Μελέτη της βιοτεχνολογικής παραγωγής 1,3-προπανοδιόλης μέσω βακτηριακών ζυμώσεων

Abstract

Η παρούσα μελέτη είχε ως σκοπό την επιλογή των καταλληλότερων πηγών άνθρακα για την ανάπτυξη του μικροοργανισμού Lactobacillus diolivorans DSM 14421. Τα σάκχαρα που μελετήθηκαν ήταν η εμπορική γλυκόζη, η εμπορική σακχαρόζη, η εμπορική φρουκτόζη, η εμπορική λακτόζη και η εμπορική ξυλόζη. Σε όλα τα πειράματα χρησιμοποιήθηκε ως συνυπόστρωμα ακάθαρτη γλυκερόλη 90%. Οι καλλιέργειες πραγματοποιήθηκαν σε φιάλες Duran, με ανάδευση 180±5 rpm, ή βιοαντιδραστήρες, με ανάδευση 250 rpm, και θερμοκρασία επώασης σε αμφότερα 30oC. Το pH διορθωνόταν καθ’όλη τη διάρκεια της ζύμωσης, ώστε να είναι μεταξύ 5,8 και 6,3. Πριν από τον εμβολιασμό πραγματοποιούταν εμφύσηση αζώτου για 20-30 λεπτά ώστε να δημιουργηθούν αναερόβιες συνθήκες. Στις περιπτώσεις της γλυκόζης, της φρουκτόζης και της ξυλόζης ο συντελεστής απόδοσης είναι 0,63 g/g, 0,60 g/g και 0,65 g/g αντίστοιχα. Οι τιμές αυτές είναι αρκετά κοντά στο θεωρητικό, 0,83 g/g. Επίσης στην περίπτωση της ξυλόζης παρατηρείται μια σημαντική ποσότητα βιομάζας (3,6 g/L), σχεδόν διπλάσια από τις ποσότητες βιομάζας που παράγονται από τα άλλα σάκχαρα. Στην περίπτωση της σακχαρόζης η μέγιστη τιμή 1,3-προπανοδιόλης ήταν 4,4 g/L. Ο μεγαλύτερος συντελεστής απόδοσης που παρατηρήθηκε ήταν 0,64 g/g. Η υψηλότερη συγκέντρωση βιομάζας ήταν 1,4 g/L και η χαμηλότερη 0,7 g/L. Στην περίπτωση της μελάσας η μέγιστη τιμή της 1,3-προπανοδιόλης ήταν 2,0 g/L και ο συντελεστής απόδοσης 0,45 g/g και η παραγωγικότητα ήταν 0,02 g/L/h. Η βιομάζα έφτασε το 1,1 g/L. Στην περίπτωση της ξυλόζης η μέγιστη τιμή 1,3-προπανοδιόλης ήταν 12,4 g/L. Ο μεγαλύτερος συντελεστής απόδοσης που παρατηρήθηκε ήταν 0,65 g/g. Η υψηλότερη συγκέντρωση βιομάζας ήταν 4,2 g/L και η χαμηλότερη 3,1 g/L. Στην περίπτωση της λακτόζης η μέγιστη τιμή 1,3-προπανοδιόλης που παρατηρήθηκε ήταν 8,8 g/L με συντελεστή απόδοσης 0,78 g/g. Η υψηλότερη συγκέντρωση βιομάζας ήταν 2,0 g/L και η χαμηλότερη 1,8 g/L. Στην περίπτωση του τυρογάλακτος η μέγιστη τιμή 1,3-προπανοδιόλης που παρατηρήθηκε ήταν 2,5 g/L. Ο μεγαλύτερος συντελεστής απόδοσης που παρατηρήθηκε ήταν 0,45 g/g. Η υψηλότερη συγκέντρωση βιομάζας ήταν 3,5 g/L και η χαμηλότερη 1,4 g/L. Στην ημισυνεχή τροφοδοτούμενη καλλιέργεια σε διάστημα 140h καταναλώθηκαν συνολικά 60,5 g/L γλυκόζης και 70 g/L γλυκερόλη. Η 1,3-προπανοδιόλη που παρήχθη έφτασε τα 43 g/L με συντελεστή απόδοσης 0,61 g/g και παραγωγικότητα 0,3 g/L/h. Συνοψίζοντας, ο μικροοργανισμός L.diolivorans DSM 14421 μπορεί να αναπτυχθεί σε συνθήκες αυτοπαραγώμενης αναεροβίωσης με χαμηλές στροφές, σε ρυθμιζόμενο pH στο 5,8 στους 30oC. Η καλλιέργεια αυτή είναι πιο οικονομική σε σχέση με τις συνθήκες συνεχούς εμφύσησης αζώτου και 400 στροφές όμως ο συντελεστής απόδοσης του προϊόντος και η παραγωγικότητα του κυμαίνονται σε πολύ χαμηλά επίπεδα. Κατά συνέπεια θα πρέπει να διεξαχθεί περαιτέρω μελέτη ώστε να επιτευχθεί ο συνδυασμός ιδανικών συνθηκών καλλιέργειες με υψηλό συντελεστή απόδοσης και παραγωγικότητα σε συνδυασμό με εξασφάλιση του χαμηλού κόστους παραγωγής.

