Valorization of fermentable sugars from hemicellulose side stream
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-03-12
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
CHEM3022
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
61
Series
Abstract
Forest industry generates large amounts of hemicellulose-rich side streams every year. These carbon-rich side streams can be valorized for fermentation processes, providing sustainable source of fermentable sugars. This thesis studied microcrystalline cellulose (MCC) production side stream and its suitability for fermentation as a carbon source for range of micro-organisms. The side stream was analysed for composition of sugars and inhibitors. MCC hydrolysate contained range of monosaccharides and inhibiting compounds, with xylose being the most dominant sugar and furfural the most dominant inhibitor. Liquid side stream was evaporated for higher sugar content before valorizing it for fermentation. Four micro-organisms were selected for this study by their relevance in literature and the main product it could produce in industrial scale. Two lactic acid producing bacteria Microbe A and Microbe C, polyhydroxyalkanoates (PHA) producing bacterium Microbe B and mycopro-tein producing filamentous fungus Microbe D were cultivated in the hydrolysate. Cultivations were conducted in two different total sugar concentrations of hydrolysate, 70 g/l and 140 g/l in shake flask scale. Growth of bacteria in hydrolysate cultivations were measured with optical density (OD) readings and fungus by consumption of sugars during the cultivation. By the results of growth curves fitted with DMfit software, Microbe A had most significant growth in higher concentrated hydrolysate with highest OD value (2.25) and maximum growth rate (0.17 h-1). Microbe B and Microbe C had only minor growth in higher concentrated hydrolysate and Microbe D showed no growth in the media. The results showed that the untreated side stream was a potential source of carbon for Microbe A but not suitable for Microbe D cultivation. However, further research and optimization is required for able to utilize the hydrolysate in bigger scale fermentations and to get more knowledge on why other microbes did not grow in the hydrolysate as well.Hemiselluloosapohjaisia sivuvirtoja syntyy metsäteollisuuden sivuvirroista vuosittain suuria määriä. Näitä hiilirikkaita sivuvirtoja voidaan hyödyntää fermentoinneissa ja tarjota perinteisiä sokereita kestävämmän fermentoitavien sokereiden lähteen. Tässä diplomityössä tutkittiin mikrokiteisen selluloosan (MCC) tuotannon sivuvirtaa ja sen soveltuvuutta hiilenlähteeksi mikrobeille fermentoinneissa. Sivuvirrasta analysoitiin sokereiden ja inhibiittoreiden koostumus. MCC-hydrolysaatti sisälsi monia monosakkarideja ja inhiboivia yhdisteitä, joista ksyloosi oli hallitsevin sokeri ja furfuraali hallitsevin inhibiittori. Nestemäinen sivuvirta haihdutettiin korkeamman sokeripitoisuuden saavuttamiseksi ennen kuin se hyödynnettiin fermentointeihin. Tähän tutkimukseen valittiin neljä mikrobia niiden merkittävyyden perusteella kirjallisuudessa ja päätuotteen perusteella, mitä ne voisivat tuottaa teollisessa mittakaavassa. Hydrolysaatissa kasvatettiin kahta maitohappoa tuottavaa bakteeria (Mikrobi A ja Microbi C), polyhydroksialkanoaatteja (PHA) tuottavaa bakteeria (Mikrobi B) ja mykoproteiinia tuottavaa rihmasientä (Mikrobi D). Fermentaatiot suoritettiin kahdessa eri hydrolysaatin kokonaissokeripitoisuudessa, 70 g/l ja 140 g/l ravistelupulloissa. Bakteerien kasvua hydrolysaattikasvatuksissa mitattiin optisen tiheyden (OD) avulla ja sienikasvua sokerien kulutuksen perusteella fermentoinnin aikana. DMfit-ohjelmistolla sovitettujen kasvukäyrien tulosten perusteella Mikrobi A:lla oli merkittävin kasvu konsentroidummassa hydrolysaatissa OD-arvolla 2,25 ja maksimikasvunopeudella 0,17 h-1. Mikrobi B ja Mikrobi C kasvoivat vain vähän konsentroidummassa hydrolysaatissa ja Mikrobi D ei osoittanut kasvua ollenkaan. Tulokset osoittivat, että käsittelemätön sivuvirta oli mahdollinen hiilen lähde Mikrobi A:lle, mutta ei Mikrobi D:n fermentointiin. Lisätutkimusta ja optimointia kuitenkin tarvitaan, että hydrolysaattia voitaisiin hyödyntää suuremman mittakaavan fermentoinneissa ja saada lisää tietoa siitä, miksi muut mikrobit eivät kasvaneet hydrolysaatissa yhtä lailla.Description
Supervisor
Oinas, PekkaThesis advisor
Taskila, SannaOjamo, Heikki
Keywords
fermentation, forest industry side stream, hydrolysate, lactic acid bacteria, filamentous fungus