογάλακτος
Για την αξιοποίηση του τυρογάλακτος αντιμετωπίζονται διάφορες δυσκολίες από τις
οποίες οι πιο σημαντικές είναι
Το μεγάλο μικροβιακό φορτίο που το καθιστά ευπαθές Αν δεν παστεριωθεί ή
ψυχθεί αμέσως μετά την παραγωγή του αλλοιώνεται σε σύντομο χρονικό
διάστημα
Η σύστασή του δεν είναι σταθερή Κυμαίνεται ανάλογα με τον τύπο του
τυριού και το είδος του γάλακτος από τα οποία προέρχεται
Περιέχει χαμηλό σχετικά ποσοστό στερεών συστατικών πράγμα που
επιβραδύνει το κόστος επεξεργασίας του
Θεωρείται σαν προϊόν ευτελούς αξίας για αυτό και συχνά δεν αξιοποιείται Η
άποψη αυτή αναθεωρήθηκε τελευταία
146 Αξιοποίηση τυρογάλακτος Το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
ζωοτροφή για χοίρους ή πτηνά σαν προσθήκη στο ψωμί για αύξηση της θρεπτικής
του αξίας σαν προσθήκη (πρωτεϊνών) σε διαιτητικές παιδικές τροφές Επίσης
χρησιμοποιείται για την παρασκευή αεριούχων ποτών ή άλλων ζυμωθέντων ποτών
αλβουμίνης και σφαιρίνης για προσθετικά τροφίμων αλκοόλης λακτόζης σιροπιών
γαλακτόζης και γλυκόζης και για την παρασκευή ριβοφλαμίνης
Ακόμη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γαλακτικού οξέος για την παρασκευή
υποστρωμάτων ζυμώσεως για παραγωγή αντιβιοτικών μεθανίου ακετόνης και
βιομάζας (πρωτεΐνες SCP) και τέλος για την παρασκευή τυριών (Ricotta μανούρι
μυζήθρα)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
13
147 Χρήση των αποβλήτων τυροκομείου ως υπόστρωμα ζύμωσης Μια από τις
κύριες οδούς αξιοποίησης του τυρογάλακτος σχετίζεται με τη ζύμωση αυτού προς
παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (γαλακτικό οξύ αιθυλική
αλκοόλη βιταμίνες β- γαλακτοσιδάση ξύδι βιομάζα μικροβιακό λίπος) (Αγγελής
2007) Ειδικότερα το τυρόγαλα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θρεπτικό μέσο για την
ανάπτυξη μικροοργανισμών (πχ γένη Kluyveromyces Candida Trichosporum
Torula) που δίδουν βιομάζα που περιέχει πρωτείνη υψηλής βιολογικής αξίας
(πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα) την αποκαλούμενη laquoμονοκυτταρική πρωτείνηraquo
Σε σύγκριση με τα φυτά οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερους
ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και υψηλότερη συγκέντρωση πρωτεΐνης στην
παραγόμενη βιομάζα που σε πολλές περιπτώσεις φτάνει το 80 (ββ) επί ξηρής
μάζας (Αγγελής 2007) Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ήδη στη Γαλλία (Εταιρεία
laquoFr mager es Le Be raquo) παράγεται υψηλής αξίας μονοκυτταρική πρωτεΐνη κατά την
ανάπτυξη μυκήτων του είδους Kluyveromyces fragilis σε τυρόγαλα σε βιομηχανική
κλίμακα το δε παραγόμενο προϊόν χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη διατροφή
του ανθρώπου (Αγγελής 2007) Η χρησιμοποίηση των δυνάμενων να παράξουν
ενδοκυτταρικό λίπος μικροοργανισμών ( eag us ή -bearing microorganisms)
έχει ήδη αναφερθεί από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο επισταμένη όμως μελέτη των
μικροοργανισμών αυτών πραγματοποιείται τα τελευταία 35 χρόνια (Agge s κλπ
1987 1988 1990 Ratledge 1994 2002 Certik and Shimizu 1999 Ratledge κλπ
2005 Αγγελής 2007) Το ενδιαφέρον για την παραγωγή των λιπιδίων αυτών
καλουμένων και μικροβιακών ή μονοκυτταρικών λιπιδίων (m cr b a s ή s g e ce
s) είναι μεγάλη καθώς αποτελούν πηγή σημαντικών λιπαρών οξέων που δεν
συναντάμε συχνά στη φύση Αυτά τα λιπαρά οξέα χρησιμοποιούνται στην κλινική
διατροφή και ως πρώτες ύλες για την παρασκευή ειδικών τροφών και καλλυντικών
(Rat edge 1994 Rat edge κλπ 2005 Αγγελής 2007)
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον εστιάζεται στο γ-λινολενικό οξύ ( LA Δ6912C183) ένα
λιπαρό οξύ το οποίο παράγεται κατά κύριο λόγο ως μεταβολικό προϊόν από τους
ελαιογόνους ζυγομύκητες (Agge s κλπ 1987 1988 1990 Rat edge 1994 2002
Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) και παρουσιάζει ιδιαίτερο
ενδιαφέρον λόγω των αντικαρκινικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων που έχει
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
14
βρεθεί ότι περιέχει (Cert k a d h m u 1999 Ke y κλπ 2000) Παρά το γεγονός
ότι έχει αναφερθεί χρησιμοποίηση πληθώρας ανανεώσιμων υποστρωμάτων ή
υποστρωμάτων τύπου laquoαποβλήτωνraquo ως πηγών άνθρακα από ελαιογόνους
ζυγομύκητες προκειμένου να παραχθεί λίπος και γ-λινολενικό οξύ (Certik and
Shimizu 1999 Fakas κλπ 2006 2007 2008α 2008β Αγγελής 2007) το τυρόγαλα
μέχρι στιγμής δεν έχει χρησιμοποιηθεί από μικροοργανισμούς αυτής της κατηγορίας
πιθανώς λόγω της μη-ικανοποιητικής ανάπτυξης αυτών στη λακτόζη (Cert k a d
h m u 1999) Αντίθετα ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 είχε παραχθεί
μικροβιακό λίπος που προσομοίαζε με αυτό του λίπους του κακάο (c c a- butter
subst tute) σε βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιώντας ελαιοπαραγωγούς ζύμες του
είδους Apiotrichum curvatum κατά την καλλιέργεια τους στο τυρόγαλα (Ykema κλπ
1988 1990 Davies κλπ 1990 Davies and Holdsworth 1992 Ratledge 1994
Αγγελής 2007)
148 Χρήσεις της Μονοκυτταρικής Πρωτεΐνης στην ανθρώπινη διατροφή και
στις ζωοτροφές Στη διατροφή των ζώων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται για την πάχυνση των μόσχων για την πάχυνση πουλερικών και
χοίρων Επίσης χρησιμοποιείται στις ζωοτροφές για όρνιθες ωοπαραγωγής καθώς και
για την καλλιέργεια ψαριών Τέλος η μονοκυτταρική πρωτεΐνη χρησιμοποιείται ως
τροφή κατοικίδιων ζώων Στον τομέα των τροφίμων η μονοκυτταρική πρωτεΐνη
χρησιμοποιείται ως φορέας αρωμάτων βιταμινών και ως ενισχυτικό
γαλακτωματοποιητών Επίσης χρησιμοποιείται για την βελτίωση της θρεπτικής αξίας
των ψημένων προϊόντων σε σούπες σε έτοιμα γεύματα για σερβίρισμα και σε
συνταγές δίαιτας
149 Παραγωγή Μονοκυτταρικής Πρωτείνης (SCP) Ο όρος laquo πρωτεΐνες μονο-
κυττάρωνraquo (SCP) επινοήθηκε από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης το
1966 και συνηθίζεται σήμερα να αναφέρεται ως μικροβιακή βιομάζα
χρησιμοποιούμενη ως τρόφιμο και ως πρόσθετο τροφίμων Ακόμα η απομονωμένη
κυτταρική πρωτεΐνη ή τα ολικά κυτταρικά συστατικά μπορούν να καλούνται SCP
Επίσης ο όρος μονοκυτταρική πρωτεΐνη αναφέρεται σε αποξηραμένα κύτταρα
μικροοργανισμών όπως πλαγκτόν ακτινομυκήτων βακτηρίων ζυμομυκήτων και
μυκήτων που αναπτύσσονται σε μεγάλη κλίμακα για να χρησιμοποιηθούν ως πηγές
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
15
πρωτεϊνών στην τροφή των ανθρώπων ή ζώων Αν και οι μικροοργανισμοί αυτοί
αναπτύσσονται για τις πρωτεΐνες τους τα κύτταρά τους περιέχουν επίσης
