 |
Investigation of complex utilisation of agricultural and agro-industrial by-products by biotechnological methods
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
123305 |
| Type |
TNN |
| Principal investigator |
Fehér, Csaba |
| Title in Hungarian |
Mezőgazdasági és agro-ipari melléktermékek biotechnológiai módszerekkel történő komplex hasznosításának vizsgálata |
| Title in English |
Investigation of complex utilisation of agricultural and agro-industrial by-products by biotechnological methods |
| Keywords in Hungarian |
biofinomítás, frakcionálás, fermentáció, xilit, prebiotikum |
| Keywords in English |
biorefining, fractionation, fermentation, xylitol, prebiotics |
| Discipline |
| Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Chemistry 2 |
| Department or equivalent |
Department of Applied Biotechnology and Food Science (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Barta, Zsolt
Bedő, Soma
Fehér, Anikó
Fehér, Csaba
Rozbach, Margaréta
|
| Starting date |
2017-12-01 |
| Closing date |
2021-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
35.997 |
| FTE (full time equivalent) |
7.78 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Jelen kutatási terv célja olyan összetett, biotechnológiai eljárások vizsgálata és fejlesztése, melyek segítségével számos, nagy hozzáadott értékű biotermék állítható elő az együttműködő országokban nagy mennyiségben rendelkezésre álló, mezőgazdasági és agro-ipari, lignocellulóz melléktermékekből (kukoricarost, búzakorpa, cukornád bagasz). Kutatásunk az alábbi területek részletes tanulmányozására és fejlesztésére összpontosít: 1) újszerű, biomassza frakcionálási eljárás kidolgozása és optimálása, melynek segítségével a kiválasztott nyersanyagokból arabinoxilán-oligomereket tartalmazó, xilózban gazdag és cellulózban gazdag frakciók különíthetők el, 2) robosztus, hatékony mikroorganizmusok fejlesztése evolúciós szelekcióval xilit és 2,3-butándiol előállításához (a partner végzi), 3) xilózban gazdag frakcióból történő xilit fermentációt befolyásoló kulcsparaméterek hatásának és kölcsönhatásainak vizsgálata és a folyamat optimálása, cellulózban gazdag frakcióból történő 2,3-butándiol előállítás hatékonyságának növelése (partner) és 4) arabinoxilán-oligomereket tartalmazó frakciók prebiotikus hatásának feltérképezése. A tervezett kutatás célja olyan integrált stratégia megalkotása, az azt befolyásoló tényezők széleskörű vizsgálata, és az előállított, újszerű termék tulajdonságainak felderítése, mely során az agro-melléktermékek hasznosítása biofinomító szemléletben valósul meg az ipari alkalmazás lehetőségét is magában hordozva. A projekt megvalósítása szoros együttműködést és folyamatos tudástranszfert igényel a résztvevő kutatócsoportok között, mely mindkét fél kutatóinak a szakmai fejlődését és a partner intézmények hosszú távú együttműködésének alapjait teremti meg.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A tervezett kutatás alaphipotézise, hogy az agro-melléktermékek alkalmasak számos, értékes biotermék hatékony előállítására a megfelelő biotechnológiai módszerek fejlesztése és optimálása, az alkalmazott mikroorganizmusok hatékonyságának javítása és az előállítható, újszerű termékek tulajdonságainak alapos felderítése után.
Vizsgálataink során alapvetően a következő kérdésekre keressük a választ:
Melyek az optimális körülményei (hőmérséklet, savkoncentráció, reakcióidő) a különböző agro-melléktermékek savas frakcionálási eljárásának, melynek célja arabinoxilán tartalmú és/vagy xilózban gazdag és cellulózban gazdag frakciók elválasztása?
Evolúciós szelekció során milyen mértékben javítható a Candida boidinii és Klebsiella oxytoca törzsek robosztussága és hatékonysága? (partner)
Melyek az optimális körülmények (fajlagos oxigén felvételi sebesség, kiindulási xilóz koncentráció, ecetsav koncentráció) xilózban gazdag frakción és félszintetikus tápoldaton, vadtípusú és módosított Candida boidinii élesztővel végzett xilit fermentáció során? Az egyes környezeti paraméterek milyen kölcsönhatásban állnak?
