Characterisation of residues from the food industry : From the analytics to the biorefinery concept

Abstract

Viele Chemikalien werden aus fossilen Brennstoffen gewonnen und es besteht ein großes Interesse an der Verwendung an nachhaltigen Rohstoffen, die in Bioraffinerien verarbeitet werden. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Strategie zur Charakterisierung der landwirtschaftlichen Nebenprodukte Weizenkleie und Kartoffelpülpe für den Einsatz in Bioraffinerien zu entwickeln, indem bekannte Methoden eingesetzt und kombiniert werden. Derzeit werden sie hauptsächlich als kostengünstiges Tierfutter verwendet. Die weltweite Produktion von Weizenkleie wird auf 101 bis 233 Millionen Tonnen geschätzt und die glaubwürdigen Schätzungen für Kartoffelpülpe liegen zwischen 303000 und 380000 Tonnen. Die chemische Zusammensetzung und die Verfügbarkeit zeigen das große Potenzial für den Einsatz dieser Rohstoffe in Bioraffinerien. In dieser Arbeit wurden verschiedene analytische Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung, Feuchtigkeit, Asche, Stärke, Fett, Pektin, Protein, Extraktstoffe, Strukturkohlenhydrate, monomere und oligomere Zucker, Ionen und Lignin eingesetzt. Bei Weizenkleie sind die Bestandteile mit dem höchsten Anteil Strukturkohlenhydrate, Extraktstoffe, Stärke und Eiweiß, die mehr als 87 % der Trockenmasse ausmachen. Xylose, Arabinose und Glucose sind die drei Hauptmonomere der Strukturkohlenhydrate in Weizenkleie, die mehr als 95 m% aller Strukturkohlenhydrate ausmachen. Die Hauptbestandteile von Kartoffelpülpe sind Strukturkohlenhydrate, Stärke und Extraktstoffe, die mehr als 77 % der Masse umfassen. Im Gegensatz zur Weizenkleie sind die Hauptmonomere der Strukturkohlenhydrate Glucose und Mannose mit einem Gesamtanteil von 89 m% im Kartoffelpülpe. Im Allgemeinen gibt es in Weizenkleie und Kartoffelpülpe für die Verwendung in Bioraffinerien zwei Hauptbestandteile, nämlich Kohlenhydrate und Nichtkohlenhydrate. Aufgrund des hohen Kohlenhydratgehalts wurde das Konzept einer Bioraffinerie, die auf der Basis einer Zuckerplattform aufgebaut ist, vorgeschlagen. Stärke lässt sich leichter abbauen als Hemicellulosen und Cellulose, weshalb es sinnvoll ist, Stärke separat zu hydrolysieren. Außerdem werden Hemizellulosen zu Pentosen abgebaut. Es ist zu beachten, dass es einige kommerziell genutzte Mikroorganismen gibt, die Pentosen nicht verstoffwechseln können. Die nicht-kohlenhydrathaltigen Bestandteile von Weizenkleie und Kartoffelpülpe machen einen geringen Anteil aus, können aber auch zu wertvollen Produkten wie etwa Ferulasäure verarbeitet werden oder im Falle von Proteinen als Tierfutter verwendet werden.

A lot of chemicals are derived from fossil fuel-based resources and there is a huge interest to use more sustainable raw materials that are processed in biorefineries. This thesis aims to design a strategy for the characterization of the agricultural by-products wheat bran and potato pulp for the use in a biorefinery by using and combining known methods. Currently, they are mainly used as a low-cost animal feed. The worldwide production of wheat bran is estimated to be between 101 and 233 million tons and the credible estimations for potato pulp range between 303000 and 380000 tons. The chemical composition, added to the availability, shows the huge potential for the application of these raw materials in biorefineries. This work implemented different analytical methods for the determination of the particle size distribution, moisture, ash, starch, fat, pectin, protein, extractives, structural carbohydrates, monomeric and oligomeric sugars, ions and lignin. For wheat bran, the components with the highest share are structural carbohydrates, extractives, starch and protein, which make up more than 87 % of the dry mass. Xylose, arabinose and glucose are the three main monomers of the structural carbohydrates in wheat bran, which amount to more than 95 wt% of all structural carbohydrates. For potato pulp, the main components are structural carbohydrates, starch and extractives which cover more than 77 wt% of the mass. In contrast to wheat bran, the main monomers of the structural carbohydrates are glucose and mannose with a total share of 89 wt% in potato pulp. In general, there are two main types of components in wheat bran and potato pulp for uses in biorefineries namely carbohydrates and non-carbohydrates. Due to the high carbohydrate content, the concept of a biorefinery built on the basis of a sugar platform was suggested. Starch is easier to degrade than hemicelluloses and cellulose, which makes it useful to hydrolyze starch separately. Also, hemicelluloses are degraded into pentoses. It must be noted that there are some commercially used microorganisms that cannot metabolize pentoses. The non-carbohydrate components of wheat bran and potato pulp make up a minor amount, but they can also be processed to valuable products like ferulic acid or in the case of protein, they could be used as animal feed.