υδατάνθρακες λιπίδια βιταμίνες ιχνοστοιχεία και νουκλεiumlκά οξέα
Δεν είναι παράξενο ότι οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιηθεί ως συστατικά
τροφών από τους αρχαίους χρόνους Για παράδειγμα οι ζυμομύκητες
χρησιμοποιούνται εδώ και πολλούς αιώνες για την παρασκευή του ψωμιού Επίσης
τα βακτήρια του γαλακτικού οξέος χρησιμοποιούνται γα την παρασκευή τυριού και
αλλαντικών Γύρω από το 1900 στην Αμερική η φυγοκέντρηση χρησιμοποιήθηκε για
τον διαχωρισμό των κυττάρων της ζύμης από το μέσον καλλιέργειας
Η πρώτη παραγωγή πρωτεϊνών από μονοκύτταρους οργανισμούς έγινε στη Γερμανία
κατά την διάρκεια του Αrsquo παγκοσμίου πολέμου όταν ο ζυμομύκητας Saccharomyces
cerevisiae αναπτύχθηκε με μελάσα για πηγή άνθρακα και άλατα αμμωνίου για πηγή
αζώτου Κατά τη διάρκεια του Βrsquo παγκοσμίου πολέμου η τεχνολογία των
βιοαντιδραστήρων είχε αρχίσει να αναπτύσσεται με άμεση εφαρμογή στη μαζική
παραγωγή μικροβιακών κυττάρων Σήμερα με τις τεχνικές διήθησης του υγρού
καλλιέργειας από ειδικά φίλτρα έχει ελαττωθεί κατά πολύ το κόστος μια και η
φυγοκέντρηση δεν είναι πλέον αναγκαία
Πολλά ακατέργαστα υλικά θεωρήθηκαν ως πηγή τροφής των κυττάρων για την
παραγωγή των πρωτεϊνών μονοκυττάρων Στις περισσότερες περιπτώσεις τα
ακατέργαστα υλικά πρέπει να τροποποιηθούν με φυσικούς χημικούς ή ενζυμικούς
τρόπους
Πηγή κυτταρίνης όπως τα ξύλα και άχυρα που αποτελούνται από το σύμπλοκο
λιγνίνης-κυτταρίνης δεν υδρολύονται εύκολα με ένζυμα ή οξέα για να
απελευθερώσουν σάκχαρα Στο παρακάτω σχήμα 5 περιγράφεται σχηματικά η
διαδικασία παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτείνης από κόκκους κεφίρ (μίγμα
γαλακτικών βακτηρίων και ζυμών Kluyveromyces)
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
16
Σχήμα 5 Διάγραμμα παραγωγής SCP από κόκκους κεφίρ
1410 Σύσταση και διατροφική αξία της Μονοκυτταρικής πρωτείνης Η
θρεπτική αξία των τροφίμων από μονοκυτταρική πρωτεΐνη ποικίλει ανάλογα με την
χρήση των μικροοργανισμών Η μέθοδος της συγκομιδής της αποξήρανσης και της
επεξεργασίας έχει επίδραση στην θρεπτική αξία του τελικού προϊόντος Η θρεπτική
αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι η εξής
1 Μπορεί να καλλιεργηθεί σε μη τρόφιμα (υπόστρωμα)
2 Το ξηρό βάρος των μικροοργανισμών περιέχει 60-70 πρωτεΐνη
3 Έχει εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής δηλαδή έχει
γρήγορο ρυθμό πολλαπλασιασμού
4 Έχει υψηλή περιεκτικότητα στο σύμπλεγμα βιταμινών Β
5 Περιέχει θειαμίνη ριβοφλαβίνη γλουταθειόνη φολικό οξύ κλπ
Η ενδεικτική σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτείνης
περιγράφεται στους πίνακες 2-4
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
17
Πίνακας 2 Σύσταση και διατροφική αξία της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης σε
διαφορετικά είδη μικροοργανισμών(Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Συστατικά Μύκητες Άλγη Ζύμες Βακτήρια
Πρωτεΐνες 30-45 40-60 45-55 50-65
Λιπίδια 2-8 7-20 2-6 15-3
Τέφρα 9-14 8-10 5-95 3-7
Νουκλεΐκό οξύ 7-10 3-8 6-12 8-12
Πίνακας 3 Αμινοξέα της μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida utilis
(g αμινοξέων100g πρωτεΐνης) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Αμινοξέα Candida utilis
Ασπαρτικό οξύ 132 plusmn 012
Θρεονίνη 060 plusmn 005
Σερίνη 064 plusmn 004
Γλουταμινικό οξύ 320 plusmn 02
Προλίνη 074 plusmn 0045
Γλυκίνη 075 plusmn 006
Αλανίνη 118 plusmn 012
Βαλίνη 054 plusmn 004
Μεθειονίνη 044 plusmn 0032
Ισολευκίνη 081 plusmn 0045
Λευκίνη 144 plusmn 012
Τυροσίνη 086 plusmn 0054
Φαινυλαλανίνη 098 plusmn 0057
Λυσίνη 124 plusmn 011
Ιστιδίνη 019 plusmn 0012
Αργινίνη 082 plusmn 0045
Πίνακας 4 Περιεκτικότητα βιταμινών μονοκυτταρικής πρωτεΐνης από την Candida
utilis (mg100g ξηρού βάρους) (Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute
Professor of Biology at Southeastern College Athens Greece 1986)
Βιταμίνες Candida utilis
Θειαμίνη 053
Ριβοφλαβίνη 450
Νιασίνη 4173
Πυριδοξίνη 334
Παντοθενικό οξύ 372
Χολίνη -
Φολικό οξύ 215
Ινοσιτόλη -
Βιοτίνη 023
Βιταμίνη Β12 0
Ρ-αμινοβενζοiumlκό οξύ 17
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
18
Πλεονεκτήματα ndash Μειονεκτήματα της Μονοκυτταρικής πρωτεΐνης Τα
πλεονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται με μεγάλο ρυθμό και έχουν υψηλή
απόδοση Έχει υπολογιστεί ότι 100 λίβρες (περίπου 50 κιλά) της ζύμης
παράγουν περίπου 250 τόνους της πρωτεΐνης μέσα σε 24 ώρες Τα άλγη
που αυξάνονται στις λίμνες παράγουν 20 τόνους (ξηρό βάρος) της
πρωτεΐνης ανά στρέμμαέτος Η απόδοση της πρωτεΐνης είναι 10-15 φορές
υψηλότερη από τη σόγια και 20-50 φορές υψηλότερη από το καλαμπόκι
Τα βιομηχανικά απόβλητα ή τα υποπροϊόντα χρησιμοποιούνται ως πρώτες
ύλες για τους μικροοργανισμούς
Η περιεκτικότητα σε ξηρή πρωτεΐνη είναι αρκετά υψηλή 43- 85 Έχει
υπολογιστεί ότι η περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη στα κύτταρα των
μικροοργανισμών είναι περίπου 60 στα ξηρά κύτταρα των Pseudomonas
ssp 40-50 σε κύτταρα ζύμης και 20-40 σε φυκώδη κύτταρα
Οι ζύμες που αυξάνονται σε αυτήν την διαδικασία κατέχουν υψηλή
περιεκτικότητα σε βιταμίνες
Όλα τα βασικά αμινοξέα περιλαμβάνονται στις μονοκύτταρες πρωτεΐνες
Μπορούν εύκολα γενετικά να τροποποιηθούν για την ποικιλία της
σύνθεσης αμινοξέος
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα ευρύ φάσμα των πρώτων υλών ως πηγή
άνθρακα οι οποίες περιλαμβάνουν ακόμη και τα προϊόντα αποβλήτων
Κατά συνέπεια βοηθούν στην αφαίρεση των ρύπων και είναι οικολογικά
ευεργετικές
Μπορούν να παραχθούν σχετικά εύκολα με υψηλή παραγωγικότητα
Τα μειονεκτήματα της παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεΐνης είναι τα εξής
Οι ζύμες παρουσιάζουν το χαμηλότερο ρυθμό ανάπτυξης-αύξησης
χαμηλότερη πρωτεϊνική περιεκτικότητα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε
μεθειονίνη σε σχέση με τα βακτήρια
Οι μύκητες έχουν επίσης τους περιορισμούς τους λόγω των χαμηλότερων
ρυθμών αύξησης και της χαμηλότερης περιεκτικότητας σε πρωτεΐνη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
19
Τα άλγη έχουν την κυτταρίνη στους κυψελοειδείς τοίχους τους που δεν είναι
εύπεπτοι Συσσωρεύουν επίσης τα βαρέα μέταλλα που μπορούν να
αποδειχθούν επιβλαβή στα ζωντανά όντα
Δεδομένου ότι τα βακτηριακά κύτταρα είναι μικρά στο μέγεθος και έχουν
χαμηλή πυκνότητα η συγκομιδή τους από το ζυμούμενο μέσο γίνεται
δύσκολη και δαπανηρή
Τα βακτηριακά κύτταρα κατέχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νουκλεϊνικό οξύ
