Przetwarzanie produktów ubocznych
przemysłu rolno-spożywczego
Inżynieria bioprocesowa
Przetwarzanie produktów ubocznych
przemysłu rolno-spożywczego
Inżynieria bioprocesowa
Wprowadzenie
Surowce = 100%
Przemysł
piekarski
cukierniczy
makaronowy
olejarski
- 98-99% (odpady 1-2%)
cukrowniczy
mleczarski
spirytusowy
piowowarski
- 75-90% (odpady10-25%)
100kg (25kg s.m.) ziemniaków = 15kg (skrobia) + 10kg (odpady)
ZANIECZYSZCZENIE ŚRODOWISKA
Tłuszcze odpadowe
m.in.: kwasy tłuszczowe, szlamy olejowe, olej autoklawowy i
inne
(zawierają kw. nienasycone od C
16
do C
22
)
Źródło węgla i energii dla drobnoustrojów – lipidy i pochodne:
triacyloglicerole, wolne kw. tłuszczowe, węglowodory
Katabolizowane przez:
Grzyby rodzaj:
Aspergillus, Rhizopus, Penicillium, Mucor,
Hansenula, Pichia, Geotrichum, Oospora, Candida,
Saccharomycopisis
Bakterie rodzaj:
Alcaligenes, Bacillus, Chromobacterium,
Lactobacillus, Micrococcus, Streptococcus
Kierunki praktycznego zastosowania tłuszczów jako
samodzielnych substratów do biosyntezy:
-olej palmowy, rzepakowy i z orzeszków ziemnych,
mydła sodowe: pożywka dla Saccharomycopisis
lipolytica (Candida lipolytica),
- soap stocks (mydła powstające podczas odkwaszania
oleju), szlamy olejowe, olej rzepakowy, sojowy:
pożywka dla Candida tropicalis,
-utylizacja porafineryjnych kw. tłuszczowych i tłuszczu
kanałowego: Candida utilis,
- przetwarzanie odpadowych tłuszczów zwierzęcych:
Candida guilliermondii, Candida utilis, Kluyveromyces
marxianus var marxianus,
Kierunki praktycznego zastosowania tłuszczów jako
samodzielnych substratów do biosyntezy:
-przetwarzanie mieszaniny tłuszczu poch. zwierzęcego i
hydrolizatów drewna: Candida scottii,
- utylizacja ścieków po ekstrakcji oleju palmowego:
Aspergillus oryzae
-utylizacja ekstraktu z wytłoków rzepakowych
wzbogaconych glukozą : Aspergillus niger
-biosynteza kw. cytrynowego w pożywkach z olejem
kokosowym, palmowym i rzepakowym: Hansenula
californica, Saccharomycopisis lipolytica, Candida
tropicalis, Aspergillus niger
Mikrobiologiczna konwersja nieatrakcyjnych tłuszczów
w tłuszcze przydatne (spożywczy, kosmetyczny,
komponenty paliw płynnych)
Serwatka tzw. „serum” 145 x 10
6
t/rok
Produkcja serów (serwatka słodka-podpuszczkowa pH
6-7), twarogów, kazeiny (serwatka kwaśna pH <5) –
źródło składników organicznych – zagrożenie
ekologiczne
Perspektywy biotechnologicznego przetwarzania
serwatki:
-50% przetwarzane na różne produkty spożywcze
(m.in. 45% postać ciekła, 30% proszek serwatkowy,
15% postać laktozy i bezlaktozowych produktów
ubocznych, reszta to preparaty białek serwatkowych
Serwatka tzw. „serum”
Procesy membranowe:
Odwrócona osmoza
(
