Αξιοποίηση του υγρού κλάσματος ζύμωσης βιοαποβλήτου για την παραγωγή  ω-3  λιπαρού οξέος από το μικροφύκος Crypthecodinium cohnii

Χατζηδάκη, Αγγελική; Chatzidaki, Angeliki

dc.contributor.author	Χατζηδάκη, Αγγελική	el
dc.contributor.author	Chatzidaki, Angeliki	en
dc.date.accessioned	2019-06-18T11:16:34Z
dc.date.available	2019-06-18T11:16:34Z
dc.date.issued	2019-06-18
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48845
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16409
dc.rights	Default License
dc.subject	Μικροφύκος	el
dc.subject	Βιοαπόβλητα	el
dc.subject	ω-3 λιπαρά οξέα	el
dc.subject	Βιοαντιδραστήρες	el
dc.subject	Οργανικά οξέα	el
dc.subject	Crypthecodinium cohnii	en
dc.subject	Bioreactors	en
dc.subject	Biowastes	en
dc.subject	Volatile fatty acids	en
dc.subject	ω-3 fatty acids	en
dc.title	Αξιοποίηση του υγρού κλάσματος ζύμωσης βιοαποβλήτου για την παραγωγή ω-3 λιπαρού οξέος από το μικροφύκος Crypthecodinium cohnii	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βιοτεχνολογία μικροοργανισμών	el
heal.classification	Βιοχημική τεχνολογία και μηχανική-βιοτεχνολογία	el
heal.classification	Περιβαλλοντική βιοτεχνολογία	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/523dbca59ed539b76aeb249f2bb99717e146c4d5
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/7976b2f9d3bd98af08dc6a9a4f2e947144d26b5d
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/eb93c1c4545684339db201dcb520a28edd9f0225
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-19
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη του μικροφύκους Crypthecodinium cohnii υπό ετερότροφες συνθήκες σε διήθημα από το υγρό κλάσμα ζύμωσης αποβλήτων για την παραγωγή ουσιών υψηλής προστιθέμενης αξίας, καθώς και η μελέτη των κατάλληλων συνθηκών της ετερότροφης αυτής καλλιέργειας και συγκεκριμένα της θερμοκρασίας και των πηγών αζώτου. Για την μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν πτητικά οργανικά οξέα και διήθημα από το υγρό κλάσμα ζύμωσης αποβλήτων κήπου και τροφίμων. Οι μεταβολίτες που εξετάζονται είναι τα λιπαρά οξέα και κυρίως το εικοσιδιεξανοϊκό (DHA). Το στέλεχος του μικροφύκους που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα είναι το Crypthecodinium cohnii ATCC® 30772™. Καταρχάς, μελετήθηκαν διαφορετικές πηγές άνθρακα για την ανάπτυξη του μικροφύκους, με πηγή αζώτου το yeast extract και θερμοκρασία επώασης τους 27 οC. Σε πρώτο επίπεδο εξετάστηκαν καλλιέργειες διαλείποντος έργου (batch) με πτητικά οργανικά οξέα (VFAs), συγκεκριμένα το βουτυρικό οξύ, το προπιονικό οξύ και το οξικό οξύ (σε μορφή οξικού ανιόντος), σε συγκεντρώσεις 5 g/L-30 g/L και επιπλέον 50g/L για την περίπτωση του οξικού. Η επιλογή των οξέων που εξετάστηκαν οφείλεται στο ότι αυτά αποτελούν προϊόντα της ζύμωσης αποβλήτου. Στη συνέχεια, κρίθηκε απαραίτητη η μελέτη των πηγών άνθρακα σε μεγαλύτερη κλίμακα. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν βιοαντιδραστήρες ημιδιαλείποντος έργου (fed-batch) με παροχή τροφοδοσίας τις πηγές άνθρακα. Πέρα από τις καθαρές πηγές άνθρακα, οξικό, βουτυρικό και προπιονικό οξύ, μελετήθηκε διήθημα από το υγρό κλάσμα ζύμωσης του αποβλήτου, επεξεργασμένο με σκοτεινή ζύμωση (dark fermentation), και συνθετικό διάλυμα οξέων, ίδιας σύστασης οξέων με το διήθημα. Για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης των πτητικών οργανικών οξέων πραγματοποιήθηκε ανάλυση με υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης. Για τα δείγματα των βιοαντιδραστήρων μετρήθηκε η μεταβολή της συγκέντρωσης αζώτου με τη μέθοδο Kjeldahl. Για την βελτιστοποίηση των συνθηκών ανάπτυξης του μικροφύκους C.cohnii παρασκευάστηκαν batch καλλιέργειες με διαφορετικές πηγές αζώτου και με διαφορετικές θερμοκρασίες ανάπτυξης με πηγή άνθρακα το ανιόντα οξικού. Στο πλαίσιο ανάλυσης των λιπαρών οξέων και κυρίως του DHA που παράγονται από το μικροφύκος, η