SugaR&D

Het project ondersteunt nieuwe economische ontwikkelingen rond suiker als grondstof. Het is ook een antwoord op de uitdagingen voor suiker in de voedingssector en anticipeert op een gewijzigd Europees landbouwbeleid.

Valorisatie van het bijprodukt Citrocell

Citrique Belge produceert jaarlijks ruim 100.000 ton citroenzuur. Hierbij worden suikers uit melasse, een nevenstroom die ontstaat bij de produktie van suiker uit suikerbiet of –riet, gefermenteerd. Tijdens fermentatie wordt suiker omgezet in citroenzuur met behulp van de schimmel Aspergillus niger. Er ontstaat een intermediaire vloeistof rijk aan citroenzuur: biologisch zuur. Vervolgens wordt het citroenzuur uit het biologisch zuur geïsoleerd en opgezuiverd tijdens het raffinageproces.

Tijdens de conversie van suiker naar citroenzuur gebruikt de schimmel ook een klein deel van de suikers voor de groei. Dit resulteert in de vorming van biomassa, het mycelium, aan de oppervlakte van het fermentatiemedium. Momenteel wordt mycelium verkocht als het bijprodukt Citrocell en gebruikt als veevoeding.

Citrocell bevat ca. 75% vocht en ca. 25% droge stof (DS). De DS is samengesteld uit ca. 35% β-glucan, ca. 15% chitine en ca. 35% proteïnen. De overige ca. 15% bevat o.a. glucomananen (al of niet gebonden aan deze proteïnen,) α-glucanen, lipiden, kleine moleculen. De gehaltes en samenstelling van deze verschillende fracties wordt ondermeer bepaald door de gebruikte schimmelstam.

Met het oog op betere valorisatie van het bijprodukt Citrocell tracht Citrique Belge in deze case inzicht te verwerven in de samenstelling van de proteïne – en β-glucanfracties. Hiertoe wordt Citrocell gefractioneerd onder verschillende condities door Citrique Belge. De bekomen fracties worden gekarakteriseerd door het Labo voor Levensmiddelenchemie en –biochemie (KULeuven).

Ethyleenglycol atoomefficiënt uit suiker

Valorisatie van suikerrijke stromen naar ethyleenglycol

Tiense suiker produceert jaarlijks zo’n 650000 ton granulaatsuiker. Tijdens deze productie wordt diksap (als intermediair) en melasse (een nevenstroom) gevormd. Beiden zijn erg rijk aan suiker (diksap: 65% en melasse: 47%) maar minder zuiver en dus goedkoper dan granulaire suiker. Dit laatste maakt deze producten uitermate geschikt voor niet-voedingstoepassingen zoals de productie van chemicaliën. De onzuiverheden, zoals water in diksap en mineralen en eiwitten in melasse, bemoeilijken echter de chemische conversie naar grondstoffen voor kunststoffen en materialen.

Tiense Suiker (en het moederbedrijf Südzucker) bekijkt momenteel intern wat de mogelijkheden zijn rond biogebaseerde chemicaliën, Met een wereldwijde productie van 180 miljoen ton suiker per jaar, zal grondstoffenbeschikbaarheid niet de beperkende factor zijn voor de ontwikkeling van de biobased economy. Bovendien wordt verwacht dat er vanzelf meer ruimte zal ontstaan voor andere producten door enerzijds de blijvende stijging van opbrengst/ha en anderzijds de stabilisatie van de suikerconsumptie in Europa. Na overleg met professor Bert Sels van de KU Leuven wordt er voor deze case gestreefd naar componenten die een hoge functionaliteit hebben en een goede atoomeconomie vertonen.

Een voorbeeld van een dergelijke component is ethyleenglycol (EG), een belangrijke grondstof voor polyestervezels en antievries. Momenteel wordt EG petrochemisch geproduceerd uit ethyleen, maar het kan theoretisch ook erg atoomefficiënt uit suiker gewonnen worden. Een dergelijke biogebaseerde EG kan dan een belangrijke grondstof worden voor bestaande biogebaseerde polyesters (zoals PET), maar ook voor nieuwe materialen zoals PEF (polyethyleenfurandicarboxylaat). Deze laatste zou zo zelfs volledig uit sucrose kunnen gewonnen worden.

Met het oog op valorisatie van de suikerrijke bij- en tussenproducten melasse en diksap wil Tiense Suiker in deze case inzicht te verwerven in conversierendementen en selectiviteiten van deze fracties bij de omzetting naar ethyleenglycol. Hiertoe worden diksap, melasse en andere suikerrijke intermediaren afgezonderd door Tiense Suiker en geleverd aan het Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse (COK) van de KU Leuven. Het COK zal deze grondstoffen dan katalytisch converteren naar EG en de opbrengsten EG en selectiviteiten bepalen. Een belangrijke onderzoeksvraag hier is de conversie van sucrose en dan de scheiding van fructose en glucose om aldus (aangerijkte) fructose stromen voor HMF afgeleiden te bekomen, terwijl glucoserijke stromen als grondstof voor EG dienen.

