Growth optimization of Debaryomyces hansenii and valorizing potato peel waste through pretreatment for single cell protein production

Abstract

Målet med denne studien var å finne de optimale vekstforholdene for gjæren Debaryomyces hansenii og undersøke om det er mulig å forbehandle potetskall (PPW) med en metode for å benytte det som karbonkilde i dyrking av Debaryomyces hansenii. De to målene ble delt inn i to faser, optimaliseringsfasen og sakkarifiseringsfasen. Dyrkingsforsøk med rysteflasker og bioreaktorer ble brukt for å samle kunnskap. Prøver fra eksperimentene ble analysert med metoder som Optical Density (OD), Cell Dry Weight (CDW), High Pressure Liquid Chromatography (HPLC), Liquid Chromatography Mass Spectrometry (LC-MS) og Lowrys metode.

Variablene som ble testet i optimaliseringsfasen var sukkertyper, pH, NaCl-konsentrasjon, karbon/nitrogen-forhold og proteaser. Vekstkurver og vekstparametere ble evaluert for å finne de optimale forholdene. Sakkarifiseringsfasen testet ulike kombinasjoner av forbehandling av PPW, og deres effekt på glukoseutbyttet. Syrebehandling med H2SO4, basebehandling med NaOH og enzymatisk behandling med enzymblanding, laccase, hemicellulase og amyloglukosidase ble testet. Aspergillus niger og Trichoderma reseii ble dyrket på agarplater, og sporer ble samlet for å lage enzymblandingsløsningen.

Begge dyrkingsmetodene indikerte at lave NaCl-konsentrasjoner på 0 - 1 M er optimale, men det var noen uoverensstemmelser når det gjaldt pH-nivåer. Ristekolbeeksperimentene indikerte at pH 6,5 er optimalt, men det optimale nivået indikert av bioreaktoreksperimenter var 4,0. C/N-forholdet ble undersøkt i et ristekolbeeksperiment og et bioreaktoreksperiment, det optimale C/N-forholdet er 13,4.

I sakkarifiseringsfasen ble flere metoder testet for å oppnå et høyt glukoseutbytte. Den optimale metoden var å bruke 0,8% H2SO4 og enzymatisk behandling med en enzymblanding, laccase, hemicellulase og amyloglucosidase. Det høyeste glukoseutbyttet som ble oppnådd var 43,3%. Et bioreaktoreksperiment ble fullført med disse forbehandlingene, noe som beviser at det er mulig å foredle PPW og bruke det som substrat i kultivering av Debaryomyces hansenii

The goals of this study were to find the optimal growth conditions for the yeast Debaryomyces hansenii and investigate whether it is possible to pretreat potato peel waste (PPW) with a method to utilize it as a carbon source in Debaryomyces hansenii cultivation. The two goals were separated into two phases, the optimization phase and the saccharification phase. Cultivation experiments with shake flasks and bioreactors were used to gather knowledge. Samples from the experiments were analyzed with methods such as Optical Density (OD), Cell Dry Weight (CDW), High Pressure Liquid Chromatography (HPLC), Liquid Chromatography Mass Spectrometry (LC-MS) and Lowry's method.

The variables tested in the optimization phase were types of sugar, pH, NaCl concentration, Carbon/Nitrogen ratio and proteases. Growth curves and growth parameters were evaluated, to find the optimal conditions. The saccharification phase tested different combinations of pretreatment of PPW, and their effect on glucose yield. Acid treatment with H2SO4, base treatment with NaOH and enzymatic treatment with enzyme blend, laccase, hemicellulase and amyloglucosidase were tested. Aspergillus niger and Trichoderma reseii were cultivated on agar plates, and spores were collected to make the enzyme blend solution.

Both cultivation methods indicated that low NaCl concentrations of 0 - 1 M are optimal, but there were some inconsistencies when it came to pH levels. The shake flask experiments indicated that pH 6.5 is optimal, but the optimal level indicated by bioreactor experiments was 4.0. The C/N ratio was investigated in a shake flask experiment and a bioreactor experiment, the optimal C/N ratio is 13.4.

In the saccharification phase several methods were tested to achieve a high glucose yield. The optimal method was to use 0.8% H2SO4 and enzymatic treatment with an enzyme blend, laccase, hemicellulase and amyloglucosidase. The highest glucose yield that was achieved was 43.3%. A bioreactor run was completed with these pretreatments, which proved that it is possible to valorize PPW and use it as a substrate in cultivation with Debaryomyces hansenii.