Odwrócona osmoza polega na separacji
cząstek wody od innych rozpuszczonych w niej związków za pomocą
membrany półprzepuszczalnej. Serwatka wtłaczana jest pod ciśnieniem
na powierzchnię membrany półprzepuszczalnej, gdzie cząsteczki wody
przechodzą przez mikroskopijne pory membrany, a rozpuszczone
zanieczyszczenia zostają odrzucone do odpływu
),
Ultrafiltracja,
Elektrodializa (
Elektrodializa jest techniką membranową, w której
wykorzystuje się selektywność membran w transporcie jonów
zachodzącym w polu elektrycznym
)
Wymiana jonowa
Filtracja żelowa
Serwatka tzw. „serum”
Ultrafiltracja
Retentat (koncentrat) – całość białek, część laktozy i
soli mineralnych
Permeat
(odciek) – laktoza, sole mineralne,
niebiałkowe związki azotowe
(sery, twarogi homogenizowane, desery twarogowe,
napoje fermentowane, lody)
Serwatka tzw. „serum”
Napoje z serwatki
- napoje fermentowane
Bakterie rodzaj: Streptococcus, Lactobacillus
-produkcja piwa, szampana (odbiałczona serwatka lub
koncentraty glukozowo-galaktozowe
odmineralizowane z serwatki)
- piwo z serwatki
- napoje musujące Rivella (Holandia)
Serwatka tzw. „serum”
-Kwas mlekowy i jego sole
(substancja ukwaszająca i
konserwująca i surowiec do produkcji polimerów – kw.
polimlekowego i akrylowego)
Surowiec: serwatka lub permeat
Fermentacja mlekowa - Lactobacillus
Bioreaktory MRB (Membrane Recycle Reactor)
Oddzielenie kw. mlekowego – wymiana jonowa,
odwrócona osmoza, elektrodializa
Serwatka tzw. „serum”
-Kwas propionowy i jego sole
Substrat: serwatka lub permeat wzbogacony
mikroelementami
Glikoliza (glukoza –
kw.pirogronowy,kw.octowy,kw.jabłkowy,
kw.bursztynowy)
Bakterie fermentacyjne rodzaj: Propionibacterium,
Clostridium propionicum
-utrwalanie ziarna zbóż paszowych,
-produkcja wędlin
-przedłużanie trwałości pieczywa
Serwatka tzw. „serum”
-Kwas cytrynowy i jego sole
Substrat: serwatka lub permeat
Grzyby fermentacyjne rodzaj: Aspergillus niger
-przemysł chemiczny, spożywczy
Serwatka tzw. „serum”
-Butanol
Substrat: serwatka, permeat
Bakterie rodzaj: Clostridium acetobutylicum
-przemysł chemiczny
-przemysł petrochemiczny
Serwatka tzw. „serum”
-Mikrobiologiczne polisacharydy (biopolimery z
mikroorganizmów tzw. Egzopolisacharydy (EPS)
Np.: Guma ksantanowa, Pullulan
Substrat: serwatka, permeat
Bakterie rodzaj: Xanthomonas campestris (patogen
roślinny), Aureobasidium pullulans
Grzyby rodzaj: Kluyeromyces marxianus
-przemysł chemiczny, spożywczy
Biotechnologia 2 (41) 1998
Drobnoustrojowy polisacharyd – pululan, właściwości, biosynteza i zastosowanie.
Properties, biosynthesis, and applications of microbial polysaccharide - pullulan
Galas E., Tarbasz-Szymańska Ł., Pankiewicz T.