που μπορεί να αποδειχθεί επιζήμια για τον άνθρωπο με την αύξηση του
επιπέδου του ουρικού οξέος στο αίμα Τα πρόσθετα βήματα για να
υπερνικήσουν αυτό το πρόβλημα καθιστούν την παραγωγή δαπανηρή
15 Μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή SCP Οι
βιομηχανίες τροφίμων αποσκοπώντας την καλύτερη αξιοποίηση των αποβλήτων και
τη μείωση του ρυπαντικού φορτίου τα οποία καταλήγουν στο φυσικό περιβάλλον
χρησιμοποιούν διάφορους μικροοργανισμούς για την παραγωγή πρωτεΐνης Οι λόγοι
της χρήσης των μικροοργανισμών αυτών είναι γιατί πολλαπλασιάζονται ταχύτατα
έχουν μικρές απαιτήσεις σε θρεπτική ύλη για να αναπτυχθούν επίσης η θρεπτική ύλη
μπορεί να είναι οτιδήποτε ακόμη και απόβλητα μπορούν να καλλιεργηθούν
οπουδήποτε και τέλος το μεγαλύτερο ποσοστό του ξηρού βάρους είναι πρωτεΐνη Οι
πιο γνωστοί μικροοργανισμοί που έχουν μελετηθεί για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης από υγρά απόβλητα τυροκομείου είναι οι εξής
Ζύμες
Candida utilis boidinii tropicalis versatilis holstii halophila
Saccharomyces cerevisiae uvarum
Rhodotorula glutinis
Kluveromyces marxianus fragilis lactis
Saccharomycopsis lipolitica
Torulopsis utilis
Galactomyces geotrichum
Trichosporon cutaneum
Yarrowia lipolytica
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
20
Μύκητες
Lentinula edodes
Pleurotus ostreatus spp
Phanerochaete chrysosporium flavido ndash alba
Chalara paradoxa
Aspergillus niger sp
Βακτήρια
Ralstonia sp
Pseudomonas putida
Azotobacter vinelandii
Xanthomonas campestris
Από τις παραπάνω ζύμες η καταλληλότερες για την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτείνης από τυρόγαλο είναι αυτές του γένους Kluyveromyces που παράγει σε
σημαντικές ποσότητες το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση το οποίο αποικοδομεί τη λακτόζη
του αποβλήτου Έτσι μπορεί να αναπτύσσεται εύκολα στο συγκεκριμένο υπόστρωμα
151 Οι ζύμες Kluyveromyces lactis Kluyveromyces fragilis Kluyveromyces
marxianus
Τα δύο αυτά είδη ζυμομυκήτων έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για πλήθος
εφαρμογών μετατροπής της λακτόζης σε άλλες χρήσιμες μη ουσίες Αξιόλογες
ερευνητικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για την μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη Αναλυτικότερα η μετατροπή της λακτόζης του
τυρογάλακτος σε αιθανόλη μέσω μικροβιακής ζύμωσης εφαρμόζεται σε αρκετά
μεγάλη κλίμακα όπως η Ιρλανδία οι ΗΠΑ και ιδιαίτερα η Νέα Ζηλανδία όπου το
50 του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson
1994) Οι ζύμες Kluyveromyces fragilis και Kluyveromyces marxianus είναι οι
συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανία για αυτόν το σκοπό καθώς
διαθέτουν ένζυμα αποικοδόμησης της λακτόζη και έχουν τη δυνατότητα
βιοσύνθεσης αλκοόλης Σε βιοαντιδραστήρες ελεγχόμενης ζύμωσης (ασυνεχούς-
batch ή ασυνεχούς με τροφοδοσία-fed batch) ο K fragilis αξιοποιεί πάνω από το 95
της λακτόζης του τυρογάλακτος με αποτελεσματικότητα μετατροπής 80 ndash 85
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
21
της θεωρητικής δυνατής μετατροπής (0538 Kg αιθανόλης Kg λακτόζης) (Mawson
1994 Barba et al 2001) Η αλκοολική ζύμωση με ζύμες Kluyveromyces σε υψηλές
σχετικά θερμοκρασίες έχει επιπλέον το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτείται ψύξη κατά τη
διάρκεια της ζύμωσης (Kourkoutas et al 2002)
Επιπρόσθετα σύμφωνα με τους H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp
A Miclo (1993) μικτές καλλιέργειες Saccharomyces cerevisiae CBS 80 και
Kluyveromyces fragilis χρησιμοποιήθηκαν για τη συνεχή παραγωγή βιομάζας σε
θρεπτικό υπόστρωμα το οποίο περιείχε ορρό γάλακτος και γλυκόζη (WC) ή ορρό
γάλακτος μαλτόζη και γλυκόζη (WGM) Ερευνήθηκε η επίδραση σε δύο
συγκεντρώσεις εκχυλισμάτων ζύμης (0 Ι και 05γρ ) Η συγκέντρωση εκχυλισμάτων
ζύμης επηρεάστηκε από το ποσοστό των αραιώσεων Η παραγωγή τους ποίκιλε από
026 έως 048 gg
Σύμφωνα με τους Moeini H Nahvi I Tavassoli M
(2004) διερευνήθηκε η
δυνατότητας παραγωγής μονοκυτταρικής πρωτεϊνηςή ( CP) και η βιοχημική
αφαίρεση οξυγόνου (BOD) από τον ορρό γάλακτος με τη χρήση μικτών καλλιεργειών
ζύμης Για αυτόν το λόγο 11 διαφορετικά μικροβιακά στελέχη ζυμών απομονώθηκαν
από τα γαλακτοκομικά προϊόντα (M1-M11) και τα στελέχη τους προσδιορίστηκαν
από τις μορφολογικές και φυσιολογικές τους ιδιότητες Αυτά τα στελέχη ζυμών ζύμης
εξετάστηκαν για τη δυνατότητά τους να μειώσουν τη BOD και να παραγάγουν CP
από τον ορρό γάλακτος Μεταξύ αυτών των μικροβιακών στελεχών το K lactis
παρουσίασε τη μεγαλύτερη παραγωγή CP από τον ορρό γάλακτος με την παραγωγή
1179 γαλώνλίτρο με προσθήκη θειικού άλατος αμμωνίου δεδομένου ότι η πηγή
αζώτου είχε μια αυξανόμενη επίδραση στην παραγωγή βιομαζών Επίσης μικτές
καλλιέργειες απομονωμένων στελεχών ζύμης με Saccharomyces cerevisiae
χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγή βιομάζας και η αφαίρεση
BOD Η υψηλότερη παραγωγή βιομαζας (2238 g ) και η μείωση της αρχικής BOD
από 30000 έως 3450 mg λήφθηκαν με τη χρήση μικτής καλλιέργειας Klactis και S
cerevisiae
Σύμφωνα με τους N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006)
αποπρωτεινομένο και συμπυκνωμένο τυρόγαλα μελετήθηκε για την καταλληλότητά
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
22
του ως υποστρώματα για την παραγωγή της μονοκύτταρης πρωτεΐνης με τη χρήση
Kluyveromyces marxianus CBS 6556
Τέλος σύμφωνα με τους AWillets and UUgalde (1987) διερευνήθηκε η μετατροπή
του ορρού γάλακτος σε μονοκυτταρική πρωτείνη πρωτεΐνη με τη χρήση ζυμων και
βρέθηκε ότι ο καταλληλότερος οργανισμός ήταν το στέλεχος NCYC 1424 του είδους
Kluyveromyces marxianus Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αποδοτικότητα της
μετατροπής ορρού γάλακτος στη βιομάζα επιδρούσε άμεσα με την διαθεσιμότητα
οξυγόνου στο μέσο
153 Η ζύμη Candida utilis
Η ζύμη Candida utilis ανήκει στο βασίλειο μύκητες στο φύλο ασκομύκητες στην
υποκατηγορία Saccharomycotina στην κατηγορία Saccharomycetes στην τάξη
Saccharomycetales στην οικογένεια Saccharomycetaceae στο γένος Candida
Η Candida utilis στην ανενεργό της μορφή (που χαρακτηρίζεται συνήθως ως Torula
yeast) χρησιμοποιείται ευρέως ως αρωματική ουσία στα επεξεργασμένα τρόφιμα και
τα τρόφιμα κατοικίδιων ζώων Παράγεται από τα σάκχαρα ξύλου ως υποπροϊόν της
παραγωγής χαρτιού Είναι παστεριωμένη και ξηραμένη με αέρια ξήρανση για να
