Μελέτη της βιοτεχνολογικής παραγωγής της 2,3-βουτανοδιόλης με τη χρήση ακατέργαστης ζάχαρης από ζαχαροκάλαμο ως πηγή άνθρακα

Abstract

Στην παρούσα μελέτη εξετάστηκε η επίδραση του αερισμού στην παραγωγή 2,3-βουτανοδιόλης μέσω μικροβιακών ζυμώσεων με χρήση του βακτηριακού στελέχους Enterobacter sp., μέλους της οικογένειας των Enterobacteriaceae. Η επίδραση του αερισμού στην παραγωγή 2,3- βουτανοδιόλης εξετάστηκε μελετόντας διαφορετικές συνθήκες ανάδευσης και αερισμού. Η μεγαλύτερη συγκέντρωση 2,3-βουτανοδιόλης (101.9 g/L) επιτεύχθηκε για ταχύτητα ανάδευσης 250 rpm και ρυθμό αερισμού 0.5 vvm, ο μεγαλύτερος συντελεστής απόδοσης παρατηρήθηκε για ταχύτητα ανάδευσης 150 rpm και ρυθμό αερισμού 1 vvm (0.43 g/g), ενώ η υψηλότερη τιμή παραγωγικότητας έφθασε στα 1.06 g/L/h για ταχύτητα ανάδευσης στις 400 rpm και ρυθμό αερισμού 1 vvm. Ωστόσο, κατά την καλλιέργεια του Enterobacter sp. σε ημι-συνεχή ζύμωση με μεταβαλόμενη ταχύτητα ανάδευσης έτσι ώστε να διατηρείται σταθερό το επίπεδο του διαλυτού οξυγόνου στο 5 % η παραγωγή τόσο της 2,3-βουτανοδιόλης έφτασε τα80.7 g/L, με συντελεστή απόδοσης 0.4 g/g και παραγωγικότητα 0.92 g/L/h, ενώ δεν παρατηρήθηκε παραγωγή οργανικών οξέων ως παραπροιόντα.. Επιπλέον, μελετήθηκε η σύσταση του θρεπτικού μέσου με σκοπό τη βελτιστοποίηση της βιοδιεργασίας. Παρατηρήθηκε ότι η σύσταση του θρεπτικού μέσου έχει μεγάλη επίδραση στην παραγωγή της 2,3-βουτανοδιόλης. Συγκεκριμένα, η ανόργανη πηγή αζώτου όσο και η επίδραση των φωσφορικών, Mg2+ αλάτων είχε θετική επίδραση τόσο στην παραγωγή της 2,3-βουτανοδιόλης όσο και στο σχηματισμό των παραπροιόντων. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η σύσταση του υγρού μέσου της προκαλλιέργειας. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε μία σειρά κλειστών καλλιεργειών του μικροοργανισμού σε ανακινούμενες φιάλες με χρήση θρεπτικών μέσων διαφορετικής σύστασης. Παρατηρήθηκε ότι η αντικατάσταση της οργανικής πηγής αζώτου από ανόργανο άζωτο στην προκαλλιέργεια, είχε αρνητική επίδραση καθώς καθυστέρησε την ανάπτυξη του μικροοργανισμού όπως φαίνεται από τις τιμές της οπτικής πυκνότητας και του μέγιστου ειδικού ρυθμού αύξησης. Τέλος, προκειμένου να επιβεβαιωθούν τα παραπάνω αποτελέσματα, πραγματοποιήθηκε μία ημι-συνεχής ζύμωση σε βιοαντιδραστήρα με ταχύτητα ανάδευσης 150-400 rpm και ρυθμό αερισμού στο 1 vvm. Η συγκέντρωση της 2,3-βουτανοδίόλης έφτασε τα 84.4 g/L με συντελεστή απόδοσης 0.45 g/g και παραγωγικότητα 2.48 g/L/h. Η αντικατάσταση της οργαικής πηγής αζώτου με ανόργανη αλλά και η προσθήκη αλάτων συνέβαλε στην αύξηση της απόδοσης κατά 32.3 % και της παραγωγικότητας κατα 218 %.

The aim of the present study was to evaluate the production of 2,3-butanediol by microbial fermentations using the bacterial strain Enterobacter sp., member of the Enterobacteriaceae family. The effect of aeration rate on 2,3-butanediol production was examined using different agitation and aeration rates. The higher concentration of 2,3-butanediol (101.9 g/L) was observed when the agitation speed was 250 rpm and aeration rate was 0.5 vvm, the higher yield (0.43 g/g) obtained using 150 rpm and aeration rate 1 vvm, while the higher productivity reached 1.06 g/L/h at 400 rpm and aeration rate of 1 vvm. However, when the agitation speed was maintained between 150-400 rpm in order to maintain the dissolved oxygen concentration at 5 %, 2,3-butanediol production reached 80.7 g/L with corresponding yield of 0.4 g/g and productivity of 0.92 g/L/h. The production of organic acids was low comparing with constant agitation rates. In addition, we studied the medium composition in order to optimize the bioprocess. It was observed that the medium has great influence on the production of 2,3-butanediol. Specifically, the inorganic nitrogen source and the effect of phosphates, Mg2+ salts had a positive effect both in the production of 2,3-butanediol and the formation of by-products. Then the composition of the preculture medium was studied. For this purpose, a series of batch fermentations of the microorganism took place in shake flasks using a nutrient media of different composition. It was observed that replacement of the organic nitrogen source from inorganic nitrogen in preculture, had a negative effect on growth. Finally, in order to validate the above results, a fed-batch fermentation with agitation cascade was conducted. The concentration of 2,3-butanediol reached 84.4 g/L with a corresponding yield of 0.45 g/g and productivity of 2.48 g/L/h, the replacement of organic nitrogen source with inorganic as well as the addition of elements have increased the yield and productivity by 32.3 % and 218 % respectively.