Βελτιστοποίηση του θρεπτικού μέσου για την βιοτεχνολογική παραγωγή της 2,3-βουτανοδιόλης με βάση την αξιοποίηση της μελάσας

Abstract

Η βιοτεχνολογική παραγωγή της 2,3-βουτανοδιόλη από απόβλητα βιομηχανίας τροφίμων όπως η μελάσα έχει αποκτήσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια λόγω των πολλαπλών εφαρμογών της. Στην παρούσα μελέτη, μελετήθηκε η βιοτεχνολογική παραγωγή της 2,3-βουτανοδιόλης με τη χρήση του βακτηριακού στελέχους Enterobacter ludwigii. Στόχος της μελέτης ήταν η βελτιστοποίηση του θρεπτικού μέσου αξιοποιώντας τη μελάσα ως υπόστρωμα και εμπορικά σκευάσματα αζώτου και αλάτων. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν ημι-συνεχείς καλλιέργειες με τη χρήση μελάσας και ανόργανης πηγής αζώτου αξιοποιόντας ακατέργαστης σακχαρόζης και μελάσας ως τροφοδοσία. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση της αρχικής συγκεντρώσης μελάσας και η επίδραση διαφορετικών πηγών αζώτου με σκοπό την βελτιστοποίηση της παραγωγής της 2,3-βουτανοδιόλης. Η αρχική συγκέντρωση μελάσας 80 g.L-1 είχε τα καλύτερα αποτελέσματα ως προς την απόδοση της 2,3-βουτανοδιόλης, τη παραγωγικότητα και τη μικροβιακή αύξηση (0.38 g.g-1, 1.23 g.L-1.h-1 και 0.28 h-1, αντίστοιχα). Μείγμα εκχυλίσματος ζύμης, θειικού αμμωνίου και υγρό εκχύλισμα από την επεξεργασία σπόρων καλαμποκιού επιλέχθηκαν για περαιτέρω μελέτη. Η επίδραση της πηγής αζώτου και διαφόρων ιχνοστοιχείων μελετήθηκαν μέσω στατιστικού σχεδιασμού. Το εκχύλισμα ζύμης, το θειικό αμμώνιο και το ΚΟΗ προσδιορίστηκαν ως πιο σημαντικοί παράγοντες για την παραγωγικότητα της 2,3-βουτανοδιόλης, μέσα από τον πειραματικό σχεδιασμό Plackett–Burman. Με τον κεντρικό σύνθετο σχεδιασμό (CCD) προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συγκεντρώσεις. Οι βέλτιστες συγκεντρώσεις εκχυλίσματος ζύμης, θειικού αμμωνίου και το ΚΟΗ ήταν 10 g.L-1, 6.2 g.L-1 and 0.7 g.L-1 αντίστοιχα. Ημι-συνεχείς καλλιέργειες με το βελτιστοποιημένο θρεπτικό μέσο χρησιμοποιόντας ακατέργαστη σακχαρόζη και μελάσα ως τροφοδοσία πραγματοποιήθηκαν. Η τελική συγκέντρωση 2,3-βουτανοδιόλης ήταν 73.33 g.L-1 με απόδοση 0.28 g.g-1 και ρυθμό παραγωγής 1.52 g.L-1.h-1 στην περίπτωση που μελάσα χρησιμοποιήθηκε ως τροφοδοσία. Ενώ, όταν ακατέργαστη σακχαρόζη χρησιμοποιήθηκε ως τροφοδοσία η τελική συγκέντρωση 2,3-βουτανοδιόλης έφτασε τα 97.5 g.L-1, με απόδοση 0.38 g.g-1 και παραγωγικότητα 1.77 g.L-1.h-1.

Recently, the biotechnological production of 2,3-butanediol has gained much interest due to the wide variety of industrial applications. Various by-products streams and food wastes have been valorized for microbial 2,3-butanediol production. In this study, the optimization of the biotechnological production of 2,3-butanediol was studied using the bacterial strain Enterobacter ludwigii, molasses as a carbon source, commercial nitrogen compounds and salts. At first, the utilization of molasses was investigated in fed-batch fermentations using inorganic nitrogen source and feeding solution of raw sugarcane and molasses. The effect of the initial molasses concentration and different nitrogen sources was studied in order to optimize the production of 2,3-butanediol. The higher conversion yield, productivity and μmax αύξηση (0.38 g.g-1, 1.23 g.L-1.h-1 and 0.28 h-1, respectively) were obtained when the initial molasses concentration was 80 g.L-1. A combination of yeast extract, pre-treated CSL and ammonium sulphate were the nitrogen sources that selected for further study. The effect of media composition on 2,3-butanediol production was study by two step statistically designed experiments. Yeast extract, ammonium sulfate and KOH were identified as the most significant factors for the production of 2,3-butanediol by the Plackett-Burman design. A central composite design was employed to determine their optimal levels. The optimal concentration of yeast extract, ammonium sulfate and KOH were 10 g.L-1, 6.2 g.L-1 and 0.7 g.L-1 respectively. Fed-batch cultures were performed under the optimal conditions using raw sugarcane and sugarcane molasses as feeding. Up to 73.3 g.L-1 of 2,3-butanediol with conversion yield of 0.28 g.g-1 and productivity of 1.52 gL-1.h-1 was obtained in the case with sugarcane molasses as feeding. Though when sugarcane solution used as feeding, 2,3-butanediol production reached 97.5 gL-1, with conversion yield of 0.38 gg-1 and productivity of 1.77 gL-1.h -1.