1. Instytut Biochemii Technicznej Politechnika Łódzka Łódź.
http://www.apteka-centrum.pl/vital-balance-ampulki-l
iftingujace-p-2220.html
Serwatka tzw. „serum”
-Oligopeptydy
Substrat: serwatka
Grzyby rodzaj: Kluyeromyces marxianus
-przemysł farmaceutyczny (oligopeptydy sprzyjają
absorpcji składników mineralnych w jelitach)
Serwatka tzw. „serum”
-Przetwarzanie serwatki na cele paszowe
Substrat: serwatka
Bakterie rodzaj: fermentacja mlekowa: Lactobacillus
lactis, L.casei, Streptococcus lactis
- utrwalanie i detoksykacja poekstrakcyjnej śruty
rzepakowej lub ziarna (np. redukcja antyzywieniowych
izotiocyjanianów I ich pochodnych),
-biomasa jako biostymulator kiszenia pasz,
-produkcja probiotyków
(Nazwa probiotyki odnosi się do żywych
drobnoustrojów stanowiących uzupełniający składnik pożywienia człowieka i
wykazujących korzystny wpływ na stan jego zdrowia. Probiotyki są to specjalnie
wyselekcjonowane bakterie kwasu mlekowego i zbliżone do nich bifidobakterie
(pałeczki kw.mlekowego). Specyficzną cechą bakterii probiotycznych jest ich
zdolność przedostawania się w stanie żywym do jelita grubego, osiedlania się w
nim i rozmnażania. Oddziałują one korzystnie na stan zdrowotny przewodu
pokarmowego, a w konsekwencji na stan naszego zdrowia). L. brevis, L.fermentum
Serwatka tzw. „serum”
-Produkcja alkoholu etylowego
Substrat: serwatka
Grzyby (drożdze) rodzaj: Kluyveromyces marxianus
var marxianus,
Wspomagające: Saccharomyces cerevisiae
- przemysł spożywczy,
- przemysł chemiczny
Serwatka tzw. „serum”
-Produkcja biogazu (metan)
Substrat: serwatka
Fermentacja metanowa (metanogenne bakterie):
Bakterie rodzaj: Methanobacterium, Methanospirillum
- energia
Serwatka tzw. „serum”
-Produkcja mikrobiologicznych preparatów paszowych
Substrat: serwatka
- namnażanie biomasy drożdzy (Lactobacillus
delbrueckii ssp. bulgaricus – następnie Candida crusei)
-namnażanie Candida intermedia, Kluyveromyces
marxianus var. marxianus, Kluyveromyces marxianus
var. lactis
Serwatka tzw. „serum”
-Hydrolizaty laktozy
Substrat: serwatka
Enzymatyczna hydroliza laktozy
-Kluyveromyces marxianus var. marxianus,
Kluyveromyces marxianus var. lactis, Aspergillus niger
-przemysł piwowarski,
- przemysł cukierniczy,
- przemysł piekarski
Serwatka tzw. „serum”
-Otrzymywanie barwników
Substrat: serwatka
Synteza barwników
-Grzyby rodzaj: Monascus purpureus
monascorubriny,rubropunctatiny (pomarańczowe)
monascoflawiny (żółty)
monascorubraminy (czerwony)
-przemysł mięsny
Serwatka tzw. „serum”
-Hodowla pieczarek i boczniaka ostrygowatego
Substrat: serwatka i miękisz chleba
Serwatka tzw. „serum”
-Otrzymywanie bioproduktów
Substrat: serwatka, permeat
- kwasy organiczne (glukonowy, laktobionowy,
itakonowy) i ich soli,
- glicerolu,
- witamin B
2
, B
12
- aminokwasów
- i innych
Utylizacja serwatki
1dm
3
= 50 g O
2
1dm
3
ścieków komunalnych = 0,3 g O
2
(50m
3
serwatki = ścieki komunalne z 40 000
miasta)
Melasa
Otrzymywanie bioproduktów
Substrat: Melasy powstałe z ekstrakcji lub rafinacji
cukru,
- gorzelnictwo melasowe (brzeczka - 1:2, 1:3, po
zakwaszeniu kw. siarkowym i dodaniu zw. azotowych)
– S. cerevisiae (sacharoza jako źródło węgla)
- produkcja drożdzy paszowych (Candida) i
piekarskich, S. cerevisiae
- biosynteza kw.cytrynowego (Aspergillus niger)
- biosynteza kw.mlekowego (Lactobacillus delbrueckii )
- produkcja biopolimerów
Odpady ligninocelulozowe (celuloza, hemicelulozy,
lignina)
Możliwości zastosowania:
-surowiec energetyczny,
- źródło pasz i żywności, etanolu
180 mld ton/rocznie
Całkowita biodegradacja ligninocelulozy – 9-21 lat
Odpady ligninocelulozowe
Grzyb gatunek: Trichoderma reesei
Enzymy:
1,4--glukan glukanohydrolazy
1,4--glukan celobiohydrolazy
-produkcja etanolu,
- pozyskiwanie krystalicznej ksylozy – sacharyd dla
diabetyków,
- pozyskiwanie acetonu, butanolu, biomasy
drobnoustrojów o dużej zawartości białka, kw.
