Abstract
Tässä työssä tutkittiin ostoskeskuksen sivuvirtojen hyödyntämistä yksisoluproteiinin tuotantoon solumaatalouden keinoin. Yksisoluproteiinilla tarkoitetaan mikrobibiomassoja, joita kehitetään soveltuvaksi sekä ihmisten että eläinten ravinnoksi ja niiden tuottamiseksi voidaan hyödyntää vähäarvoisia sivuvirtoja. Työhön valittiin syömäkelpoisen hävikin sijaan ensisijaisesti jätteiksi päätyviä sivuvirtoja, mikä toisi näille materiaaleille vielä yhden hyödyntämismahdollisuuden mädätyksen tai kompostoinnin sijaan. Sivuvirroiksi valittiin hävikkileipä, appelsiinin kuoret, kahvinporot ja virvoitusjuomajäte mikrobikasvatusten hiilen lähteeksi sekä virtsa typen lähteeksi. Mikrobikannoiksi kasvatuksiin valittiin rihmasienet Trichoderma reesei, Paecilomyces variotii ja Rhizopus oligosporus.
Sivuvirrat esikäsiteltiin niissä olevien polysakkaridien pilkkomiseksi yksinkertaisimmiksi sokereiksi, joita mikrobit voivat hyödyntää kasvuunsa. Esikäsiteltyjen sivuvirtojen sokeri- ja typpipitoisuudet analysoitiin ja tulosten perusteella valmistettiin kasvatusalustat. Koesarjat tehtiin pullokasvatuksina sekä ilman ravinnelisiä että lisätyillä typpi- tai hivenainekomponenteilla. Parhaiten biomassaa tuottaneet yhdistelmät optimoitiin MODDE-ohjelmiston avulla ja optimointitulosten perusteella valittiin kaksi sivuvirtapohjaista alustaa skaalattavaksi bioreaktorikasvatuksiin kahden litran fermentoreihin. Bioreaktorikasvatukset suoritettiin panos-syöttöprosesseina, joissa myös syöttöliuos sisälsi sivuvirtaa.
Sivuvirrat osoittautuivat toimiviksi yksisoluproteiinin tuotantoon etenkin käyttämällä lisättyä typen lähdettä, joista hiivauute toimi virtsaa paremmin. Bioreaktorikasvatuksissa päästiin vastaaviin biomassamääriin kuin pullokasvatuksissakin, n. 16–37 g/l kuiva-ainetta ja biomassan proteiinipitoisuudeksi saatiin 25–28 paino-%. Sekä biomassamäärä että sen sisältämä proteiinimäärä olivat oletettua alhaisempia, mutta sisälsivät kuitenkin kaikkia ihmisille välttämättömiä aminohappoja.
Uuselintarvikelupaprosessin hitaus ja kalleus sekä jätteiden, erityisesti virtsan, käytön hyväksyminen osaksi ruoanvalmistusprosessia ovat suurimmat esteet sille, että tämän tyyppinen kiertotalous olisi tällä hetkellä mahdollista. Tarvittavan infrastruktuurin luominen ja tuotannon optimointi ja skaalaus isoon mittakaavaan on myös hidasta. Olosuhteet perinteiseen elintarviketuotantoon saattavat muuttua epäsuotuisiksi, joten yksisoluproteiinit ihmisten ruokana tai eläinten rehuna voivat olla osaratkaisu kasvavaan maailmanlaajuiseen ruoantuotantotarpeeseen.
In this study, the utilization of side streams of a shopping center for single-cell protein production was investigated by means of cellular agriculture. Low-value side streams can be utilized in production of single-cell protein which refers to microbial biomass that is developed for animal feed and human food. For this study, side streams that primarily end up as waste were chosen as this would valorize them instead of ending up in waste treatment such as composting. Waste bread, orange peels, spent coffee grounds and soft drink waste were chosen as the carbon source for microbial cultures and urine as the nitrogen source. The filamentous fungi Trichoderma reesei, Paecilomyces variotii and Rhizopus oligosporus were selected as microbial strains for cultivations.
Side streams were pretreated to transform carbon into suitable form for microbial exploitation. Cultivation media were prepared based on the sugar and nitrogen contents of the pretreated side streams. Flask cultivation experiment series were made both without nutrient supplementation and with added nitrogen and/or trace elements. The combinations that produced the highest biomass were optimized using MODDE software. Two media based on the optimization were selected to scale up for bioreactor cultivations in 2-liter fermenters. Bioreactor cultivations were carried out as fed-batch processes where the feed solution also contained side stream.
Side streams were suitable for single-cell protein production especially with added nitrogen source, of which yeast extract worked better than urine. In bioreactor cultivations, similar biomass production was reached as in the flask cultivations, approx. 16-37 g/l biomass dry weight and the protein content of the biomass was 25-28 m-%. Both the amount of biomass and the amount of protein were lower than expected. However, all essential amino acids were produced.
