Utilization of industrial side streams as carbon and nutrient source for plant cell cultures

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2022-12-13

Department

Major/Subject

Biotechnology

Mcode

CHEM3022

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

79/4

Series

Abstract

The nutrients and carbon sources used in cellular agriculture result in high continuous expenses which in turn slow down the interest of utilizing in plant cell culture -based products in food industry. Sucrose is the most used carbon source for plant cell cultures. It is also the most expensive single ingredient in plant cell culture medium. In industries, and especially in food production, large amounts of nutrient and sugar-rich side streams are generated, which the producers would like to valorize more effectively. The aim for this study was to evaluate the usability of industrial side streams as carbon and nutrient source for plant cell cultures. In the experiments the composition of nine different side stream samples S1 – S9 were analyzed and their usability to replace sucrose and nutrients in the traditional plant cell growth medium was evaluated. Based on the anal-yses, side streams S4 – S7 were determined the most suitable supplements for plant cell culture medium, of which S5 – S7 were used as a source of car-bon and side stream S4 as a nutrient source due to its high salt and nutrient content. Side stream supplementation was examined in suspension cultures of arctic bramble, lingonberry, silver birch, and tobacco. Based on previous studies, plant cells can utilize various mono- and disaccharides as a carbon source, but there are species differences in the utilization abilities. The effect of side stream supplementation on plant cell culture growth was assessed by comparing biomass, appearance, and viability of the cultures. The experiments confirmed that there are species-specific differences in the utilization ability of different carbohydrates. Arctic bramble cells were able to use side stream S6 as a carbon source and possibly adapt to utilize S7 after two cultivation cycles. Side streams S6 and S7 were found to increase lingonberry biomass production compared to the corresponding control, but the cells did not utilize the sugars contained in S7. In addition, the side stream S4 was successfully used as a source of potassium, sulfur, phosphorus, and nitrogen in arctic bramble culture medium. The supplementation even accelerated the cell growth and shortened the growth cycle from nine to seven days. The experiments conducted revealed that the side streams can be suc-cessfully used as nutrient and sucrose replacements in the plant cell culture medium. The replacements would in large scale significantly decrease the production costs of plant biomass and decrease the dependency on the tradi-tional carbon sources. The usage of side streams as a feedstock for cellular agriculture would also enhance effective material recycling in the food industry.

Kasvisolujen kasvatusalustaan käytettävät ravinteet ja hiilen lähteet aiheuttavat suuria jatkuvia kustannuksia solumaataloudessa mikä osaltaan hidastaa kasvisolupohjaisten tuotteiden kehitystyötä. Sakkaroosi on yleisimmin käytetty hiilen lähde kasvisolujen kasvatuksessa. Samalla se on myös kallein yksittäinen kasvatusalustan raaka-aine. Teollisuudessa ja erityisesti ruuantuotannossa syntyy suuria määriä ravinne- ja sokeripitoisia sivuvirtoja, joille haetaan tuottavampia hyödyntämisvaihtoehtoja. Tämän työn tavoitteena oli arvioida teollisten sivuvirtojen käytettävyyttä hiilen ja ravinteiden lähteenä kasvisolukasvatuksille. Työssä analysoitiin yhdeksän erilaisen teollisuuden sivuvirtanäytteen, S1 – S9, koostumuksia ja soveltuvuutta korvaamaan perinteisen kasvatusalustan sakkaroosia ja ravinteita mesimarjan, puolukan, koivun ja tupakan solukoiden suspensiokasvatuksissa. Analyysien perusteella soveltuvimpia sivuvirtoja olivat sivuvirrat S4 – S7, joista S5 – S7 käytettiin hiilen lähteenä ja sivuvirtaa S4 ravinnelähteenä sen sisältämän korkean suola- ja ravinnepitoisuuden vuoksi. Aiempien tutkimusten perusteella kasvisolut voivat hyödyntää hiilenlähteenä erilaisia mono- ja disakkarideja, mutta hyödyntämiskyvyssä on laji- ja solulinjakohtaisia eroavaisuuksia. Sivuvirtojen vaikutusta solukoiden kasvuun arvioitiin vertaamalla solukoiden biomassan muodostusta, ulkonäköä ja elävyyttä. Tutkimustulokset vahvistivat, että eri sokereiden hyödyntämiskyvyssä on lajikohtaisia eroavaisuuksia. Mesimarjan ja puolukan solukot reagoivat sakkaroosin korvaamiseen parhaiten. Mesimarjan solukko pystyi hyödyntämään hiilenlähteenä sivuvirran S6 ja mahdollisesti adaptoitui hyödyntämään sivuvirtaa S7 kahden kasvatussyklin jälkeen. Sivuvirran S6 ja S7 havaittiin kasvattavan puolukan biomassan tuotantoa verrattuna vastaavaan kontrolliin, mutta solujen ei havaittu hyödyntävän S7 sisältämiä sokereita. Lisäksi sivuvirtaa S4 käytettiin onnistuneesti kaliumin, rikin, fosforin ja typen lähteenä mesimarjan kasvatusalustassa. Sen havaittiin jopa kiihdyttävän solukon kasvua ja lyhentävän mesimarjan tyypillistä kasvatussykliä. Tulokset viittaavat siihen, että sivuvirtoja voidaan käyttää korvaamaan kasvisolujen kasvatusalustan sakkaroosia ja ravinteita. Tämä alentaisi suuressa mittakaavassa merkittävästi kasvibiomassan tuotantokustannuksia ja riippuvuutta perinteisen maanviljelyn avulla tuotetuista sokerinlähteistä. Sivuvirtojen käyttö solumaatalouden raaka-aineena edistäisi myös materiaalien tehokkaampaa kierrätystä elintarviketeollisuudessa.

Description

Supervisor

Frey, Alexander

Thesis advisor

Ritala, Anneli

Keywords

cellular agriculture, culture medium, plant cell, circular economy

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202212187135

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM