Valorisation de Déchets Agro-industriels Par Bioproduction Fongique D'un Important Produit de Plate Forme (L'acide Citrique) Avec Extraction Simultanée de Chitosane

Abstract

Au regard de la demande toujours croissante en acide citrique (AC), due à l'émergence de nombreuses applications avancées, il existe un besoin urgent de chercher des substrats peu coûteux et novateurs pour la production faisable d'AC. Dans ce contexte, divers déchets agroindustriels, comme les déchets solides de jus de pomme (en anglais: AP), les déchets solides de micro-brasseries, les déchets d'agrumes (CW), la tourbe de sphaigne (SPM), les boues d'ultrafiltration de jus de pomme (APS), les eaux usées des industries d'amidon (SIW), les boues municipales secondaires (MSS) et le lactosérum (LS) ont été utilisés pour leur potentiel de production d'AC par fermentation à l'état solide (SSF) et par fermentation à l'état liquide (SmF), par Aspergillus niger NRRL 567 et A. niger NRRL 2001, respectivement.

Pendant la sélection des déchets agro-industriels, l'utilisation des AP a abouti à la production de 66.0 ± 2.0 g/kg de substrat sec (ds) d'AC et pour les APS, de 9.0 ± 0.3 g/l et se sont avérés être des substrats solides et liquides potentiels par la croissance de A. niger NRRL 567. Les substrats sélectionnés, AP et APS ont été utilisés pour de nouvelles études portant sur l'optimisation des paramètres tels que: le niveau d'humidité initial (IML), les inducteurs par SSF, les matières solides en suspension (SS) et la concentration d'inducteurs par SmF. Pour se faire, la méthodologie de surface de réponse (RSM) a été utilisée. L'application de la MRS a mené à une bio-production plus élevée de l'état solide d'AC de 342 g/kg de substrat sec dans des conditions optimales de 75% (v/p) de IML accompagnée de 3% (v/p) de MeOH après une période de fermentation de 144 h et une taille de particule allant de 1.7 à 2.0 mm, respectivement. De même, par SmF, les AP ont donné une bio-production plus élevée d'AC de 44.9 g/kg ds, avec des paramètres optimaux de 25 g/l de SS accompagnées de 3% (v/v) de MeOH après une période de fermentation de 144 h. Les travaux d'optimisation par RSM ont révélé le potentiel des AP et APS comme substrats novateurs pour la bio-production économique d'AC.

La production d'AC a été augmentée dans le laboratoire à l'échelle des fermenteurs. La SSF dans le fermenteur conduit à la production plus élevée d'AC de 294 ± 14 g/kg ds avec 3% (v/p) de MeOH, avec une agitation intermittente de 1 h toutes les 12 h à 2 trs/min, 1 vvm de taux d'aération, 120 h de temps d'incubation dans des conditions d'extraction optimales: temps d'extraction de 20 min, taux d'agitation de 200 trslmin et volume d'extraction de 15 ml. De même, la production à l'état liquide d'AC dans le laboratoire à l'échelle des fermenteurs a mené à une bio-production d'AC de 40.3 ± 2.0 g/l de APS avec 3% (v/p) de MeOH, respectivement, après 132 h de fermentation par A. niger NRRL 567. Les études des profils rhéologiques pour les APS des bouillons contenant le champignon filamenteux A. niger NRRL 567, pendant la fermentation d'AC, ont été menées à l'échelle du fermenteur de 7.5 L.

Alternate abstract:

ln view of the ever increasing demand of citric acid (CA) due to many advanced applications coming to light, there is an urgent need to look for inexpensive and novel substrates for feasible production of CA. In this context, various agro-industrial wastes, such as apple pomace (AP), brewery spent grain (BSG) CW (citrus waste), sphagnum peat moss (SPM) and apple pomace ultrafiltration sludge (APS), starch industry water (SIW), municipal secondary sludge (MSS) and lactoserum (LS) were utilized for their potential for CA production through solid-state fermentation (SSF) and submerged fermentation (SmF), respectively, by Aspergillus niger NRRL 567 and A. niger NRRL 2001. During the screening of agro-industrial wastes, AP resulted in CA production of 66.0±1.9 g/kg of dry substrate (ds) and APS 9.0±0.3 g/I respectively and proved to be the potential solid and liquid substrate by A. niger NRRL 567. The screened substrates, AP and APS were used for further studies for optimization of parameters [initial moisture level (lML) and inducers in SSF and suspended solids (SS) and inducers concentration in SmF] through response surface methodology (RSM). The application of RSM leads to higher solid-state CA bioproduction of 342.4 g/kg ds with optimum conditions of 75% (v/w) IML and along with 3% (v/w) MeOH after fermentation period of 144 h and particle size of 1.7-2.0 mm, respectively. Similarly, in SmF, APS rendered higher CA bioproduction of 44.9 g/1 OOg ds, respectively through optimum parameters of 25 g/I SS along with 3% (v/v) MeOH after 144 h fermentation period. RSM optimization results indicated the potential of AP and APS as novel substrate for economical CA bioproduction.

CA production was scaled-up in the lab scale fermenters. SSF in fermenter resulted in the higher CA production of (294.19±13.9 g/kg ds with 3% (v/v) MeOH, intermittent agitation of 1 h after every 12 h at 2 rpm and 1 wm of aeration rate and 120 h incubation time and with optimum extraction conditions: extraction time of 20 min, agitation rate of 200 rpm and extractant volume of 15 ml by RSM. Similarly, submerged CA production in lab scale fermenter leads to CA bioproduction of 40.34±1.98 g/I APS with 3% (v/v) MeOH, respectively, after 132 h of fermentation by A. niger NRRL 567. Rheological profile studies for APS broth with filamentous fungus, Aspergillus niger NRRL-567 during CA fermentation are reported for the biomass developed in a 7.5 1 bench scale fermenter. The control demonstrated non-Newtonian pseudoplastic behavior due to more filamentous growth. However, in treatment supplemented with methanol, pellet form was observed during fermentation with less viscous non-Newtonian broths. The power law model was followed with good confidence of fit (77.8-88.9%) throughout the fermentation in treatment with MeOH as an inducer. However, power law was followed with moderate fit of confidence (65.3-75.9%) at the beginning of fermentation until 48 h and later followed a good confidence offit (75.9-88.2%) until 144 h of fermentation in control. Rheological studies will further aid in achieving higher CA bioproduction.

The waste fungal mycelium resulting from SSF and SmF was concomitantly used for extraction of important co-product, chitosan (CTS). Extractable CTS was found to be higher in control with 6.40% and 5.13% of dried biomass, respectively with the fungal mycelium resulting from the SSF and SmF.