παραχθεί μια λεπτή ελαφριά γκριζωπή-καφετιά σκόνη με μια ελαφρώς ζυμώδη
μυρωδιά και προσδίδει μία ελαφριά γεύση κρέατος Αντίθετα από τη ζύμη ζυθοποιίας
και αρτοποιίας η ζύμη Candida utilis έκανε την εμφάνισή της στα τρόφιμα και τις
ζωοτροφές πολύ αργά κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου και του
Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου Η καλύτερη εξήγηση για αυτό είναι ότι η ζύμη
t ru a δεν χρησιμοποιείται για να κάνει τα ψωμιά ή την μπύρα και εμφανίστηκε για
πρώτη φορά όταν υπήρξε μια έλλειψη πρωτεΐνης για να χρησιμοποιηθεί ως
υποπροϊόν που περιέχει τα μεγαλύτερα ποσά πεντοζών Το όνομα t ru a
προέρχεται από το αρχικό όνομα Torulopsis utilis Αργότερα μετονομάστηκε ως
Candid utilis Υπάρχει μεγάλη σύγχυση για την ζύμη torula μερικοί πιστεύουν ότι
είναι μία θρεπτική ζύμη άλλοι πιστεύουν ότι χρησιμοποιείται μόνο σε ζωοτροφές
λίγοι ισχυρίζονται ότι τείνει να μειώσει το βιολογικώς και χημικώς απαιτούμενο
οξυγόνο του υποπροϊόντος που λαμβάνεται από την βιομηχανία χαρτιούmiddot ακόμα
μερικοί άλλοι σκέφτονται ότι χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει το γλουταμινικό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
23
νάτριο και ως ενισχυτικό γεύσης Εντούτοις πολλοί δεν γνωρίζουν ότι
χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή μελιού και την παραγωγή των ψαριών σε
υδατοκαλλιέργειες Όλες αυτές οι εφαρμογές είναι ακριβείς αλλά είναι σημαντικό να
κατανοηθούν οι διαφορές μεταξύ της ζύμης torula που αναπτύσσεται σε ένα
υποπροϊόν και η ήδη ανεπτυγμένη ζύμη torula σε αποθέματα επεξεργασμένης
ζάχαρης όπως το σιρόπι καλαμποκιού η γλυκόζη ή το οινόπνευμα
Η ποιότητα της ζύμης torula εξαρτάται πάρα πολύ από τα υποστρώματα και τις
μεθόδους παραγωγής που χρησιμοποιούνται Η ζύμη torula χρησιμοποιείται ευρέως
για τους παρακάτω λόγους
Η ζύμη torula είναι σχετικά εύκολο να διατηρηθεί να αναπτυχθεί γρήγορα
έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσει τα σάκχαρα πεντοζών έχει άριστες
θρεπτικές ιδιότητες και έχει γίνει αποδεκτό σε όλο τον κόσμο ως ασφαλές και
θρεπτικό τρόφιμο και ζωοτροφή
Η ζύμη torula περιέχει σχετικά υψηλό ποσοστό νουκλεοτιδίων ειδικά RNA
το οποίο βοηθά στην ενίσχυση της γεύσης Ορισμένες εταιρίες έχουν
απομονώσει τη ζύμη torula με σκοπό να παρασκευάσουν εκχυλίσματα με
εξαιρετικά υψηλό ποσοστό της τάξεως 20 IMP+ MP (μονοφωσφορικό
άλας ινοσιτόλης και μονοφωσφορικό άλας γουανοσίνης) Μπορεί να
χαρακτηριστεί ως εκχύλισμα ζύμης παρέχοντας ακόμα την ισχυρή αρωματική
επίδραση των νουκλεοτιδίων
Η ζύμη torula έχει πολύ ξεκάθαρο γευστικό προφίλ χωρίς πικρήπερίεργη
γεύση όπως το κανονικό εκχύλισμα ζύμης
Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας νουκλεοτιδίων η ζύμη torula είναι μία
καλή πηγή τροφής κατοικίδιων ζώων ειδικά για τις γάτες
Μέσω μίας μελέτης παρατηρήθηκε ότι όταν η ζύμη t ru a συμπληρώνεται με
μεθειονίνη τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν συγκρίσιμα με αυτήν της καζεΐνης
όταν ταΐζεται στους ενήλικους αρουραίους
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
24
Οι δύο πιο σοβαροί παράγοντες που εξετάζονται στις ζωικές τροφές είναι η
πρωτεϊνική υδρόλυση (degradab ty) και η πέψη τους στο έντερο Μια μελέτη
διαπίστωσε ότι η πρωτεϊνική υδρόλυση στα πεπτίδια και τα αμινοξέα της
ζύμης t ru a είναι πολύ υψηλότερη (70) έναντι αυτής του κρεατάλευρου
(50) του σογιάλευρου (59) και του ιχθυάλευρου (50) Εντούτοις η
εντερική πεπτικότητα είναι σχετικά χαμηλότερη για τη ζύμη t ru a (87)
έναντι του κρεατάλευρου (90) του σογιάλευρου (98) και του ιχθυάλευρου
(94)
Εικόνα 1 Ζύμη Candida utilis ( ή Torula yeast) σε σκόνη
154 Saccharomyces uvarum Υ-1347 Ο μύκητας Saccharomyces uvarum Υ-1347
χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή μονοκύτταρικής πρωτεϊνικής ( CP) σε θρεπτικό
υπόστρωμα το οποίο περιέχει μελάσα τεύτλων ως μόνη πηγή άνθρακα Σύμφωνα με
τους Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) η αύξηση και η παραγωγή
CP της ζύμης επηρεάστηκαν εμφανώς από τη σύνθεση του θρεπτικού μέσου του
pH της ηλικίας του θρεπτικού υποστρώματος και του ποσοστού ανακίνησης Η
μέγιστη παραγωγή ζύμης και η υψηλή παραγωγή CP επιτεύχθηκαν στο τέλος της
φάσης ανάπτυξης όταν προσαρμόστηκε το αρχικό pH του μέσου σε 7 και η
καλλιέργεια ανακινήθηκε με 250 περιστροφέςλεπτό
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
25
2 Υλικά και Μέθοδοι
21 Οργάνωση πειράματος
Το τυρόγαλα της εταιρίας Νούσιας αφού χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή
μυζήθρας-μανουριού και άρα απομακρύνθηκε με θέρμανση το μεγαλύτερο μέρος των
πρωτεϊνών ορού χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα ζύμωσης για τις ζύμες
Κluyveromyces lactis και Kluyveromyces marxianus προκειμένου να μετατραπούν τα
διαθέσιμα σάκχαρα του αποπρωτεϊνωμένου τυρογάλακτος (απογάλακτος) σε
μονοκυτταρική πρωτείνη και ταυτόχρονα να μειωθεί δραστικά το οργανικό φορτίου
του αποβλήτου με την απομάκρυνση της παραγόμενης βιομάζας Το απόγαλα μετά
την αναθέρμανση και την παραγωγή των πηγμάτων οροπρωτείνης για την παραγωγή
μυζήθρας διηθήθηκε μέσα από τσαντίλες και συντηρήθηκε σε παγολεκάνες 0-4C για
~24 πριν τη χρήση και είχε pH ~60 που ήταν και το αρχικό pH της ζύμωσης Στο
διάστημα της συντήρησης και επεξεργασίας του τυρογάλακτος τα σάκχαρα
μειώθηκαν από ~49 αρχικά σε ~45 πριν τη ζύμωση ενώ οι πρωτείνες ήταν
~03 Οι μικροοργανισμοί συντηρήθηκαν σε στερεό υπόστρωμα Sabourad Dextrose
agar και σε υγρό υπόστρωμα Μalt Extract στους 4C πριν τη χρήση τους σε κάποια
ζύμωση
Τα πειράματα οργανώθηκαν ως εξής
Α Πειράματα σε κωνικές φιάλες
Σε κωνικές φιάλες των 500ml τοποθετήθηκαν 250ml υποστρώματος ζύμωσης και
εμβολιάστηκαν με 10 εμβόλιο (εναιώρημα κυττάρων σε yeast-malt extract 10gl)
Οι μικροοργανισμοί που μελετήθηκαν ως προς την παραγωγή μονοκυτταρικής
πρωτεΐνης ήταν ο Kluyveromyces marxianus και ο Kluyveromyces lactis
προκειμένου να εξεταστεί συγκριτικά η αποτελεσματικότητά τους ως προς την
παραγωγή βιομάζας Χρησιμοποιήθηκε πλήρες αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα
(απόγαλα) που προέκυψε έπειτα από την παραγωγή μυζήθρας και τη διήθιση του
τυρογάλακτος Η θερμοκρασία ζύμωσης ήταν 30C το αρχικό pH ήταν 60 και δεν
ελέγχθηκε κατά την πορεία της ζύμωσης και η ταχύτητα ανάδευσης ήταν 200rpm ή
400rpm Τέλος έγιναν πειράματα με τη χρήση 10gl θειϊκού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