The slowness and cost of the novel food regulation process and the acceptance of the use of waste, especially urine, as a part of the food production are the greatest obstacles to making this type of circular economy being possible at the moment. Creating the necessary infrastructure and optimizing and scaling for large production is also rather slow. However, conditions for traditional food production may become unfavorable and single-cell proteins as human food or animal feed can be a partial solution to the growing demand in food production.
Sivuvirrat esikäsiteltiin niissä olevien polysakkaridien pilkkomiseksi yksinkertaisimmiksi sokereiksi, joita mikrobit voivat hyödyntää kasvuunsa. Esikäsiteltyjen sivuvirtojen sokeri- ja typpipitoisuudet analysoitiin ja tulosten perusteella valmistettiin kasvatusalustat. Koesarjat tehtiin pullokasvatuksina sekä ilman ravinnelisiä että lisätyillä typpi- tai hivenainekomponenteilla. Parhaiten biomassaa tuottaneet yhdistelmät optimoitiin MODDE-ohjelmiston avulla ja optimointitulosten perusteella valittiin kaksi sivuvirtapohjaista alustaa skaalattavaksi bioreaktorikasvatuksiin kahden litran fermentoreihin. Bioreaktorikasvatukset suoritettiin panos-syöttöprosesseina, joissa myös syöttöliuos sisälsi sivuvirtaa.
Sivuvirrat osoittautuivat toimiviksi yksisoluproteiinin tuotantoon etenkin käyttämällä lisättyä typen lähdettä, joista hiivauute toimi virtsaa paremmin. Bioreaktorikasvatuksissa päästiin vastaaviin biomassamääriin kuin pullokasvatuksissakin, n. 16–37 g/l kuiva-ainetta ja biomassan proteiinipitoisuudeksi saatiin 25–28 paino-%. Sekä biomassamäärä että sen sisältämä proteiinimäärä olivat oletettua alhaisempia, mutta sisälsivät kuitenkin kaikkia ihmisille välttämättömiä aminohappoja.
Uuselintarvikelupaprosessin hitaus ja kalleus sekä jätteiden, erityisesti virtsan, käytön hyväksyminen osaksi ruoanvalmistusprosessia ovat suurimmat esteet sille, että tämän tyyppinen kiertotalous olisi tällä hetkellä mahdollista. Tarvittavan infrastruktuurin luominen ja tuotannon optimointi ja skaalaus isoon mittakaavaan on myös hidasta. Olosuhteet perinteiseen elintarviketuotantoon saattavat muuttua epäsuotuisiksi, joten yksisoluproteiinit ihmisten ruokana tai eläinten rehuna voivat olla osaratkaisu kasvavaan maailmanlaajuiseen ruoantuotantotarpeeseen.
In this study, the utilization of side streams of a shopping center for single-cell protein production was investigated by means of cellular agriculture. Low-value side streams can be utilized in production of single-cell protein which refers to microbial biomass that is developed for animal feed and human food. For this study, side streams that primarily end up as waste were chosen as this would valorize them instead of ending up in waste treatment such as composting. Waste bread, orange peels, spent coffee grounds and soft drink waste were chosen as the carbon source for microbial cultures and urine as the nitrogen source. The filamentous fungi Trichoderma reesei, Paecilomyces variotii and Rhizopus oligosporus were selected as microbial strains for cultivations.
Side streams were pretreated to transform carbon into suitable form for microbial exploitation. Cultivation media were prepared based on the sugar and nitrogen contents of the pretreated side streams. Flask cultivation experiment series were made both without nutrient supplementation and with added nitrogen and/or trace elements. The combinations that produced the highest biomass were optimized using MODDE software. Two media based on the optimization were selected to scale up for bioreactor cultivations in 2-liter fermenters. Bioreactor cultivations were carried out as fed-batch processes where the feed solution also contained side stream.
Side streams were suitable for single-cell protein production especially with added nitrogen source, of which yeast extract worked better than urine. In bioreactor cultivations, similar biomass production was reached as in the flask cultivations, approx. 16-37 g/l biomass dry weight and the protein content of the biomass was 25-28 m-%. Both the amount of biomass and the amount of protein were lower than expected. However, all essential amino acids were produced.
The slowness and cost of the novel food regulation process and the acceptance of the use of waste, especially urine, as a part of the food production are the greatest obstacles to making this type of circular economy being possible at the moment. Creating the necessary infrastructure and optimizing and scaling for large production is also rather slow. However, conditions for traditional food production may become unfavorable and single-cell proteins as human food or animal feed can be a partial solution to the growing demand in food production.
Translated title of the contribution | Utilization of shopping center side streams for single-cell protein production |
---|---|
Original language | Finnish |
Qualification | Master Degree |
Awarding Institution |
|
Supervisors/Advisors |
|
Award date | 4 Sept 2023 |
Publisher | |
Publication status | Published - Sept 2023 |
MoE publication type | G2 Master's thesis, polytechnic Master's thesis |