Hoogwaardige voedingsstoffen voor dierlijke voeding

Productie van omega3 vetzuren op bietenpulp

Poly onverzadigde vetzuren zijn essentieel in diëten voor mens en dier, zij moeten voldoende en in de juiste verhouding via de voeding worden opgenomen. De opname van omega 6 vetzuren is gegarandeerd in onze tarwe en mais gebaseerde voeders. Het toevoegen van omega 3 vetzuren kan gebeuren door gebruik van visolie of dure geraffineerde additieven uit algen.

In Vlaanderen worden jaarlijks ongeveer 20.000 Ha suikerbieten uitgeplant, met een gemiddeld rendement van 80 ton per Ha. Na extractie van de suiker, wordt ongeveer ¾ van deze hoeveelheid als natte bietenpulp vermarkt.

In deze case willen we nagaan of deze lokale en zuivere grondstof op een kosteneffectieve manier voldoende kan verrijkt worden met hoogwaardige omega3 vetzuren door fermentatie. Dit eindproduct kan dan direct of na drogen als veevoeder worden ingezet, o.a. in de varkenshouderij en aquacultuur.

De doelstelling van dit onderzoek is de valorisatie van plantaardige nevenstromen in hoogwaardige voedingsstoffen voor dierlijke voeding. In het bijzonder wil dit project aantonen dat productie van microbiële poly-onverzadigde vetzuren (waaronder de kostbare en dure omega-3 en omega-6 vetzuren) op bietenpulp en cichoreipulp mogelijk is en potentieel heeft om commercieel interessante hoeveelheden te realiseren. De pulp verrijkt in poly-onverzadigde vetzuren vormt een duurzaam alternatief voor de additie van visolie.

Voor dit onderzoek worden nevenstromen van de Tiense Suikerraffinaderij in de vorm van cichorei- en bietenpulp na suikerextractie aangeleverd door het Zoötechnisch Centrum van de KU Leuven. Alvorens met deze herboren grondstoffen aan de slag te gaan wordt de samenstelling gekarakteriseerd. De fermenteerbaarheid wordt bepaald door de aanwezige vrije suikers, cellulose en nutriënten. Deze resultaten worden aangewend om een eerste reeks van fermentaties op kleine schaal aan te sturen. De inuline in cichorei en cellulose in bietenpulp kunnen beide omgezet worden tot fermenteerbare suikers door de schimmel Aspergillus oryzae. Deze schimmel produceert cellulases die glucose vrijzetten uit de cellulose. Traditioneel gebruikt voor het brouwen van Japanse sake of sojasaus is A. oryzae een goede kandidaat om deze koolstofrijke vezels (respectievelijk 20% inuline en 30% cellulose) te verwerken tot eiwitten en poly-onverzadigde vetzuren (PUFA) (2%). A. oryzae is tevens geschikt voor consumptie. Om de opbrengst mogelijk te verhogen wordt chemische en/of fysische hydrolyse toegepast zodat de hoeveelheid vrije fermenteerbare suikers toeneemt. Fysicochemische hydrolyse kan eventueel nadelige gevolgen hebben op de microbiële groei door het vrijzetten van inhibitoren of het verlies van nuttige nutriënten. Die impact op de bioconversie wordt opnieuw gekwantificeerd in fermentaties op kleine schaal (REF?). Belangrijkste parameters voor het succes van een fermentatie zijn het gehalte aan PUFA en het eiwitgehalte. Het totaal eiwitgehalte wordt gemeten met kleuringsreacties, terwijl suikers en vetzuren worden geanalyseerd met vloeistof- en gaschromatografie. De meetmethoden worden op punt gesteld voor de specifieke toepassing.

Het beste resultaat uit de screeningsexperimenten wordt opgeschaald naar 5L fermentoren. Bij de selectie wordt geëvalueerd naar opbrengst, opschaalbaarheid, kost, energieverbruik en milieu-impact.
Voor de verdere verbetering van het PUFA gehalte tot de beoogde 2% wordt de mariene alg Schizochytrium limacinum ingezet. S. limacinum bevat tot 30% poly-onverzadigde vetzuren maar kan alleen groeien op vrij beschikbare suikers waarvoor A. oryzae kan zorgen. De symbiose van beide micro-organismen wordt onderzocht in co-culturen van A. oryzae en de mariene alg Schizochytrium limacinum op de bietenpulp en cichorei.

Kostenschatting
Personeelsinzet – 3 persoonsmaand – 13750 euro (afgeleid van loon)
Werking (consumables, media, analyses) – 6250 euro (afgeleid van 12.500 euro per jaar)