Cellulózban gazdag frakcióból történő 2,3-butándiol előállításának hatékonysága növelhető-e jelentősen módosított baktérium (Klebsiella oxytoca) és egyidejű cukrosítás és fermentáció alkalmazása révén? (partner)
Az előállított arabinoxilán tartalmú frakciók rendelkeznek-e prebiotikus tulajdonságokkal? A különböző arabinóz/xilóz és oligomer/monomer arány befolyásolja-e a választott Lactobacillus és Bifidobacterium törzsek viselkedését optimális és szimulált gasztrointesztinális körülmények között?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás során elvárt eredmények alapot szolgáltatnak más lignocellulóz alapú melléktermékekből történő, értéknövelt termékek és alapanyagok előállítását célzó technológiák fejlesztéséhez és további kutatások tervezéséhez. A megvalósítani kívánt kutatás a lignocellulózok átalakítását célzó biotechnológia számos területén szolgáltat értékes kísérleti eredményeket, és tár fel alapösszefüggéseket, melyek felhasználhatóak további kutatásokban, mindemellett a kidolgozni kívánt, integrált biofinomító eljárás, a fejlesztett mikroorganizmusok és az előállított új termékek ipari megvalósítás szempontjából is nagy jelentőséggel bírnak. Az elvégzett kutatás így hozzájárul egy fenntartható, környezetbarát, biogazdaság létrehozásához is.
A kutatás egyedisége és erősségei az egyes részfeladatok tekintetében magyar oldalról az alábbiakban foglalhatók össze.
Az újszerű biomassza frakcionálási eljárás kidolgozása és optimálása kísérleti terv alapján kerül megvalósításra, az eredményeket statisztikai módszerekkel értékeljük, mely lehetővé teszik több célparaméter együttes figyelembevételét.
Lignocellulóz eredetű, prebiotikus hatású arabinoxilán frakciók mikrobiális vizsgálatával eddig mindössze néhány tanulmány foglalkozott, melyekben a frakcionálás nem savkatalízissel történt, ellentétben a tervezett kutatásunkkal. Az eddig publikált kutatásokban a mikrobiális vizsgálatokat nagyrészt emberi bélsárból nyert vegyes baktériumkultúrákkal végezték. Ezzel szemben jelen kutatásban a feltételezett prebiotikumok egy adott baktériumtörzsre gyakorolt hatását vizsgáljuk optimális és szimulált gasztrointesztinális körülmények között, mely modellrendszerben a hatások jobban leírhatóak.
Xilit fermentáció vizsgálatának témakörében az eddig publikált kutatások túlnyomó többsége az egyes faktorok hatását egymástól függetlenül vizsgálta. Ezzel ellentétben jelen kutatás a kulcsparaméterek közötti összefüggések felderítését célozza, valamint a kapott eredmények statisztikai értékelése és optimálása több célparaméter együttes figyelembevételével történik. A levegőztetés mértékének hatását egy merőben új megközelítés szerint, a mikroorganizmusok fajlagos oxigén felvételi sebességén keresztül vizsgáljuk.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A mezőgazdasági és agro-ipari melléktermékek ígéretes alapanyagok lehetnek különböző platform vegyületek, élelmiszer komponensek, bioüzemanyagok és egyéb értéknövelt termékek előállítására környezetbarát biotechnológiai eljárások segítségével, melyek összességét biofinomító folyamatnak nevezzük. Jelen kutatás célkitűzése integrált biotechnológiai eljárások és hatékony mikroorganizmusok fejlesztése és tanulmányozása, melyek segítségével az együttműködő országokban a nagy mennyiségben rendelkezésre álló, kiválasztott mezőgazdasági és agro-ipari melléktermékek nagy hozzáadott értékű alapanyagokká (xilit, butándiol) és speciális biotermékekké (arabinoxilán készítmények) alakíthatóak. A kutatás során újszerű biomassza frakcionálási eljárást dolgozunk ki és optimálunk, robosztus és hatékony mikroorganizmusokat fejlesztünk, feltárjuk a xilit mikrobiológiai előállítását befolyásoló paraméterek kölcsönhatásait és optimáljuk a fermentációs eljárást, hatékony butándiol előállítási módszert dolgozunk ki, arabinoxilán tartalmú frakciókat nyerünk, és azok prebiotikus készítményekben való alkalmazhatóságát vizsgáljuk. A xilit széles körben alkalmazott, kis kalóriatartalmú, természetes édesítőként, a butándiol bioműanyagok és bioüzemanyagok komponenseként, az arabinoxilán készítmények pedig funkcionális, prebiotikus élelmiszerek összetevőjeként hasznosíthatóak, így a kidolgozandó, integrált előállítási stratégiáknak nagy ipari és társadalmi jelentősége lehet a jövőben.