Brewers’ spent grain liquor as a feedstock for lactate production with Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis

Abstract

Brewers' spent grain (BSG) is a low-cost by-product of the brewing process. BSG liquor names the liquid components of BSG, mainly glucose, maltose, and long-chain -1,4-glycosidic bond glucose oligomers. These substances should be separated in existing BSG biorefineries, as they might lead to an increased formation of microbeinhibiting compounds in well-established hydrothermal/enzymatic saccharification processes. In most cases, this liquid fraction is discarded. The present study presents for the first time an optimized process with BSG liquor for the purpose of producing bulk chemicals (e.g., lactate) in relevant concentrations. The process comprises the application of yeast extract, produced from own brewing processes, as the sole supplemented complex constituent in a simultaneous fermentation and saccharification process. Kinetic parameters for the final optimized process conditions with the organism Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis were: maximum specific growth rate µ max = 0.47 h −1 , maximum lactate concentration c Lac, max = 79.06 g L −1 , process yield Y PS = 0.89 g Lac g Sugar −1 , lactate production rate q P = 4.18 g Lac g CDW −1 h −1 , and productivity P 15 h = 4.93 g Lac L −1 h −1 . BSG liquor, linked with yeast extract from Brewers' yeast, can be a promising substrate for further bioprocess engineering tasks and contribute to a holistic and sustainable usage of Brewers' spent grain. K E Y W O R D S biorefinery, brewers' spent grain (BSG) liquor, fermentation, lactate, Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis 1 INTRODUCTION Brewers' spent grain (BSG) is the most abundant by-product of the brewing process and available in large quantities since the worldwide annual beer production was 1.95 million hL in 2017 [1]. As 0.2 kg of BSG accumulate from the production of 1 L beer [2], this resulted in about 39 million metric tons Abbreviations: BSG, brewers' spent grain; CDW, cell dry weight; MRS medium, cultivation medium by De Man, Rogosa, Sharpe.This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs License, which permits use and distribution in any medium, provided the original work is properly cited, the use is non-commercial and no modifications or adaptations are made.

Optimization of bioprocesses with Brewers’ spent grain and Cellulomonas uda

“…The solid residue was rehydrated after each pressing step with deionized water equalling the volume of the liquid fraction removed. Since the mentioned pressing step resulted in numerous advantages, dextrin‐ and sugar‐free BSG were also tested in this study in order to achieve a more holistic perspective on the utilization of BSG (biorefining concept) [ 54 , 55 ]. Afterwards, the BSG residue was dried at 323 K for 48 h (UF110, Memmert GmbH & Co. KG, Schwabach, Germany) and ground to fine particles by a disc mill (Fidibus Classik, Komo GmbH & Co. KG, Hopfgarten, Germany).…”

Bioraffinerien auf Basis schwach verholzter Biomasse

“…Nach Abschluss der Gärung ist die Silage unter Luftabschluss stabil. Analog zur treberbasierten Bioraffinerie [15,20] Allerdings wurden durch die hohen Temperaturen und den gesenkten pH-Wert, analog zu Treber, auch Monosaccharide weiter zu Inhibitoren wie HMF und Furfural oder organischen Säuren hydrolysiert. Die HMF-Kon-zentration variierte nur sehr wenig mit der Temperatur, was darauf hinweist, dass unter den im Vergleich zur z.…”

“…Nach Abschluss der Gärung ist die Silage unter Luftabschluss stabil. Analog zur treberbasierten Bioraffinerie , besteht die Möglichkeit, dass in einem ersten Prozessschritt die Silage abgepresst wird und so ein Silagepresssaft gewonnen wird, der einerseits zur weiteren Verwendung in Fermentationen genutzt werden kann und andererseits bereits hohe Konzentrationen an Milchsäure, Aminosäuren und weiteren organischen Säuren enthält. Über derartige Verfahren ist bereits mehrfach berichtet worden.…”

“…Den größten Anteil der löslichen Komponenten stellen Abbauprodukte der Stärke aus dem Brauprozess dar (Dextrin). Allerdings finden sich auch eine Vielzahl freier Aminosäuren, Peptid(fragmente) und Anionen‐ sowie Kationen unter den löslichen Bestandteilen . Die löslichen Komponenten können durch verschiedene Operationen, im Folgenden Upstream‐Methoden genannt, vom Treberfeststoff abgetrennt werden, da aus der Fraktionierung zahlreiche Vorteile entstehen.…”

“…B. mit Schnecken‐ oder Stempelpressen , . Die zuckerhaltige, flüssige Fraktion kann zur Produktion verschiedener Wertstoffe genutzt werden, u. a. können Milchsäure , Citronensäure und Lipide bzw. Carotinoide hergestellt werden.…”