Single Cell Protein (SCP) Production from Date Juice

Single Cell Protein (SCP) Produktion aus Dattelpalmensaft

  • Single cell protein is a term for the protein that can be used into human foods or mixed animal feeds. The source of this protein is microorganisms which grow as unicellular rather than as complex multicellular such as bacteria, yeast, moulds or algae. There are several carbon sources, which can be used in single cell protein production (SCP). Many processes have been developed to produce SCP at low cost. However, in all these processes, the type of substrate has determined design and the cost of the product’s process. Substrates are ranged from by–products like whey and molasses to a high complicated substrate like cellulose and passing through the use of hydrocarbons as substrate. Many couSingle cell protein is a term for the protein that can be used into human foods or mixed animal feeds. The source of this protein is microorganisms which grow as unicellular rather than as complex multicellular such as bacteria, yeast, moulds or algae. There are several carbon sources, which can be used in single cell protein production (SCP). Many processes have been developed to produce SCP at low cost. However, in all these processes, the type of substrate has determined design and the cost of the product’s process. Substrates are ranged from by–products like whey and molasses to a high complicated substrate like cellulose and passing through the use of hydrocarbons as substrate. Many countries have an overproduction of dates. For instant, Iraq exports most of his harvested dates with cheep price. In many cases, there is a waste of this product within storage. It was reported that annually about 14.3 %( 60.000 tonne) of Iraqi dates is wasted while about 35.7% (100.000 tonne) is used as animal feed. Therefore, it was intended to investigate the potential of date juice as a substrate for single cell production. Simplex method was used to optimize cultivation parameters such as temperature and pH. Applying this technique was because of the simultaneous effect of the parameters. Applying factorial design, in existence of such interaction between parameters, requires many experiments in order to get the optima. In contrast, using simplex method caused a large reduction in the number of required experiments. The optima of temperature and pH were found within just 28 runs. Some of these runs were done in order to ensure the result. A wide range of pH and temperature was investigated. The range of pH was (3.0-7.0) and the range of temperature was (26.4-32°C) with an interval increment of 0.2 for both variables. Such wide ranges in the presence of the parameters interaction showed the powerful of using simplex technique in optimization. Thus optima of temperature and pH were 27.7°C and 4.0 respectively. In order to find the optima of stirring speed and air flow rate, an idea of studying a simultaneous effect was raised up. This idea gave the benefit of reduction of the required experiments number on one hand. On the other hand, it has given the flexibility of either control the stirring speed or air flow rate for future research application. The simultaneous effect was assumed to be presented by dissolved oxygen content in the medium as the cells is affected by oxygen content. The results indicated that oxygen dissolved content of 75% saturation was the optima. Before and after this percentage, the biomass was less. Thus before this percentage, oxygen content possibly is not sufficient. Therefore, oxidative pathway is not dominated. Moreover, an over oxidation was potentially happened above 75% saturation. A diauxic behaviour and Crabtree effect were observed by measuring absorption. A diauxic growth happens when Saccharomyces cerevisiae is growing on two hexoses as substrates. The same is observed when yeast is fed with hexose due to Crabtree effect of alcohol by-production. Since Saccharomyces