και 10g φωσφορικού αμμωνίου [(NH4)3PO4] καθώς η πηγή αζώτου γενικά αυξάνει
την ανάπτυξη των κυττάρων και την παραγωγή πρωτείνης καθώς και ζυμώσεις με
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
26
ενδιάμεση τροφοδοσία επιπλέον υποστρώματος (fed-batch) ή με χρήση
συμπυκνωμένου απογάλακτος (συμπύκνωση 21 στο μισό του αρχικού όγκου) με
χρήση μεμβρανών υπερδιήθισης ώστε να αυξηθεί η παραγωγικότητα της ζύμωσης με
τη χρήση επιπλέον υποστρώματος (και ιδιαιτέρα με την αύξηση των διαθέσιμων
σακχάρων)
Επιπλέον η διαδικασία fed-batch πλεονεκτεί διότι με την προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος προκαλεί και αραίωση των παραγόμενων οξέων και αιθανόλης που
ελαττώνουν την παραγωγή βιομάζας
Από την άλλη η ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος ερευνήθηκε καθώς
παρουσιάζει οικονομικό ενδιαφέρον η δυνατότητα αξιοποίησης συμπυκνωμένου
αποβλήτου που σημαίνει μείωση του απαιτούμενου αποθηκευτικού χώρου
(παγολεκάνες) στο μισό και ευκολότερη διαχείριση του αποβλήτου
To pH των παραπάνω ζυμώσεων δεν ελέγχθηκε με αποτέλεσμα τη σταδιακή πτώση
μέχρι του σημείου 37-40 στο τέλος της κάθε ζύμωσης
Β Πειράματα σε βιοαντιδραστήρα
Χρησιμοποιήθηκε αναδευόμενος βιοαντιδραστήρας 15L τύπου STR (Νew Brunswick
Scientific) όπου μελετήθηκαν σε υπόστρωμα 10 λίτρων οι βέλτιστες συνθήκες που
προέκυψαν από τα πειράματα των κωνικών φιαλών ώστε να επιτευχθεί μια
αριστοποίηση των συνθηκών ζύμωσης σε ρεαλιστικές συνθήκες παραγωγής σε
βιοαντιδραστήρα
To pH των παραπάνω ζυμώσεων ελέγχθηκε σταθερά στην τιμή 45 που σύμφωνα με
τη βιβλιογραφία είναι προτιμητέο για τη συγκεκριμένη ζύμωση με προσθήκη
διαλυμάτων 1Ν ΝaOH1N H3PO4 Ο αερισμός που εφαρμόστηκε (φιλτραρισμένος
αέρας) κυμάνθηκε από 1-2 vvm Oι παραπάνω βέλτιστες συνθήκες εφαρμόστηκαν σε
απλό (μη συμπυκνωμένο) απόγαλα με προσθήκη επιπλέον 50 του αρχικού όγκου
στις 30 ώρες (ζύμωση fed-batch) καθώς και σε ζύμωση ενός σταδίου (batch) με
προσθήκη όλου του υγρού ζύμωσης στην αρχή της ζύμωσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
27
22 Εξοπλισμός
Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ήταν ο εξής
Επωαστικός αναδευτήρας κωνικών φιαλών (12 θέσεων για κωνικές 500ml)
New Brunswick (Εικόνα 1)
Βιοαντιδραστήρας 15L New Brunswick Bioflo 315 (Εικόνα 1)
Κλίβανος αποστείρωσης Raypa AM-9 75 λίτρων
Πεχάμετρο HANNA pH 210
Ηλεκτρονικός ζυγός ακριβείας Kern 4 δεκαδικών
Υδατόλουτρο Digetol Water Bath 30L (Labtech)
Κλίβανοι επώασης Binder 45L
Θάλαμος νηματικής ροής Telstar
Πιπέτες ρυθμιζόμενου όγκου pluripet Kartell
Επιτραπέζια Φυγόκεντρος Telstar
Φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης Shimadzu
Κλίβανος ξήρανσης Binder
Φορητός μετρητής αερίων Ο2-CO2 με ακίδα
Υδατόλουτρο υπερήχων
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
28
Εικόνα 2 Επωαστικός αναδευτήρας και βιοαντιδραστήρας New Brunswick που χρησιμοποιήθηκαν
στις ζυμώσεις για παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης
23 Αναλύσεις
Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και οι αντίστοιχες μέθοδοι ανάλυσης
παρουσιάζονται παρακάτω
Ανάλυση σακχάρων φωτομετρικά με τη μέθοδο του δινιτροσαλυκιλικού οξέος
(Μέθοδος DNS) με βάση πρότυπη καμπύλη διαλυμάτων
Μέτρησης της βιομάζας έπειτα από φυγοκέντρηση του υγρού ζύμωσης (5000
rpm x 30 min) ξήρανση (105C x 18h) και ζύγιση του ιζήματος της ξηρής
βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
29
Μέτρηση γαλακτικού οξέος (α) στα πειράματα κωνικών φιαλών ογκομετρικά
με εξουδετέρωση με 01 Ν ΝaΟΗ για προσδιορισμό ολικής οξύτητας
εκφρασμένης ως γαλακτικό οξύ gl) και (β) στα πειράματα ζύμωσης σε
βιοαντιδραστήρα όπου μετατράπηκε σε γαλακτικό ασβέστιο με ενζυμικό κιτ
φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού γαλακτικού τύπου Enzytec (R-
Biopharm)
Μέτρηση αιθανόλης με ενζυμικό κιτ φασμαφωτομετρικού προσδιορισμού
γαλακτικού τύπου Enzytec (R-Biopharm)
Μέτρηση αερίων ζύμωσης με αυτόματο αναλυτή αερίων (Ο2-CO2) τύπου PBI
Dansensor με ακίδα ενσωματωμένη σε αναδευόμενη κωνική φιάλη
Μέτρηση της καθαρής πρωτεΐνης της βιομάζας με τη μέθοδο Bradford έπειτα
από λύση σε λουτρό υπερήχων των κυττάρων που καταβυθίστηκαν μετά από
φυγοκέντρηση
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
30
3 Αποτελέσματα και Συζήτηση
31 Μελέτη καλλιεργειών K lactis και K marxianus σε σχέση με την παραγωγή
βιομάζας
Χρησιμοποιήθηκε απόγαλα (αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα) 100 που προέκυψε μετά
την παρασκευή μυζήθρας και την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους των
οροπρωτεϊνών Οι μικροοργανισμοί προήλθαν από την γερμανική τράπεζα
καλλιεργειών DSMZ
Οι συνθήκες της ζύμωσης ήταν θερμοκρασία 30C ανάδευση 200rpm εμβόλιο 10
Τα αποτελέσματα των συγκεντρώσεων βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και
γαλακτικού οξέος (τα δύο τελευταία αποτελούν υποπροϊόντα της συγκεκριμένης
ζύμωσης) φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 5 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση
απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
K lactis K marxianus
Ώρες(h)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
βιομάζα
(gl)
σάκχαρα
gl
αιθανόλη
gl
γαλακτικό
οξύ (gl)
0 045 45 0 06 035 45 0 06
4 065 427 03 07 075 432 03 07
15 338 325 07 103 258 344 11 123
20 405 19 15 145 325 161 19 155
25 582 147 19 157 376 125 25 177
41 689 84 24 222 482 71 324 266
50 827 62 26 252 557 39 367 298
65 869 44 27 296 694 31 39 366
70 852 35 23 31 674 25 412 37
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
31
Σχήμα 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζύμωση απογάλακτος με καλλιέργειες K lactis ndash
K marxianus
Σχήμα 7 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού οξέος σε ζύμωση απογάλακτος με
καλλιέργειες K lactis ndash K marxianus
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
32
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Μεγαλύτερη ανάπτυξη βιομάζας (κυττάρων) εμφανίζει ο K lactis (869 gl)
παρόλο που o K marxianus καταναλώνει περισσότερα σάκχαρα του
υποστρώματος κατά τη ζύμωση
- Ο K marxianus είναι καλύτερος παραγωγός αιθανόλης και γαλακτικού οξέος
και προς αυτά τα προϊόντα διοχετεύεται ένα σημαντικό μέρος των
καταναλισκόμενων σακχάρων εις βάρος της βιομάζας
Συνεπώς για όλες τις επόμενες ζυμώσεις χρησιμοποιήθηκε ο K lactis
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
33
32 Επίδραση της ταχύτητας ανάδευσης στη παραγωγή βιομάζας