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The aim of the current proposal is the investigation and development of an integrated strategy of value-added utilisation of different agro-residues, which are of great importance in Hungary (e.g. corn fibre, and wheat bran) and in Thailand (e.g. sugarcane bagasse). The proposed research involves 1) the development of novel fractionation process of the selected lignocelluloses to gain different carbohydrate-containing fractions [arabinoxylo-oligosaccharid (AXOS) containing and/or xylose-rich liquid fractions, cellulose-rich solid fraction], 2) strain improvement by metabolic evolution strategy to obtain efficient, robust strains for xylitol fermentation and 2,3-butanediol production (this task belongs to the partner), 3) optimization of xylitol fermentation on the xylose-rich fractions, process improvement of 2,3-butanediol production through simultaneous saccharification and fermentation of the cellulose-rich fractions (partner) and 4) investigation of the possibility of prebiotic application of the AXOS containing fractions. The collaborating work plan is expected to result in a highly efficient platform for producing value-added bio-products from cheap, widely available agro-residues, and later this platform might be implemented for biorefinery application on a commercial scale. The proposed research requires intense collaboration between the two institutes resulting in continuous exchange of experiences and knowledge, which contributes to the professional development of both partners, and initiates the development of long-term scientific collaboration.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main hypothesis of the proposed project is that agricultural and agro-industrial by-products can be effectively converted into valuable bio-products due to the development and optimization of key-steps of the bioprocess, improvement of the applied microorganisms and exploration of the properties of novel bio-products.
The proposed investigation aims to provide answers to the following scientific questions:
What are the optimal conditions (temperature, acid concentration, reaction time) of the acidic fractionation aiming the production of AXOS and/or xylose-rich liquid fractions and cellulose-rich solid fraction from different agro-residues?
To what extent can the efficiency and robustness of Candida boidinii and Klebsiella oxytoca be improved by metabolic evolution strategy? (partner)
What are the optimal conditions (specific oxygen uptake rate, xylose and acetic acid concentrations) of xylitol fermentation by wild-type and evolved Candida boidinii yeast strain on semi-synthetic broth and xylose-rich hydrolysates? Are there significant interactions between the selected parameters?
Can the production of 2,3-butanediol be significantly improved by using metabolically engineered bacterium and simultaneous saccharification and fermentation technology? (partner)
Do the obtained AXOS fractions have prebiotic properties? Is there any correlation between the arabinose/xylose ratio or oligomer/monomer ratio of the fractions and their effects on the growth and metabolism of Lactobacillus and Bifidobacterium strains under optimal and simulated gastrointestinal conditions?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The expected results of the proposed project provide valuable, basic knowledge for further investigations and development of novel, integrated biorefinery strategies to produce high-value chemicals and bio-products from the cheap, renewable biomass derived from the agricultural or agro-industrial sectors of the collaborating countries. The results provide deep knowledge in the biotechnological conversion of lignocellulosic materials, which form the basis of new, specific investigations, however at the same time, the invented processes and strains have great potential for application in biorefinery systems on an industrial scale. Thereby, the results contribute to the development of a sustainable, environmental friendly bio-economy.
The unique and innovative aspects of the proposed research are highlighted below focusing on the Hungarian side.
The novel fractionation method will be optimized by statistical evaluation, which allows us to take into account different response variables at the same time.
Investigation of prebiotic arabinoxylan fractions has been reported only in few studies, and the fractionation was not performed by acid catalysis in these works. Microbial fermentation was carried out with mixed bacterium cultures obtained from human faeces. However, in the current research the effect of potential prebiotic preparations is studied on a given bacterium strain under optimal and simulated gastrointestinal conditions, and in this model system the effects can be described more precisely, which gives the strength of this part.