cerevisiae was cultivated on one substrate, glucose complex medium, diauxic observation by absorption was an indictor for Crabtree effect. The results demonstrated that diauxic behaviour is dominated at high glucose concentration i.e. 4g/L. Moreover up to 50mg/L glucose concentration, no Crabtree effect was observed. A cybernetic mathematical model was assumed to represent the growth of Saccharomyces cerevisiae in batch mode. The simulation results were satisfied with the experimental results. Berkeley Madonna program was used to execute the proposed mathematical model. A development of the model was done to represent the continuous mode. An online measuring method was developed and applied in this work. This technique facilitated continuously absorption measurements. Therefore, the growth curves and growth parameters optimization were achieved more accurately and easily. The obtained optimum operating conditions such as (27.7°C, pH 4.0 and 75% saturation oxygen dissolved) were used in Saccharomyces cerevisiae cultivation on date juice medium within bioreactor. The biomass yield per total consumed sugar was 46.7%. Moreover, the maximum obtained protein content was 48.5% (w/w) of dry yeast biomass. Therefore, the results indicated that date juice is a potential substrate for SCP production. Additionally, date juice can be used without additives. However, such cultivation will be on the expense of time. For instance, a 44% process time reduction was achieved when the date juice medium was diluted with complex medium of 91% of its constituents. Moreover, these results suggested that date juice lacks to some essential vitamins, minerals and amino acids, which are necessary for Saccharomyces cerevisiae growth.show moreshow less
  • Single cell protein ist ein Begriff für das Protein, es in Lebensmitteln oder Tierfutter verwendet werden können. Die Quelle dieses Proteins sind die Mikroorganismen wie z.B. Bakterien, Hefen, oder Algen, die als Einzeller wachsen. Es gibt verschiedene Kohlenstoffquellen, die für die Herstellung von Einzellerprotein (SCP) verwendet werden können. Viele Prozesse wurden entwickelt, um SCP kostengünstig herzustellen. Bei jedem dieser Verfahren spielt die Art des Substrats eine wichtige Rolle, so dass von diesen Substraten das Design und weiterhin die Kosten des produzierten Produktes stark abhängen. Die Substrate reichen von den Nebenprodukten von anderen Prozessen wie zum Beispiel Molke und MeSingle cell protein ist ein Begriff für das Protein, es in Lebensmitteln oder Tierfutter verwendet werden können. Die Quelle dieses Proteins sind die Mikroorganismen wie z.B. Bakterien, Hefen, oder Algen, die als Einzeller wachsen. Es gibt verschiedene Kohlenstoffquellen, die für die Herstellung von Einzellerprotein (SCP) verwendet werden können. Viele Prozesse wurden entwickelt, um SCP kostengünstig herzustellen. Bei jedem dieser Verfahren spielt die Art des Substrats eine wichtige Rolle, so dass von diesen Substraten das Design und weiterhin die Kosten des produzierten Produktes stark abhängen. Die Substrate reichen von den Nebenprodukten von anderen Prozessen wie zum Beispiel Molke und Melasse und komplizierteren Substraten wie zum Beispiel Cellulosen und bis hin zur Verwendung von Kohlenwasserstoffen. Viele Länder haben eine Überproduktion an Datteln. Der Irak ist eines davon, der derzeit den größten Teil der Dattelernte zu geringen Preisen exportiert. In vielen Fällen gibt es eine Verschwendung schon während der Lagerung. Es wurde berichtet, dass jährlich etwa 14,3% (60.000t) der irakischen Datteln verschwendet werden. Zusätzlich werden etwa 35,7% (100.000t) als Tierfutter verwendet. Deshalb ist es Ziel dieser Arbeit, das Potential von Dattelsaft als Substrat für die Herstellung von Einzellerproteinen zu untersuchen. Zur Optimierung der Kulturparameter und deren vielfältigen Wechselwirkungen untereinander, wurde die Simplexmethode hierfür herangezogen. Die Anwendung eines