Πραγματοποιήθηκε μια ζύμωση με K lactis όπως και αυτή που περιγράφεται
παραπάνω αλλά χρησιμοποιώντας ανάδευση 400rpm (αντί 200rpm που εφαρμόστηκε
πιο πριν) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 6 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 086 41 03 07
15 318 324 06 1
20 495 194 12 141
25 622 117 15 152
41 783 79 21 212
50 922 38 22 222
65 1015 17 22 266
70 952 05 21 271
Σχήμα 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με ανάδευση 400 rpm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
34
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι η αύξηση της ανάδευσης (και ταυτόχρονα η
βελτίωση του αερισμού) στα 400 rpm προκάλεσε αύξηση στη συγκέντρωση της
βιομάζας (1015 gl) βελτίωσε την αφομοίωση σακχάρων από τα κύτταρα ενώ
ελάττωσε την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού (που δρουν ανασταλτικά για την
ανάπτυξη της βιομάζας)
Έτσι σε όλες τις επόμενες ζυμώσεις εφαρμόστηκε αυτή η υψηλή ταχύτητα
ανάδευσης
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
35
33 Επίδραση προσθήκη αμμωνιακών αλάτων στην παραγωγή βιομάζας
Μελετήθηκε η προσθήκη αμμωνιακών αλάτων που αποτελούν μια φτηνή πηγή
αζώτου που είναι απαραίτητη για να επιτευχθούν υψηλές συγκεντρώσεις βιομάζας σε
όλους σχεδόν τους καλλιεργούμενους μικροοργανισμούς
Πίνακας 7 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl θειικού αμμωνίου [(ΝΗ4)2SO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 216
70 1172 07 167 21
Πίνακας 8 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση
απογάλακτος με προσθήκη 5 gl φωσφορικού αμμωνίου [(ΝΗ4)3PO4]
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 06
4 12 41 03 07
15 39 241 06 1
20 5 102 12 141
25 682 32 15 152
41 893 102 21 212
50 982 09 22 222
65 1086 04 22 276
70 1052 09 21 23
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
36
Σχήμα 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5 gl
θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
Σχήμα 10 Συγκεντρώσεις αιθανόλης γαλακτικού κατά τη ζύμωση απογάλακτος με προσθήκη 5
gl θειϊκού αμμωνίου ή 5 gl φωσφορικού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
37
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- και η δύο πηγές αμμωνίου που προστέθηκαν αύξησαν την παραγωγή βιομάζας
και το ρυθμό κατανάλωσης σακχάρων ωστόσο η μεγαλύτερη συγκέντρωση
βιομάζας (1286 gl) επετεύχθη με την προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου
- H προσθήκη επιπλέον πηγών αμμωνίου δεν αύξησε την παραγωγή
υποπροϊόντων (αιθανόλης ή γαλακτικού) μάλιστα η παραγωγή αιθανόλης
ήταν μεγαλύτερη στη ζύμωση χωρίς προσθήκη αλάτων αμμωνίου
- Τα παραπάνω δείχνουν ότι η προσθήκη αμμωνίου βελτιώνει τη βιοσύνθεση
πρωτεϊνών και μειώνει την παραγωγή ανεπιθύμητων προϊόντων της ζύμωσης
για αυτό και στις επόμενες ζυμώσεις προστέθηκε στο απόγαλα και 5 gl
θειϊκού αμμωνίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
38
34 Ζυμώσεις ενός σταδίων με συμπυκνωμένο ή μη απόγαλα και δύο σταδίων με
ενδιάμεση τροφοδοσία απογάλακτος
Διενεργήθηκαν 3 ζυμώσεις σε κωνικές φιάλες με απόγαλα 250ml με βάση τις
βέλτιστες συνθήκες που μελετήθηκαν στις προηγούμενες ζυμώσεις σε κωνικές
φιάλες Από αυτές η μία ζύμωση ήταν ενός σταδίου (batch) σε θερμοκρασία 30C
ανάδευση 400rpm 10 εμβόλιο με 100 απόγαλα που περιείχε 5gl θειϊκού
αμμωνίου
H δεύτερη ζύμωση έγινε σε δύο στάδια (fed-batch) με αρχικό όγκο 250ml
απογάλακτος και προσθήκη 125ml απογάλακτος στις 26 ώρες ζύμωσης ενώ όλες οι
υπόλοιπες συνθήκες ήταν ίδιες με την πρώτη ζύμωση
Η τρίτη ζύμωση ήταν ενός σταδίου όπως και η πρώτη ζύμωση μόνο που
χρησιμοποιήθηκε συμπυκνωμένο υπόστρωμα συμπύκνωσης 21 (διπλάσιας
συγκέντρωσης σακχάρων σε σχέση με το αρχικό απόγαλα) δηλαδή με 90 gl
σάκχαρα
Σκοπός των ζυμώσεων αυτών ήταν να διευρευνηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση
σακχάρων και ο τρόπος τροφοδοσίας αυτών ώστε να έχουμε μέγιστη παραγωγή
βιομάζας και ελάχιστη παραγωγή αιθανόλης ή γαλακτικού που παράγονται
αναεροβίως αλλά και όταν οι συγκεντρώσεις σακχάρων είναι πολύ υψηλές (crab-tree
effect) Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 9 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός σταδίου
(batch) με 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 04 45 0 05
4 115 422 03 07
15 498 262 05 11
20 595 126 09 121
25 752 64 12 132
26 755 61 12 13
41 983 234 16 182
50 1192 09 202 282
65 1285 04 192 256
70 1172 07 167 21
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
39
Πίνακας 10 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 250ml υποστρώματος και προσθήκη 125ml στις 26h με
υπόστρωμα 100 απόγαλα (+5gl θειϊκού αμμωνίου) σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm
και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 043 456 0 05
4 135 439 04 057
15 48 279 08 121
20 567 132 095 127
25 741 58 132 14
26 76 286 071 083
41 1223 114 186 125
50 177 53 272 252
65 195 224 395 296
70 202 16 386 337
Πίνακας 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 250 ml συμπυκνωμένου υποστρώματος 21 (στο μισό του αρχικού
όγκου με αρχική συγκέντρωση σακχάρων 90 gl και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 054 90 0 05
4 12 877 07 07
15 358 762 23 13
20 445 678 35 15
25 572 594 563 162
26 58 58 67 27
41 78 4154 79 32
50 982 333 86 39
65 1177 2264 102 44
70 147 185 127 45
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
40
Σχήμα 11 Συγκεντρώσεις βιομάζας και σακχάρων για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
Σχήμα 12 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού για ζυμώσεις ενός σταδίου τροφοδοσίας
(batch) υποστρώματος με χρήση συμπυκνωμένου (90gl σάκχαρα) ή μη συμπυκνωμένου (45 gl
υποστρώματος) και δύο σταδίων τροφοδοσίας (fed-batch) με αρχικά σάκχαρα 45gl και επιπλέον
προσθήκη 23 gl σάκχαρα στις 26 ώρες
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
41
Από τα παραπάνω προκύπτει ότι
- Η χρήση συμπυκνωμένου υποστρώματος περιορίζει λόγω οσμωτικής πίεσης ή
αναστολής λόγω υποστρώματος την ανάπτυξη των κυττάρων παρόλο που
αξιοποιείται μια μεγαλύτερη ποσότητα σακχάρων σε σχέση με τις άλλες δύο
ζυμώσεις Ωστόσο στη ζύμωση συμπυκνωμένου απογάλακτος μεγάλο μέρος
των σακχάρων καταλήγει στην παραγωγή αιθανόλης γαλακτικού καθώς και
διοξειδίου του άνθρακα (οι τιμές RQ ήταν πολύ υψηλές σε αυτή τη ζύμωση)
Φαίνεται λοιπόν πως η μεγάλη αρχική συγκέντρωση σακχάρων προκαλεί το