In the field of xylitol fermentation several studies have been published, however, the selected factors are mainly investigated independently. In our proposed research the varied parameters will be examined according to designed experiments allowing the investigation of the possible interactions and the optimization considering different response variables. Aeration, which is one of the most studied factors, will be examined according to a new approach, hence instead of using the oxygen transfer rate as a variable, specific oxygen uptake rate of the microorganism will be evaluated, and this gives the strength of the proposed field of xylitol fermentation.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Agricultural and agro-industrial by-products (agro-residues) are widely available, promising raw materials for the production of chemicals, biofuels, platform molecules, foods, food additives and other bio-products through a sustainable and environmentally friendly processing route that is called biorefining. The aim of the current proposal is the investigation and development of integrated strategies of value-added utilisation of different agro-residues, which are of great importance in Hungary (e.g. corn fibre, and wheat bran) and in Thailand (e.g. sugarcane bagasse). Novel, efficient fractionation methods will be developed and optimized, which will allow us to produce particular fractions from agro-residues, like arabinoxylan fraction, xylose fraction and cellulose fraction. Arabinoxylans are promising saccharides with potential prebiotic properties, which will be explored during the project. Xylose fraction is suitable for xylitol production, which is a widely used, diabetic, natural sweetener. Microbial production of xylitol by wild-type and developed yeast strains will be investigated and optimized. Cellulose fraction can be used for 2,3-butanediol production, which is very important for a variety of chemical feedstocks and liquid fuels. Improvement of the fermentation process by developed bacteria and improved process strategy will be accomplished. Thereby, integrated biorefinery processes will be invented to produce novel, high-value bio-products from cheap, abundant agro-residues, hence the proposed research project might also have significant socio-economic impacts in the future.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Csaba Fehér: Novel approaches in the biotechnological application and production of L-arabinose, Journal of Carbohydrate Chemistry, 2018 | | Csaba Fehér, Bettina Paszerbovics, Soma Bedő, Botond Antal, Anikó Fehér: Investigation of sugar-platform biorefinery processes of agro-industrial residues, 14th. International Conference on Renewable Resources & Biorefineries, 2018 | | Csaba Fehér, Bettina Paszerbovics, Soma Bedő: Sugar-platform biorefining of agro-industrial by-products, 4th Iberoamerican Congress on Biorefineries, 2018 | | Csaba Fehér, Soma Bedő, Bettina Paszerbovics, Botond Antal: Development and techno-economic evaluation of a wheat-bran-based biorefinery, ECO-BIO2018, 2018 | | Botond Antal, Soma Bedő, Csaba Fehér: Xylitol fermentation on wheat bran hydrolysate by using Ogataea zsoltii, FIBOK-2018, 2018 | | Bettina Paszerbovics, Csaba Fehér: Techno-economic evaluation of a biorefinery producing xylitol, arabinose and biogas from wheat bran, FIBOK-2018, 2018 | | Csaba Fehér, Bettina Paszerbovics, Botond Antal, Soma Bedő: Biorefining of wheat bran for xylitol and arabinose, 14th. International Conference on Renewable Resources & Biorefineries, 2018 | | Bedő Soma, Botond Antal, Margaréta Rozbach, Csaba Fehér: Evaluation of xylitol production from lignocellulosic biomass, 14th. International Conference on Renewable Resources & Biorefineries, 2018 | | Soma Bedő, Botond Antal, Bettia Paszerbovics, Csaba Fehér: Optimization of xylitol production by Candida boidinii, 14th. Iberoamerican Congress on Biorefineries, 2018 | | Bettina Paszerbovics, Soma Bedő, Csaba Fehér: Techno-economic analysis of the production of xylitol, arabinose and biogas from wheat bran, 14th. Iberoamerican Congress on Biorefineries, 2018 | | Soma Bedő; Botond Antal; Margaréta Rozbach; Anikó Fehér; Csaba Fehér.: Optimised fractionation of wheat bran for arabinose biopurification and xylitol fermentation by Ogataea zsoltii within a biorefinery process., Industrial Crops and Products. (Volume 139), 2019 | | Csaba Fehér, Margaréta Rozbach, Soma Bedő, Bettina Paszerbovics, Anikó Fehér.: Xylitol and arabinose production from agro-industrial residues., Conference book of 2nd International Workshop on Biorefinery of Lignocellulosic Materials,, 2019 | | Margaréta Rozbach, Anikó Fehér, Soma Bedő, Csaba