βιομάζα εκχυλίστηκε και απομονώθηκαν τα λιπαρά οξέα. Έπειτα, από εστεροποίηση των λιπαρών πραγματοποιήθηκε ανάλυση με αέριο χρωματογράφο GC-FID. Στο χρωματογράφημα παρατηρούνται κορυφές των μεθυλεστέρων λιπαρών οξέων για το C14, C16, C18, C18:1 και για το DHA με χρόνο έκλουσης 28,8 min. Στις καλλιέργειες διαλείποντος έργου, όπου εξετάστηκαν τα οργανικά οξέα ως πηγές άνθρακα, προέκυψε ότι το μικροφύκος δύναται να καταναλώσει όλα τα οξέα που μελετήθηκαν. Καλύτερη πηγή άνθρακα τόσο ως προς την απόδοση βιομάζας όσο και ως προς την παραγωγή DHA αποτελεί το οξικό νάτριο σε συγκέντρωση 30 g/L με τιμή συγκέντρωσης DHA στην τελικό όγκο της καλλιέργειας στα 0,60 mg/mL. Το οξικό νάτριο του θρεπτικού μέσου προτιμήθηκε από το μικροφύκος και καταναλώθηκε πρώτο στους αντιδραστήρες προπιονικού και βουτυρικού. Μεγαλύτερη απόδοση τελικής βιομάζας και ποσοστού λιπαρών υπολογίστηκε για τον βιοαντιδραστήρα με οξικό οξύ στα 22,14 mg/mL και 49,8% της ξηρής βιομάζας αντίστοιχα. Από την χρωματογραφική ανάλυση προέκυψε ότι υψηλότερο ποσοστό DHA επί των ολικών λιπαρών παράγεται στον αντιδραστήρα προπιονικού οξέος με τιμή 35,8% των ολικών λιπαρών οξέων. Όσον αφορά το βιοαντιδραστήρα με τροφοδοσία το διήθημα του υγρού κλάσματος ζύμωσης αποβλήτου προέκυψε ότι το μικροφύκος δύναται να αναπτυχθεί και να παράξει τον επιθυμητό μεταβολίτη. Συγκρίνοντας τους βιοαντιδραστήρες με διαλύματα οργανικών οξέων ως πηγή άνθρακα, υψηλότερη είναι η τελική απόδοση βιομάζας όταν χρησιμοποιείται το διήθημα. Ίδια συμπεριφορά παρατηρείται και στην περίπτωση του ποσοστού λιπαρών και του παραγόμενου DHA με τιμές για το διήθημα στα 24,6% της ξηρής βιομάζας και 29,8% των ολικών λιπαρών αντίστοιχα. Οι χαμηλές συγκεντρώσεις οξέων στο απόβλητο και στο συνθετικό διάλυμα οξέων δεν συνέβαλαν στην ανάπτυξη υψηλής συγκέντρωσης βιομάζας. Απαραίτητο κρίνεται να συμπυκνωθεί το διήθημα αυξάνοντας τη συγκέντρωση των πηγών άνθρακα. Τέλος, η μέθοδος Kjeldahl έδειξε έντονη μείωση της συγκέντρωσης αζώτου σε όλους τους βιοαντιδραστήρες στις πρώτες 48 h. Επομένως, το μικροφύκος αναπτύσσεται σε συνθήκες έλλειψης αζώτου. Στις καλλιέργειες με διαφορετικές πηγές αζώτου και σταθερό λόγο C/N 83, μέγιστη τιμή απόδοσης βιομάζας κυττάρων εμφανίζεται στην περίπτωση χρήσης του (NH4)2SO4, ενώ μικρότερη απόδοση βιομάζας στη καλλιέργεια του NaNO3. Συγκρίνοντας τις συγκεντρώσεις DHA προκύπτει ότι η υψηλότερη συγκέντρωση DHA αντιστοιχεί στο εκχύλισμα μαγιάς (yeast extract). Υψηλές συγκεντρώσεις DHA εμφανίζουν, επίσης, το θειϊκό αμμώνιο και η ουρία. Τέλος, για τις καλλιέργειες με διαφορετικές θερμοκρασίες επώασης, υψηλότερη συγκέντρωση DHA υπολογίζεται για την καλλιέργεια με θερμοκρασία 27 oC. Στο μικρό αυτό εύρος θερμοκρασιών δεν παρατηρήθηκε μεγάλη απόκλιση στην τελική απόδοση βιομάζας.	el
heal.abstract	The purpose of this diploma thesis is the growth of the microalgae Crypthecodinium cohnii under heterotrophic conditions by using the permeate from a dark fermentation effluent for the production of high added-value products, as well as the examination of the cultivation conditions including temperature and nitrogen sources. For this study, volatile organic acids were used, as well as the permeate from the liquid fraction of fermented vegetable-garden-food wastes (VGF). The metabolites examined are fatty acids and mostly docosahexaenoic acid (DHA). The microalga strain used in the experiments is Crypthecodinium cohnii ATCC® 30772™. First of all, different carbon sources for the microalga cultivation were examined in batch cultures, with yeast extract as the nitrogen source and 27 C as the incubation temperature. Volatile fatty acids (VFAs), propionic acid, butyric acid and acetic acid (acetate anions), were added in the batch cultures with concentrations from 5 g/L to 30 g/L, as well as 50g/L for the acetate. The choice of the acids