ανεπιθύμητο crab-tree effect δηλαδή μια διέγερση της παραγωγής αιθανόλης
και διοξειδίου παρά την παρουσία αερόβιων συνθηκών
- Η προσθήκη υποστρώματος σε δύο στάδια (45+23gl) αυξάνει σημαντικά την
παραγωγή βιομάζας καθώς ο χρόνος προσθήκης των επιπλέον 23gl είναι
επιλεγμένος ώστε η προσθήκη να γίνει λίγο πριν εξαντληθούν τα αρχικά
σάκχαρα και στρεσαριστούν τα κύτταρα Επίσης η προσθήκη φρέσκου
υποστρώματος στις 26h αραιώνει τη μέχρι τότε συγκέντρωση αιθανόλης και
γαλακτικού στο μισό κάτι που ευνοεί την περαιτέρω σύνθεση βιομάζας
- Έτσι τελικά παράγονται 202 gl στις 70 ώρες της fed-batch ζύμωσης που είναι
ένα αρκετά ικανοποιητικό ποσό βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
42
35 Ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων τροφοδοσίας σε βιοαντιδραστήρα με
αερισμό 1vvm και 2vvm
Χρησιμοποιήθηκε η προηγούμενη βελτιστοποιημένη ζύμωση fed-bach σε επίπεδο
βιοαντιδραστήρα με προσθήκη αρχικά 7l απογάλακτος (45gl σάκχαρα) και
προσθήκη επιπλέον 35 (23 g σάκχαρα) στις 30 ώρες ζύμωσης Η ζύμωση αυτή
έγινε με αερισμό 1vvm
Καθώς ο έντονος αερισμός μπορεί να ευνοήσει την αερόβια αναπαραγωγή των
κυττάρων και μειώσει την παραγωγή αιθανόλης και γαλακτικού αλλά από την άλλη
ίσως προκαλέσει ανεπιθύμητο οξειδωτικό στρες στα κύτταρα διενεργήθηκε μια
δεύτερη fed-batch ζύμωση όμοια με την προηγούμενη αλλά με αερισμό 2vvm
Επίσης ο αερισμός αυτός (2vvm) εφαρμόστηκε και σε ζύμωση ενός σταδίου
τροφοδοσίας (batch) για να ερευνηθούν οι επιπτώσεις στην παραγωγή βιομάζας και
των υπολοίπων μεταβολιτών
Τα αποτελέσματα φαίνονται παρακάτω
Πίνακας 12 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση ενός
σταδίου με (batch) με χρήση 10l απογάλακτος 100 (και προσθήκη 5gl θειϊκού αμμωνίου) σε
θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10 εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 458 0 05
6 185 398 043 067
12 59 241 084 096
24 97 101 125 132
30 14 42 172 15
31 141 41 175 152
38 162 12 196 162
50 218 08 237 192
56 245 04 255 196
60 242 01 28 225
70 221 04 29 218
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
43
Πίνακας 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 1vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 063 456 0 05
6 155 404 066 067
12 42 296 094 137
24 77 111 135 197
30 101 45 187 224
31 102 272 098 117
38 156 224 196 182
50 188 153 297 282
56 227 64 412 396
60 276 31 596 557
70 281 15 678 49
Πίνακας 14 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων αιθανόλης γαλακτικού σε ζύμωση δύο
σταδίων (fed-batch) με χρήση αρχικά 7l απογάλακτος 100 (με 5gl θειϊκού αμμωνίου) και
προσθήκη 35l στις 30h σε θερμοκρασία 30C ανάδευση 400rpm αερισμό 2vvm και 10
εμβόλιο
Ώρες(h) βιομάζα (gl) σάκχαρα (gl) αιθανόλη (gl) γαλακτικό οξύ (gl)
0 065 456 0 05
6 195 393 043 057
12 592 237 084 086
24 99 94 106 127
30 143 34 162 145
31 145 262 085 077
38 202 202 137 112
50 243 118 212 192
56 297 24 245 266
60 346 01 296 294
70 351 06 328 317
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
44
Σχήμα 13 Συγκεντρώσεις βιομάζας σακχάρων σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με αερισμό
1vvm και 2vvm
Σχήμα 14 Συγκεντρώσεις αιθανόλης και γαλακτικού σε ζυμώσεις ενός και δύο σταδίων με
αερισμό 1vvm και 2vvm
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
45
Από τα παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται ότι
- Η ζύμωση δύο σταδίων (fed-batch) με αερισμό 2vvm είναι η βέλτιστη ζύμωση
ως προς τη μέγιστη παραγωγή βιομάζας και καταλήγει στην παραγωγή 351
gl σε 70 ώρες Αυτό αντιστοιχεί σε απόδοση (επί του συνολικού ποσού
σακχάρων) 0511 και μέση παραγωγικότητα (ρυθμό παραγωγής βιομάζας)
0501 glh
- Η ζύμωση δύο σταδίων με αερισμό 1vvm παράγει σημαντικά λιγότερη
βιομάζα (281 gl) σε σχέση με τη ζύμωση δύο σταδίων τροφοδοσίας σε
αερισμό 2vvm καθώς και περισσότερη αιθανόλη και γαλακτικό οξύ Φαίνεται
πως όσο αυξάνει η συγκέντρωση σακχάρων απαιτείται περισσότερος
αερισμός για να μην αυξηθούν σε υψηλά επίπεδα τα ανεπιθύμητα
υποπροϊόντα (αιθανόλη γαλακτικό)
- H ζύμωση ενός σταδίου με αερισμό 2vvm πλεονεκτεί ως προς το χρόνο
ζύμωσης που είναι συντομότερος από τις ζυμώσεις δύο σταδίων Η μέγιστη
βιομάζα σε αυτή τη ζύμωση φτάνει τα 245gl στις 56 ώρες Η απόδοση αυτής
της ζύμωσης είναι 0535 δηλαδή έχουμε τη βέλτιστη αξιοποίηση σακχάρων
σε αυτή τη ζύμωση Ωστόσο η παραγωγικότητα (εκτός από τη συνολική
βιομάζα) είναι χαμηλότερη σε αυτή τη ζύμωση (0438 glh) σε σχέση με τη
ζύμωση δύο σταδίων και αερισμό 2vvm παρόλο που η διάρκεια ζύμωσης
είναι συντομότερη
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
46
36 Συγκέντρωση καθαρής πρωτεΐνης της παραγόμενης βιομάζας
Μελετήθηκε η ξηρή βιομάζα ως προς την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνη σύμφωνα με
τη μέθοδο Bradford μετά από λυοτρίβηση διάλυση και θερμική επεξεργασία του
δείγματος και κατάλληλες αραιώσεις καθώς και η περιεκτικότητα πρωτεΐνης της
υγρής βιομάζας (έπειτα από φυγοκέντρηση για απομόνωση του ιζήματος βιομάζας
και ακόλουθη επεξεργασία του ιζήματος αυτού για 15 λεπτά σε υδατόλουτρο
υπερήχων) Τα δείγματα που αναλύθηκαν προήλθαν από τις ζυμώσεις με προσθήκη ή
χωρίς προσθήκη αμμωνιακών αλάτων
Πίνακας 15 Συγκέντρωση πρωτεΐνης της υγρής και ξηρής βιομάζας σε τρεις διαφορετικές
ζυμώσεις
Ζυμώσεις Ανάλυση ξηρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Ανάλυση υγρής βιομάζας
K lactis ( πρωτεΐνη)
Απόγαλα 100 χωρίς
αμμωνιακά άλατα
46 plusmn 2 52 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl θειϊκό αμμώνιο
58 plusmn 4 63 plusmn 2
Απόγαλα 100 με
5gl φωσφορικό
αμμώνιο
60 plusmn 3 65 plusmn 2
To παραγόμενο ποσοστό πρωτεΐνης κρίνεται αρκετά υψηλό σε σχέση με τη διεθνή
βιβλιογραφία ιδίως στις ζυμώσεις όπου προστίθενται επιπλέον αμμωνιακά άλατα
Όπως προκύπτει με τη ζύμωση αυτή μετατρέπεται ένα υπόστρωμα με ελάχιστη
πρωτεΐνη (lt03) σε ένα υγρό υπόστρωμα με πάνω από 5 πρωτεΐνη που αποδίδει
ξηρή βιομάζα σε σκόνη με πρωτεΐνη ~60
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
47
4 Συμπεράσματα
Όπως φάνηκε ο Kluyveromyces lactis ήταν κατάλληλος μικροοργανισμός για την
παραγωγή μονοκυτταρικής πρωτεΐνης (βιομάζας) από απόβλητο τυροκομείου
συγκεκριμένα από αποπρωτεϊνωμένο τυρόγαλα ή απόγαλα που προκύπτει μετά την
παραγωγή μυζήθρας (Εικόνα 3)
Με τη χρήση αμμωνιακών αλάτων ως μοναδικού προσθέτου και την επιλογή μιας
ζύμωσης δύο σταδίων με ενδιάμεση τροφοδοσία υποστρώματος (συνολικά 45+23 gl