Fehér.: Investigation of acidic and enzymatic hydrolysis of brewer’s spent grain, Conference book of 2nd International Workshop on Biorefinery of Lignocellulosic Materials,, 2019 | | Soma Bedő, Anikó Fehér, Ornella Ontañon, Silvina Ghio, Margaréta Rozbach, Dóra Jahola, Eliza Przewozniak, Mercedes Garrido, Eleonora Campos, Csaba Fehér.: Production of xylanases by Cellulomonas fimi and Cellulomonas sp. B6 and their application in biomass hydrolysis., Conference book of Congreso Argentino de Microbiología, 2019 | | Soma Bedő, Anikó Fehér, Panwana Khunnonkwao, Kaemwich Jantama, Csaba Fehér: Optimised bioconversion of xylose derived from pre-treated crop residues into xylitol by using Candida boidinii, Agronomy (MDPI). 11, 79, 2021 | | Csaba Fehér, Bettina Paszerbovics, Soma Bedő, Botond Antal, Anikó Fehér: Investigation of sugar-platform biorefinery processes of agro-industrial residues, 14th. International Conference on Renewable Resources & Biorefineries, 2018 | | Csaba Fehér, Bettina Paszerbovics, Soma Bedő: Sugar-platform biorefining of agro-industrial by-products, 4th Iberoamerican Congress on Biorefineries, 2018 | | Csaba Fehér, Soma Bedő, Bettina Paszerbovics, Botond Antal: Development and techno-economic evaluation of a wheat-bran-based biorefinery, ECO-BIO2018, 2018 | | Botond Antal, Soma Bedő, Csaba Fehér: Xylitol fermentation on wheat bran hydrolysate by using Ogataea zsoltii, FIBOK-2018, 2018 | | Bettina Paszerbovics, Csaba Fehér: Techno-economic evaluation of a biorefinery producing xylitol, arabinose and biogas from wheat bran, FIBOK-2018, 2018 | | Csaba Fehér, Bettina Paszerbovics, Botond Antal, Soma Bedő: Biorefining of wheat bran for xylitol and arabinose, 14th. International Conference on Renewable Resources & Biorefineries, 2018 | | Bedő Soma, Botond Antal, Margaréta Rozbach, Csaba Fehér: Evaluation of xylitol production from lignocellulosic biomass, 14th. International Conference on Renewable Resources & Biorefineries, 2018 | | Soma Bedő, Botond Antal, Bettia Paszerbovics, Csaba Fehér: Optimization of xylitol production by Candida boidinii, 14th. Iberoamerican Congress on Biorefineries, 2018 | | Bettina Paszerbovics, Soma Bedő, Csaba Fehér: Techno-economic analysis of the production of xylitol, arabinose and biogas from wheat bran, 14th. Iberoamerican Congress on Biorefineries, 2018 | | Csaba Fehér, Margaréta Rozbach, Soma Bedő, Bettina Paszerbovics, Anikó Fehér.: Xylitol and arabinose production from agro-industrial residues., Conference book of 2nd International Workshop on Biorefinery of Lignocellulosic Materials,, 2019 | | Margaréta Rozbach, Anikó Fehér, Soma Bedő, Csaba Fehér.: Investigation of acidic and enzymatic hydrolysis of brewer’s spent grain, Conference book of 2nd International Workshop on Biorefinery of Lignocellulosic Materials,, 2019 | | Soma Bedő, Anikó Fehér, Ornella Ontañon, Silvina Ghio, Margaréta Rozbach, Dóra Jahola, Eliza Przewozniak, Mercedes Garrido, Eleonora Campos, Csaba Fehér.: Production of xylanases by Cellulomonas fimi and Cellulomonas sp. B6 and their application in biomass hydrolysis., Conference book of Congreso Argentino de Microbiología, 2019 | | Bedő Soma, Rozbach Margaréta, Nagy Leonóra, Fehér Anikó, Fehér Csaba: Optimised Fractionation of Brewer’s Spent Grain for a Biorefinery Producing Sugars, Oligosaccharides, and Bioethanol, PROCESSES 9: (2) p. 366., 2021 | | Fehér Anikó, Bedő Soma, Fehér Csaba: Comparison of Enzymatic and Acidic Fractionation of Corn Fiber for Glucose-rich Hydrolysate and Bioethanol Production by Candida boidinii, PERIODICA POLYTECHNICA-CHEMICAL ENGINEERING -: 2021-05-18, 2021 | | Hegedüs Kristóf, Fehér Csaba, Jalsovszky István, Kristóf Zoltán, Rohonczy János, Vass Elemér, Farkas Attila, Csizmadia Tamás, Friedbacher Gernot, Hantz Peter: Facile isolation and analysis of sporopollenin exine from bee pollen, SCIENTIFIC REPORTS 11: (1) 9952, 2021 | | Soma Bedő, Anikó Fehér, Csaba Fehér: Optimisation of xylitol fermentation by using Candida boidinii, 17th. International Conference on Renewable Resources & Biorefineries, 2021 | | Ontañon Ornella M, Bedő Soma, Ghio Silvina, Garrido Mercedes M, Topalian Juliana, Jahola Dóra, Fehér Anikó, Valacco Maria Pia, Campos Eleonora, Fehér Csaba: Optimisation of xylanases production by two Cellulomonas strains and their use for biomass deconstruction, APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY -: 21 May 2021, 2021 | | Csaba Fehér, S. Bedő, A. Fehér, O. M. Ontañon, E. Campos: Xylanases production by novel Cellulomonas strains using lignocellulosic residues, 17th. International Conference on Renewable Resources & Biorefineries, 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
