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