faktoriellen Designs für die Parameteroptimierung hätte zu viele Versuche erfordert. Im Gegensatz zu faktoriellen Ansätzen, führt die Simplex-Methode zu einer starken Reduzierung der Anzahl der benötigen Experimente. Innerhalb von 28 Versuchen wurden die Optima für Temperatur und pH-Wert gefunden. Ein paar dieser Versuche wurden durchgeführt, um die Ergebnisse abzusichern und um einen ausreichend breiten Bereich an pH-Werten (pH 3,0 bis pH 7,0) und Kultivierungstemperaturen (26,4°C bis 32°C) zu untersuchen, wobei das Optimum bei pH 4,0 und 27,7°C gefunden wurde. Als Intervall wurde für beide Variablen der Wert 0,2 gewählt. Die Möglichkeit einen so weiten Bereich in kurzer Zeit so fein untersuchen zu können, unterstreicht noch mal die Mächtigkeit der Simplexmethode. Weiterhin wurde der Einfluss des gelösten Sauerstoffs untersucht, wobei durch Variation von Begasungsrate und Rührerdrehzahl verschiedene Regime erzeugt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass ein gelöster Sauerstoffgehalt (DO) von 75% der Sättigung optimal war. Über und unter diesem Wert wurde immer weniger Biomasse gebildet. Möglicherweise waren die niedrigeren Werte für den Sauerstoffgehalt für den oxidativen Abbau nicht ausreichend, so dass dieser herunterreguliert wurde. Und bei höheren Sauerstoffgehalten litten die Zellen offenbar unter oxidativem Stress. Diauxieartiges Verhalten und der Crabtree-Effekt wurden beobachtet. Diauxie geschieht, wenn die Hefe Saccharomyces cerevisiae zwei Hexosen als Substrate zur Verfügung hat. Ähnliches beobachtet man, wenn Hefen mit Hexosen gefüttert werden und aufgrund des Crabtree-Effektes Alkohol entsteht. Dieser wird wiederum erst dann von den Hefen als Substart verwertet, wenn die ursprüngliche C-Quelle limitierend geworden ist. Unter diesen Umständen ist ein diaxieartiges Wachstum ein sicheres Zeichen für den Crabtree-Effekt. Die Ergebnisse zeigten, dass das diauxieartige Verhalten bei erhöhten Glucosekonzentration (z.B. 4g/L) dominiert. Unter 50mg/L Glucose wurde keine solches Verhalten beobachtet. Ein kybernetisches mathematisches Modell wurde angenommen, um das Wachstum von Saccharomyces cerevisiae im Batch-Modus darzustellen. Die Simulationsergebnisse stimmten mit dem experimentellen Ergebnisse überein. Das Programm „Berkeley Madonna“ wurde hier verwendet, um das vorgeschlagene mathematische Modell auszuführen. Das Model erlaubt auch, kontinuierliche Kultivierungen darzustellen. Eine Online-Analysemethode wurde in dieser Arbeit entwickelt, mit der das Wachstum der Hefen deutlich einfacher verfolgt werden konnte, was die Optimierung aller Kulturparameter erleichterte. Unter optimalen Betriebsbedingungen (27,7°C, pH 4,0 und 75% DO) wurde unter Verwendung von Dattelpalmenpresssaft im Bioreaktor eine Ausbeute von 46,7% pro insgesamt verbrauchte Zucker erzielt. Der maximale Proteingehalt wurde 48,5% (w/w) der Trockenhefe Biomasse. Hieraus lässt sich ableiten, dass Dattelsaft ein potentiales Substrat für die Herstellung von SCP ist. Es zeigte sich auch ist, dass Dattelsaft ohne Zusatzstoffe eingesetzt werden kann. Allerdings verlängert sich dadurch die Kultivierungszeit. Beispielsweise wurde die Prozesszeit um 44% reduziert, wenn konzentriertes Dattelsaftmedium einem Vollmedium zugegeben wurde. Die Ergebnisse bestätigten, dass einige wichtige Vitaminen, Mineralstoffen und Aminosäuren für das Wachstum von Saccharomyces cerevisiae im Dattelsaft fehlen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Najah Al-Mhanna
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-31595
Advisor:Rainer Buchholz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/03/09
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/05/31
Release Date:2012/03/09
Tag:Date juice; Fermentation; Process optimization; Single cell protein; Yeast
SWD-Keyword:Dattelpalmensaft; Einzellerproteine; Fermentation; Prozess- Optimierung; Yeast
Institutes:Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $