Utilization of future food court side streams as alternative carbon and nutrient source for plant cell cultures

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-01-22
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
85 + 8
Series
Abstract
Current food production capacity with only conventional agriculture is not sufficient to solely sustain the food demand for increasing human population. Sufficient food production could be enabled by combining conventional farming with cellular agriculture. Cellular agriculture refers to the production of agricultural commodities with plant, microbial and animal cells. Cellular agriculture, such as single cell protein synthesis, could also reduce the food production associated burden to land use and climate of food in the future. However, applications in cellular agriculture comes with many challenges, one of which includes the high costs for growth medium components. The aim of this thesis was to utilize alternative sources for carbon and nutrients for the plant cell growth medium to reduce costs. The alternative sources assessed in this thesis included biodegradable side streams from shopping centre environment. There, side streams accumulate from food courts and markets and could include orange peels, soda drink waste mix, expired bread, spent coffee grounds and brewer’s spent grains. Urine was also considered as a potential nutrient source since it possesses many valuable compounds that are required for the growth of plant cells. Future efficient purification technologies could permit the food regulation to allow the use of urine as a nutrient source. Plant cells require carbon and nutrients in a soluble form, therefore pre-treatments were applied for solid side streams to release monosaccharides from longer polysaccharide chains. The utilization potential of the side streams was evaluated by using them as culture medium components for cultivations of three non-taxonomically related plant cell lines: arctic bramble, tobacco BY-2, and barley. The side stream suitability was assessed by using biomass production after a cultivation period as a scale for comparison. Soda drink waste mix and synthetic urine contributed for the highest biomass concentrations, which was used as a measure for growth. These side streams were used as main components for optimization of growth media composition. Both side streams were successfully utilized for cultivations, especially for arctic bramble with notable increase in biomass concentration. Side streams were found to be potential culture medium components for plant cell cultures but notable differences in growth and growth behaviour between the studied plant cell lines were observed. The appliance of thus far unutilized side steams would enhance the circular economy and improve the food value chain. In addition, the economical sustainability of production would improve as costly components would be replaced with unutilized sources.

Nykyiset maanviljely- ja ruoantuotantomenetelmät eivät yksinään pysty tuottamaan tarpeeksi ruokaa kasvavan väkiluvun ruokatarpeisiin. Solumaatalouden avulla voitaisiin osittain täydentää ruoantuotannon riittämättömyyttä tulevaisuudessa kasvattamalla kasvi-, mikrobi- ja eläinsolujen avulla ruoka-aineita. Määrän lisääminen proteiinien, ja muiden raaka-aineiden tuotannossa solumaatalouden avulla voisi pienentää nykyisen maatalouden kuormitusta ja mahdollistaa ruoan riittävyyden. Solumaatalouden kehitystyön haasteina ovat kuitenkin korkeat kasvatusalustan ja siten tuotannon kustannukset. Tässä työssä tutkittiin kasvualustan ravinteiden ja hiilen lähteen korvaamista os-toskeskuksissa syntyvillä sivuvirroilla ja tavoitteena oli alentaa kasvatusalustan kustannuksia. Tutkittavia ruokaperäisiä sivuvirtoja olivat esimerkiksi appelsiinin kuoret, virvoitusjuomajäte, vanhentunut leipä, kahvinporot ja oluen tuotannosta syntyvä mäski. Tässä työssä tutkittiin myös ihmisvirtsaa mahdollisena ravinteiden lähteenä, koska se sisältää kasvisolujen kasvulle tärkeitä yhdisteitä. Vaikka virtsaa ei voida vielä hyödyntää sivuvirtana nykyisten säädösten takia, tulevaisuudessa sen hyödyntäminen voisi kuitenkin olla mahdollista tehokkaampien suodatus- ja puhdistusmenetelmien ansiosta. Ruokaperäisten kiinteiden sivuvirtojen hyödyntäminen edellytti esikäsittelyjä, jotta niiden sisältämät sokerit ja ravinteet saatiin kasvisoluille hyödynnettävään liukoiseen muotoon. Esikäsittelyiden tarkoitus oli hajottaa sivuvirtojen sisältämiä pidempiä polysakkarideja lyhyemmiksi monosakkarideiksi. Sivuvir-tojen soveltuvuutta kasvatusalustan eri komponentteina arvioitiin kasvisolujen biomassan tuotannolla. Työssä tutkittiin mesimarjan, tupakan, ja ohran kasvisolulinjojen välisiä eroja sivuvirtojen hyödyntämisessä. Kasvisolulinjat ja sivuvirrat, jotka mahdollistivat parhaimman kasvun, valittiin osaksi kasvatusalustan optimointia. Limujätteen ja synteettisen virtsan yhdistelmää hyödynnettiin onnistuneesti erityisesti mesimarjan kasvatusalustassa. Tutkimustulokset osoittivat, että sivuvirtojen hyödyntämismahdollisuudet osana kasvatusalustaa ravinteiden ja hiilen lähteinä ovat hyvät. Tehtyjen kasvatuskokeiden perusteella kasvisolujen välillä ilmeni eroja kasvukäyttäytymisessä ja biomassan tuotannossa. Sivuvirtojen käyttö mahdollistaisi uusien solumaatalouden sovellusten kestävämmän kehittämisen, sekä kiertotalouden edistämisen lisäämällä materiaalien kokonaisvaltaista kierrätystä.
Description
Supervisor
Jouhten, Paula
Thesis advisor
Ritala, Anneli
Pajumo, Maria
Keywords
plant cell, cellular agriculture, culture medium, pre-treatment
Other note
Citation