. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Scientific contributions based on the thesis findings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi Note (Courses accredited in MSc programme) ......... ... ............... ... ......... ..... vii Acknowledgement.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . viii 1.0 I ntrod uction ............................................ ................................ 1 1.1 Aims of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 3 2.0 Literature Review .................................................................. 4 2.1 Dairy-based industry i n UAE . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .4 2.2 Historical background of whey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3 Definition of whey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . ... 7 2.4 Types of whey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.5 C hemical composition of whey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.6 Economical potentials of whey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.7 The Biological Oxygen Demand (BOD) . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.7.1 BOD of whey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.8 Other aspects of whey pol l ution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 . . . f h ·1· · 16 2.9 L1IDltahons 0 w ey utl LZahon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 Fermentation of whey . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.10.1 Microorganisms involved in whey fermentation 1.. .... ... ....... 17 2.10.2 E nhancement of fennentation abil ity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.10.2.1 Genetic engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 18 2 . 1 0 .2 .2 Chemical amendments . . . . . . . . . . . . . . . . . , .................. ] 9 2 . 1 0 .2 .3 Cell immobil ization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2. 1 1 Major by-products of whey fennentation . . . . . . . . . '" . . . . . . . . . . . . . . . . . . '" . . . . 22 2. 1 1 . 1 Ethanol. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2. 1 1 .2 Single-cel l protein (SCP) or Biomass production . . .. . . . . . . . . . . . . . . 23 2 . 1 2 Methods used in whey fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2. 1 2 . 1 Batch culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2. 1 2 .2 Fed-batch culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2 . 1 2 .3 Continuous culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2. 1 2 .4 Extractive fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2 . 1 3 Fermenting yeast . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . '" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2 . 1 3 . 1 yeast taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2. 1 4 Genus Kluyveromyces . . . . . . . . . . . . '" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2. 1 4 . 1 Kluyveromyces marxianus . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2 . 1 4.2 Ethanol and heat tolerance of Kluyveromyces . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 29 3.0 Materials and Methods ... .. . . ..... .......... . . . . . . ............ . .... . . . . . . ........ 32 3 . 1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3 . 1. 1 Soi l samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . 32 3 . 1 . 2 Whey samples . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ' " . . . . 32 3 . 1 . 3 Media and chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 ""9 3 .2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J '1 h . . ""9 3 .2. 1 SOl c aractenstlcS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · · · · · . . . . . J 3.2 .2 Whey analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2 .2 . 1 Whey components .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . 39 3 .2 .2 .2 Acidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3 .2 .2 .3 Salt contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 3 .2 .2.4 pH vaJue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . '" . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 3 .2 .3 Isolation of yeast from soiL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . .40 3 .2 . 3 . 1 Standard isolation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 3 .2 . 3 .2 Enrichment isolation method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 3 .2.4 Prel iminary fennentation test . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 3 .2 .5 Selection o f the best ethanol-producing isolates . . . . . . . . . . . . . . . . .42 3 .2 .6 Determination of ethanol production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 3 .2 .7 Ident ification of yeast i solates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3 .2 .7 . 1 Yeast kit identification . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3 .2 .7. 1 . 1 Preparation of inoculum .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3 .2. 7. 1 . 2 InoculaJtion of the strip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 3 .2 .7 . 1 .3 Strip react ing . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 3 .2 .7. 1 . 4 Strip i dentification . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . '" . . . . .43 3 .2 .7. 1 .5 Composition of C mectiwn . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 3 .2 .7. 2 MorphologicaJ characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3 .2 .7.2 . 1 Formation of pseudo mycel ium & true mycelium . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . .44 3 .2 .7 .2 .2 Formation of bal l is to spores . . . . . . , ...... . " ... 44 3 .2 .7. 3 Cultural characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45 3 .2 .7 .3 . 1 Growth in l iquid mectium . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . .45 3 .2 .7 .3 .2 Growt h on solid medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45 3 .2 . 7. 4 Sexual characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . 45 3 .2. 7.4. 1 Characteri stics of asci and Ascospores . . . . . . . . , . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 3 .2 .7 . 5 Physiological characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45 3 .2 .7. 5 . 1 Fennentative uti lization of carbon compounds . . . '" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .45 3.2.7 .5 .2 Oxidative utilization of carbon corn po unds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . .46 3 .2 .7 .5 .3 Assimilation of nitrogen compounds . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .47 3 .2 .7 .5.4 Spl itting of arbutin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 3 .2 .7. 5 . 5 Growth in vitamin-free medium . . . . . . . . . . . . .48 3 .2 .7 .5 .6 Growth on media of high osmotic pressure . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .48 3 .2 .7. 5 . 7 Sodium chloride tolerance test . . . . . . . . . . . . . . . .48 3 .2 .7. 5 . 8 Growth at elevated temperature . . . . . . . . . . . . . .48 3 .2 .7. 5 . 8. 1 Growth at 37°C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 3 .2 .7.5.8.2 Maximum growth temperature . . . . . . . . . . . . . . .