Αξιοποίηση υγρών αποβλήτων της βιομηχανίας επιτραπέζιας ελιάς με βιοτεχνολογικές διεργασίες για την παραγωγή συστατικών τροφίμων

Abstract

The aim of this thesis was to develop know-how for the simultaneous decontamination and valorization of lye and washing water effluents of the Spanish style green olive processing toward the production of food ingredients via new biotechnological processes. The research focused on the production process of the Chalkidiki-type green olive. In Chapter A was highlighted that the effluents, despite their seasonal variation in physicochemical characteristics, had a high COD value. The fungus A. niger B60 (biosafety level 1) was chosen for their treatment and exhibited good growth ability over a wide range of initial total polar phenol content (0.2 g/L to 1.5 g/L), by completely and rapidly degrading simple phenols. The treated wastewaters were less phytotoxic with reduced COD values. Documentation of the phenol degradation mechanistically and the information about the newly formed compounds is expected to facilitate subsequent treatment for complete decontamination of the wastewaters. In Chapter B, the lactic acid bacterium E. casseliflavus ATCC 49996 and the rhizobacteria B. amyloliquefaciens subsp. plantarum FZB42 were identified as the dominant indigenous bacteria during spontaneous fermentation of the wastewaters at all pH (3.5-11.5) and temperature (15°C-50°C) conditions tested. The lactic acid bacterium resistance to NaCl and its ability to hydrolyze oleuropein render it a suitable component in mixed starter cultures for green olive fermentation. The process viability is expected to increase with the simultaneous recovery of hydroxytyrosol, which doubled after spontaneous fermentation of acidic wastewaters (15°C-30°C). Chapter C investigated the development of an industrial symbiosis model in Chalkidiki toward the exploitation of wastewaters, wheat bran (WB), white grape pomace (WP) and red grape pomace (RP) as raw materials for the production of citric acid (Section I) and hydrolytic enzymes (Section II) by A. niger B60. In Section I, the maximum citric acid production was achieved by surface fermentation, after wastewater enrichment with WP sugars and the addition of crude sucrose and NH4NO3 without initial pH adjustment. Significant was the parallel reduction of phenolic content and COD value in the treated wastewater. Section II studied the integrated valorization of the solid residue of Section I (WP′), RP and WB for enzyme production using the biomass from Section I. The optimal by-product mixture for the satisfactory production of carboxymethylcellulase, polygalacturonase, xylanase, α-amylase and acid protease by solid state fermentation was 15% WP′, 15% RP and 70% WB. The process was successfully simulated in SuperPro Designer software for an input capacity of 300 m3 of wastewaters, 300 t WP, 45 t RP and 210 t WB. The net present value of the process is 9,229,000 € and the payback time of the investment funds is 3 years. The above processes favor the sustainable management of table olive processing wastewaters and enhance the circular bioeconomy.