Insights into Butyrate Production via Fermentation from Food Waste in a Biorefinery Development Project
Haahti, Sanni (2020)
Haahti, Sanni
2020
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202005118283
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202005118283
Tiivistelmä
Tämä opinnäytetyö tehtiin VTT Teknologian tutkimuslaitokselle osana Suomen Akatemian rahoittamaa biojalostamon kehitysprojekti BioChemia. Projektin tavoitteena on hyödyntää elintarviketeollisuuden sivuvirtoja arvokemikaalien tuottamiseen fermentoimalla. Ensisijaisesti haluttu lopputuote oli voihappo. Projektin aiempia saavutuksia on käytetty pohjana tälle työlle. Tässä työssä keskityttiin i) soveltamaan sekä mekaanista että biologista esikäsittelymenetelmää projektiin tarkoitetulle sivuvirtakaalille (Vaissi Oy, Suomi) sekä ii) tutkimaan projektin aiemman datan pohjalta tehdyn prosessin kinetiikkaa ja aineenvaihduntareittejä hyödyntävän simulaation toimivuutta käytännössä. Työn tavoitteena oli kehittää kustannustehokas esikäsittelyvaihe ruokajätteelle sen hyödyntämiseksi hiilenlähteenä fermentoinnissa, sekä saada tietoa eri prosessiparametrien vaikutuksesta voihapon tuottoon.
Esikäsittelymenetelmän määrityksessä tehtiin entsyymihydrolyysikokeita erilaisissa olosuhteissa sekä eri entsyymituotteilla. Mekaaninen käsittely lisättiin menetelmän tehostamiseksi. Saatua hydrolysaattia käytettiin Megasphaera cerevisiaen ja Pediococcus pentosaceuksen yhteisviljelmän anaerobisissa bioreaktorikokeissa fermentointialustojen hiilenlähteenä. Kasvatusten tuloksia tarkasteltiin glukoosin ja fruktoosin kulutuksen sekä syntyneiden orgaanisten happojen, ja erityisesti voihapon, kannalta. Fermentointikokeissa käytettävät alkukonsentraatiot sekä olosuhteisiin vaikuttavat parametrit säädettiin vastaamaan valittuja arvoja, jotka olivat MATLAB®-simulaation mukaan projektin kannalta kiinnostavia. Fermentointien merkittävimpiä tuloksia verrattiin simulaatiosta samoilla alkuparametreilla saatuihin lopputuotearvoihin. Kirjallisuuskatsauksessa keskityttiin matemaattisiin malleihin prosessin optimoinnin apuna sekä mikrobien anaerobiseen aineenvaihduntaan ja fermentointikinetiikan mallintamiseen.
Tässä työssä selvisi, että sellulaasien ja pektinaasien synergialla saa mekaanisesti murskatusta kaalista lyhyessä ajassa täysin nesteytyneen hydrolysaatin, jossa on riittävästi vapautuneita sokereita sen hyödyntämiseksi fermentoinnissa. Kaali-hydrolysaatin käyttö fermentointialustassa tuotti parhaimmallaan 16.4 g/l voihappoa. MATLAB®-simulaatio on lupaava pohja fermentointikokeiden suunnittelulle haluttujen lopputuotteiden saamiseksi kyseisessä prosessissa. M. cerevisiaen suurempi alkukonsentraatio voisi sokerikonsentraatioiden optimoinnin myötä toimia kustannustehokkaana menetelmänä kasvattaa voihapon saantoa.
Esikäsittelymenetelmän määrityksessä tehtiin entsyymihydrolyysikokeita erilaisissa olosuhteissa sekä eri entsyymituotteilla. Mekaaninen käsittely lisättiin menetelmän tehostamiseksi. Saatua hydrolysaattia käytettiin Megasphaera cerevisiaen ja Pediococcus pentosaceuksen yhteisviljelmän anaerobisissa bioreaktorikokeissa fermentointialustojen hiilenlähteenä. Kasvatusten tuloksia tarkasteltiin glukoosin ja fruktoosin kulutuksen sekä syntyneiden orgaanisten happojen, ja erityisesti voihapon, kannalta. Fermentointikokeissa käytettävät alkukonsentraatiot sekä olosuhteisiin vaikuttavat parametrit säädettiin vastaamaan valittuja arvoja, jotka olivat MATLAB®-simulaation mukaan projektin kannalta kiinnostavia. Fermentointien merkittävimpiä tuloksia verrattiin simulaatiosta samoilla alkuparametreilla saatuihin lopputuotearvoihin. Kirjallisuuskatsauksessa keskityttiin matemaattisiin malleihin prosessin optimoinnin apuna sekä mikrobien anaerobiseen aineenvaihduntaan ja fermentointikinetiikan mallintamiseen.
Tässä työssä selvisi, että sellulaasien ja pektinaasien synergialla saa mekaanisesti murskatusta kaalista lyhyessä ajassa täysin nesteytyneen hydrolysaatin, jossa on riittävästi vapautuneita sokereita sen hyödyntämiseksi fermentoinnissa. Kaali-hydrolysaatin käyttö fermentointialustassa tuotti parhaimmallaan 16.4 g/l voihappoa. MATLAB®-simulaatio on lupaava pohja fermentointikokeiden suunnittelulle haluttujen lopputuotteiden saamiseksi kyseisessä prosessissa. M. cerevisiaen suurempi alkukonsentraatio voisi sokerikonsentraatioiden optimoinnin myötä toimia kustannustehokkaana menetelmänä kasvattaa voihapon saantoa.