organicznych, paszy sacharydowo-azotanowej
Erwinia chrysanthemi, Klebsiella pneumonie (degradacja pentoz),
Odpady ligninocelulozowe i pochodne
(biosynteza bialka)
- produkcja podłóż do hodowli grzybów jadalnych,
- produkcja biomasy do degradacji celulozy I
hemiceluloz,
- otrzymywanie biomasy drożdzy (drożdze paszowe
Candida),
- produkcja białka paszowego (technologia: solid state
fermentation) – dla przeżuwaczy (słomy zbożowe,
słowma ryżowa, słoma rzepakowa, plewy zbozowe,
kaczany kukurydzy, pestki słonecznika, trociny, skórki
owoców cytrusowych, wytłoki owocowe)
Odpady ligninocelulozowe
- produkcja paliwowo –energetyczna
-etanol (metoda pośrednia i bezpośrednia)
Pośrednia: degradacja enzymatyczna celulozy do
glukozy, fermentacja alkoholowa hydrolizatu
Bezpośrednia: połączona hydroliza enzymatyczna
celulozy I jednoczesne odfermentowanie sacharydów
do etanolu (jednoczene scukrzanie I fermentacja)
Trichoderma reesei
Kluyveromyces marxianus var. marxianus
(słoma
rzepakowa)
Hydrol glukozowy – przemysł spożywczy
- uboczny produkt (z produkcji glukozy krystalicznej)
-wykorzystanie w bioreaktorach jako pożywki dla Aspergillus
niger (biosynteza kw. cytrynowego),
Drożdże piwowarskie – przemysł spożywczy
- żródło białka (60% w s.s.)
- aminokwasy, witaminy, prowitamina D, biotyna,
składniki hormonalne, kw. nikotynowy, enzymy
proteolityczne i inne
- pozyskiwanie powyższych substancji,
- wykorzystanie w bioreaktorach jako pożywki dla
Saccharomyces cerevisiae (ściany komórkowe) –
potencjalne bioemulgatory w przemyśle spożywczym i
kosmetycznym
Drożdże gorzelnicze – przemysł spożywczy
- mleczko drożdżowe (filtracje próżniowe) w przemyśle
paszowym do poprawy jakości pasz roślinnych,
Wytłoki jabłkowe – przemysł spożywczy
- biosynteza kw. cytrynowego pożywka dla Aspergillus
niger
Odpady przemysłu krochmalniczego
Np. woda sokowa, wycierka ziemniaczana
1000t ziemniaków = 600t nierozcieńczonej wody
sokowej, 25-30t wycierki ziemniaczanej (s.s.)
Pożywka z odbiałczonego soku ziemniaczanego –
Candida pseudotropicalis
Wytłoki gronowe – przemysł spożywczy
- biosynteza ryboflawiny – Debaromyces hansenii
- płyty celulozowo-ligninowe – źródło paliwa stałego
(Debaromyces hansenii i Rhodotorula glutinis)
Wysłodziny – przemysł spożywczy
Wysłodziny – składnik słodu, wykorzystywany w
procesie zacierania I filtracji (nietrwały, procesy
gnilne)
Zakwaszona serwatka (utrwalacz) – Lactobacillus
delbrueckii subsp. bulgaricus