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη τεχνογνωσίας για νέες διεργασίες βιοτεχνολογικής αξιοποίησης των υγρών αποβλήτων εκπίκρανσης και έκπλυσης της επεξεργασίας ισπανικού τύπου της πράσινης ελιάς, για την παραγωγή συστατικών τροφίμων με παράλληλη απορρύπανσή τους. Η έρευνα εστίασε στην παραγωγική διαδικασία της πράσινης ελιάς Χαλκιδικής. Στην Ενότητα Α αναδείχθηκε ότι τα απόβλητα, παρά την εποχική διακύμανση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών τους, είχαν υψηλή τιμή COD. Για την επεξεργασία τους επιλέχθηκε ο μύκητας Α. niger B60 (επίπεδο βιοασφάλειας 1), ο οποίος αναπτύχθηκε ικανοποιητικά σε ένα μεγάλο εύρος αρχικής συγκέντρωσης ολικών πολικών φαινολών (0,2 g/L έως 1,5 g/L), αποικοδομώντας πλήρως και ταχέως τις απλές φαινόλες. Τα επεξεργασμένα απόβλητα είχαν χαμηλότερη φυτοτοξικότητα και μειωμένα επίπεδα COD. Η τεκμηρίωση της αποικοδόμησης των φαινολών μηχανιστικά και οι πληροφορίες για τις ενώσεις που σχηματίστηκαν, αναμένεται να διευκολύνουν την περαιτέρω επεξεργασία για πλήρη απορρύπανση των αποβλήτων. Στην Ενότητα Β, το γαλακτικό βακτήριο E. casseliflavus ATCC 49996 και το ριζοβακτήριο B. amyloliquefaciens subsp. plantarum FZB42 αναδείχθηκαν ως κυρίαρχα αυτόχθονα βακτήρια κατά την αυθόρμητη ζύμωση των αποβλήτων σε όλες τις εξεταζόμενες συνθήκες αρχικής τιμής pH (3,5-11,5) και θερμοκρασίας (15°C-50°C). Η ανθεκτικότητα του γαλακτικού βακτηρίου στο NaCl και η ικανότητά του να υδρολύει την ελαιοευρωπαΐνη, το καθιστούν κατάλληλο συστατικό μεικτής καλλιέργειας εκκίνησης της ζύμωσης πράσινης ελιάς. Η βιωσιμότητα της διεργασίας αναμένεται να αυξηθεί με παράλληλη ανάκτηση της υδροξυτυροσόλης, η συγκέντρωση της οποίας διπλασιάστηκε μετά από αυθόρμητη ζύμωση των αποβλήτων σε όξινες συνθήκες (15°C-30°C). Στην Ενότητα Γ διερευνήθηκε η εφαρμογή ενός μοντέλου βιομηχανικής συμβίωσης στη Χαλκιδική για τη διαχείριση των υγρών αποβλήτων, των πίτυρων σίτου (WB), των στεμφύλων λευκής (WP) και ερυθρής οινοποίησης (RP), ως πρώτες ύλες για την παραγωγή κιτρικού οξέος (Γραμμή Ι) και υδρολυτικών ενζύμων (Γραμμή ΙΙ) με τον A. niger B60. Στη Γραμμή Ι, η μέγιστη παραγωγή κιτρικού οξέος επετεύχθη με επιφανειακή ζύμωση, μετά τον εμπλουτισμό των υγρών αποβλήτων με τα σάκχαρα του WP και την προσθήκη ακατέργαστης σακχαρόζης και NH4NO3 χωρίς ρύθμιση της αρχικής τιμής pH. Σημαντική ήταν η παράλληλη μείωση του φαινολικού και οργανικού φορτίου των υγρών αποβλήτων. Στη Γραμμή ΙΙ αξιοποιήθηκε το στερεό υπόλειμμα της Γραμμής Ι (WP′), το RP και το WB για την παραγωγή ενζύμων με την παραγόμενη βιομάζα της Γραμμής Ι. Tο βέλτιστο μείγμα υποπροϊόντων για την ικανοποιητική παραγωγή καρβοξυμεθυλοκυτταρινάσης, πολυγαλακτουρονάσης, ξυλανάσης, α-αμυλάσης και όξινης πρωτεάσης με ζύμωση στερεάς κατάστασης ήταν 15% WP′, 15% RP και 70% WB. Το σύστημα διεργασιών προσομοιώθηκε με επιτυχία στο λογισμικό SuperPro Designer για δυναμική εισαγωγής 300 m3 υγρών αποβλήτων, 300 t WP, 45 t RP και 210 t WB. Η καθαρή παρούσα αξία της βιοδιεργασίας υπολογίζεται στα 9.229.000 € και ο χρόνος αποπληρωμής των επενδυτικών κεφαλαίων στα 3 έτη. Οι παραπάνω διεργασίες ευνοούν την αειφόρο διαχείριση των αποβλήτων της βιομηχανίας επιτραπέζιας ελιάς και ενισχύουν την κυκλική βιοοικονομία.