examined was due to their presence as products of the dark fermentation process. It was considered necessary to study the carbon sources in a bigger scale and therefore fed-batch bioreactors were used. As bioreactor feed, clean carbon sources were selected, such as acetic, butyric and propionic acid, but also the permeate from a dark fermentation effluent of VGF biowaste and a synthetic mixture of acids with the same acid composition as the permeate. The concentration of VFAs was calculated with HPLC analysis. The variation of the nitrogen concentration in bioreactor samples was calculated with the Kjeldahl method. Furthermore, for the optimization of the growth conditions of microalgae C.cohnii, batch cultures with different nitrogen sources or different incubation temperatures were examined. The carbon source used was the acetate. As far as the analysis of fatty acids produced by the microalga cells is concerned, the biomass was extracted and the fatty acids were isolated, followed by their esterification and analysis using a gas chromatographer GC-FID. In the chromatogram, peaks were noticed for the methyl esters of the fatty acids C14, C16, C18, C18:1 and DHA. o In the batch cultures, where carbon sources were tested, it was concluded that the microalga is able to consume all the acids examined. The best carbon source, considering the dry biomass yield and the DHA production, was sodium acetate 30g/L with a concentration of DHA at the end of the cultivation at 0,60 mg/mL. The culture medium contained sodium acetate, which was the primary choice of the microalga and was consumed first at bioreactors fed with butyric and propionic acid. Higher biomass yield at the end of the cultivation and percentage of lipids produced by the cells was calculated for the acetic acid bioreactor at 22,14 mg/mL and 49,8% of dry biomass respectively. From the chromatographic analysis was noticed that a higher percentage of DHA is produced by the propionic acid bioreactor with a value of 35,8% of total fatty acids. In addition, in relation to the bioreactor with the permeate, it was concluded that the microalga was able to assimilate the permeate and produce the desired metabolite. Comparing the bioreactors with a mixture of organic acids as carbon source, the biomass yield was higher when the permeate was used. The same behavior was also observed for the lipid percentage and the produced DHA with values for the permeate bioreactor at 24,6% of dry biomass and 29,8% of total fatty acids respectively. The low concentrations of acid in the permeate from the liquid fraction of fermented wastes and the synthetic mixture of acids prevented the biomass growth. It is considered necessary to condense the permeate in order to increase the concentration of the carbon sources. The nitrogen concentration, according to the results of the Kjeldahl method presented an intense reduction during the first 48 h for all the bioreactors examined. Therefore, the microalga is grown in a limited nitrogen environment. As for the batch cultures with different nitrogen sources and a ratio C/N at 83, the highest dry biomass yield was calculated for the culture with (NH4)2SO4, while the lowest for the NaNO3 culture. The culture with yeast extract had the highest DHA concentration. High concentration of DHA, was also observed when ammonium and urea were used as a nitrogen source. Last but not least, for the batch cultures with different incubation temperatures, higher DHA concentration was calculated for the one at 27 C. At this temperature range, no significant variation was observed in the final biomass yield.	en
heal.advisorName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κέκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	169 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true