The present thesis focuses on the selection of the most efficient carbon sources for the growth of the microorganism Lactobacillus diolivorans DSM 14421. The sugars commercial glucose, commercial sucrose, commercial lactose and commercial xylose were implemented and examined. During all experiments, a cosubstrate of 90% crude glycerol was used. All microbial cultures were grown at 30ο C, with stirring at 180±5 rpm for the Duran bottles and at 250 rpm for the bioreactors. The pH was controlled and adjusted during the whole fermentation process, remaining between 5.8 and 6.3. Prior to incubation, nitrogen sparging was performed for a period of 20-30 min., in order to create anaerobic conditions. In the case of glucose, fructose and xylose the yield coefficient was found at 0.63 g/g, 0.60 g/g and 0.65 g/g respectively. These values are approximating the theoretical yield coefficient (0.83 g/g). Additionally, in the case of xylose, a considerable quantity of biomass (3.6 g/L) was observed, almost double the quantity produced by any other of the aforementioned sugars. Firstly, in the case of sucrose, the highest value of 1.3-propanediol achieved was 4.4 g/L. The highest yield coefficient observed was 0.64 g/g. The highest biomass concentration was at 1.4 g/L and the lowest at 0.7 g/L. Secondly, in the case of molasses, the highest value of 1.3-propanediol achieved was 2.0 g/L, the yield coefficient was found at 0.45 g/g and the productivity rate at 0.02 g/L/h. The highest biomass concentration reached 1.1 g/L. Thirdly, in the case of xylose, the highest value of 1.3-propanediol achieved reached 12.4 g/L. The highest yield coefficient observed was 0.65 g/g. The highest biomass concentration was at 4.2 g/L and the lowest at 3.1 g/L. Fourthly, in the case of lactose, the highest value of 1.3-propanediol observed reached 8.8 g/L, with a yield coefficient of 0.78 g/g. The highest biomass concentration was at 2.0 g/L, while the lowest at 1.8 g/L. Moreover, in the case of whey, the highest value of 1.3-propanediol produced was 2.5 g/L. The highest yield coefficient observed was 0.45 g/g. The highest biomass concentration was at 3.5 g/L, while the lowest at 1.4 g/L. During the fed-batch culture, in a period of 140 hours a total amount of 60.5 g/L glucose and 70 g/L glycerol was consumed. The overall quantity of 1.3-propanediol produced reached the 43 g/L, with a yield coefficient of 0.61 g/g and a productivity rate of 0.3 g/L/h. In conclusion, the microorganism L.diolivorans DSM 14421 can be grown under self-generated anaerobic conditions at a low round-per-minute rate, with controlled pH at 5.8 and at 30ο C. This type of culture is more cost-efficient in regard to the continuous nitrogen sparging conditions and 400 rpm rate; however, the product’s yield coefficient and productivity rate range at considerably low levels.