σάκχαρα) επιτεύχθηκε μια συγκέντρωση βιομάζας 351 gl προσθήκη 5gl θειϊκού
αμμωνίου ανάδευση 400rpm και αερισμό 2vvm με ταυτόχρονη πλήρη
αποικοδόμηση των σακχάρων του υποστρώματος Αυτή η διαδικασία κρίνεται ως η
πιο συμφέρουσα με τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα όπου περίπου τα μισά και πλέον
σάκχαρα μετατρέπονται σε βιομάζα (ενώ τα υπόλοιπα σάκχαρα καταλήγουν στην
παραγωγή αιθανόλης οξέων διοξειδίου του άνθρακα και άλλων μεταβολιτών
Η απόδοση της ζύμωσης μπορεί επιπλέον να βελτιωθεί με την προσθήκη βιταμινών
ιχνοστοιχείων και εκχυλίσματος ζύμης (yeast extract) τα οποία όμως ανεβάζουν το
κόστος παραγωγής βιομάζας και δεν μελετήθηκαν στην παρούσα ζύμωση όπου ο
κύριος σκοπός ήταν η αξιοποίηση του υποστρώματος ως έχει για την παραγωγή
πρωτεΐνης και την ταυτόχρονη μείωση του βιολογικού του φορτίου
Οι τιμές BOD του απλού απογάλακτος μειώνονται κατά ~80 μετά το τέλος της
ζύμωσης την κατανάλωση των σακχάρων και την απομάκρυνση της βιομάζας (από
~40000 ppm σε 800 ppm) προσφέροντας ένα επιπλέον περιβαλλοντικό όφελος πέρα
από την αξιοποίηση μια πρώτης πλούσιας σε σάκχαρα και φτωχής σε πρωτεΐνη και
την επιτυχή μετατροπή της σε μια πλούσια πηγή πρωτεϊνών με ελάχιστη έως
μηδενικά σάκχαρα
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
48
Εικόνα 3 Απεικόνιση Παραγόμενης Ξηρής Βιομάζας
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
49
Βιβλιογραφία
Αγγελής Γεώργιος lsquolsquoΜικροβιολογία amp Μικροβιακή Τεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Αθ
Σταμούλης
Αντωνίου Ι Μάντη lsquolsquo Υγιεινή και Τεχνολογία του Γάλακτος και των Προϊόντων τουrsquorsquo Γ΄
Έκδοση Εκδόσεις Αδελφών Κυριακίδη αε
Aquious-PSI Membranes 200a Tecniqual Paper TP 1056us
Aquious-PSI Membranes 200a Technical Paper TP 1385us
C M Brown and A H Rose Effects of Temperature on Composition and CellVolume of
Candida utilis Department of Microbiology University of Newcastle upon Tyne England
JOURNAL OF BACTEIOLOGY Jan 1969 p 261-272 Copyright 1969 American Society
for Microbiology
Certic M and Shimizu S 1999 Biosynthesis and regulation of microbial polyunsaturated
fatty acid production J Biosci Bioneg 87 pp 1-14
Davies RJ and Holdsworth JE (1992) Adv Appl Lipid Res 1 119-159
Food and Agriculture Organization of the United Nations Amino acid content of foods and
biological data on proteins FAO Nutritional Studies No 24 Rome Italy
Israelidis J Cleanthis Food Technology Institute Professor of Biology at Southeasterm
College Athens Greece 1986
ΚΙ Ισραηλίδης αξιοποίηση στερεών οργανικών αγροτοβιομηχανικών αποβλήτων
Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γεωργικών Προϊόντων ndash ΕΘΙΑΓΕ
Π Κοτζεκίδου- Ρούκα 2000 lsquolsquoΜικροβιολογία Τροφίμωνrsquorsquo Εκδόσεις Υπηρεσία
Δημοσιευμάτων Θεσσαλονίκη
Δ Α Κυριακίδη lsquolsquoΒιοτεχνολογίαrsquorsquo Εκδόσεις Ζήτη
Mohsen H Selim Ali M Elshafei Ahmed I E1-Diwany Production of Single Cell Protein
from Yeast Strains Grown in Egyptian Vinasse Department of Microbial Chemistry
Department of Natural Products National Research Centre Dokki Cairo Egypt Bioresource
Technology 36 (1991) 157-160
M Ibrahim Rajoka MA Tariq Kiani Sohail Khan MS Awan and Abu-Saeed
Hashmi Production of single cell protein from rice polishings using Candida utilis 2004
Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands World Journal of Microbiology amp
Biotechnology 20 297ndash301 2004
Ratledge C 1994 Yeasts moulds algae and bacteria as sources of lipids In Kamel BS
and Kakuda Y Editors 1994 Technological Advantages in Improved and Alternative
Sources of Lipids Blackie Academic and Professional London pp 235-291
Σουφλερός Ηρ Ευάγγ (1997) Οινολογία επιστήμη και τεχνογνωσία τόμος 1 και 2
Θεσσαλονίκη Τυπογραφία Παπαγεωργίου
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
50
Shaokui Zheng Bioresource Technology 96 (2005) 1183ndash1187 Biomass production of yeast
isolate from salad oil manufacturing wastewater
John E Smith Th rd Ed t lsquolsquoB tech gyrsquorsquo tud es B gy
Tsimidou et al 1992 Ryan and Robards et al 1998 συστατικά του κατσίγαρου
Venetsaneas N Antonopoulou G Stamatelatou K Kornaros M Lyberatos G 2009
Using cheese whey for hydrogen and methane generation in a two-stage continuous process
with alternative pH controlling approaches Bioresource Technology 100 (15) 3713-3717
Andrew Willetts and Unai Ugalde the production of single-cell protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800 (1987)
D Beauseiour ALeduy and R S Ramalho (1981) Batch Cultivation of Kluyveromyces
Fragihs in Cheese Whey The Canadian Journal of Chemical Engineering Vol 59 521-526
AE Ghaly M Kamal LR Correia (2005) Kinetic modelling of continuous submerged
fermentation of cheese whey for single cell protein production Bioresource Technology 96
(2005) 1143ndash1152
Ghanem KM El-Refai A El-Gazaerly M (1986) Some fermentation parameters
influencing single cell protein production by Saccharomyces uvarum Y-1347 Agricultural
Wastes Volume 15 (2) 113-120
AA Koutinas I Athanasiadis A Bekatorou M Iconomopoulou G Blekas (2005) Kefir
Yeast Technology Scale-Up in SCP Production Using Milk Whey BIOTECHNOLOGY
AND BIOENGINEERING VOL 89 (7) 788-796
H Kallel-Mhiri a C Valanceb TM Engasserb amp A Miclo (1993) Yeast Continuous
Mixed Cultures on Whey Permeate and Hydrolysed Starch Process Biochemirny 29 (1994)
381-386
Moeini H Nahvi I Tavassoli M (2004) Improvement of SCP production and BOD
removal of whey with mixed yeast culture Electronic Journal of Biotechnology
Volume 7 (3) 249-255
D K SANDHU and M K WARAICH (1983) Conversion of Cheese Whey to Single-Cell
Protein Biotechnology and Bioengineering Vol XXV Pp 797-808
N Schultz L Chang A Hauck M Reuss C Syldatk (2006) Microbial production of
single-cell protein from deproteinized whey concentrates Appl Microbiol Biotechnol 69
515ndash520
AWillets and UUgalde (1987) The production of single cell-protein from whey
Biotechnology Letters Vol 9 No ii 795-800
Ιστοσελίδες
wwwchemistryupatrasgr
wwwenwikipediaorgwikiSingle_cell_protein
wwwmicrobiologyprocedurecom
wwwmolecular-plant-biotechnologyinfo
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-
ΓΑ Νούσιας ΟΕ Αρ Κουπονιού 72313222-01-000095
51
wwwwiley-vchde
wwwbiopoliticsgr
wwwpharmuoagr
wwwnfproteincom
wwwetdlibttuedu
- nousias01pdf
-
- Slide Number 1
-
- Nousias02
-