Μελέτη παραγωγής βακτηριακής κυτταρίνης με χρήση αποβλήτων από διεργασίες επεξεργασίας εσπεριδοειδών και αξιοποίησή της ως μέσο ακινητοποίησης μικροοργανισμών προς παραγωγή ηλεκτρικού οξέος

Abstract

Η κυτταρίνη αποτελεί το πιο άφθονο βιοπολυμερές στη γη. Αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του κυτταρικού τοιχώματος των φυτικών ιστών και παράλληλα μπορεί να παραχθεί μέσω μικροβιακών ζυμώσεων κυρίως από βακτηριακά στελέχη του γένους Acetobacter. Το πολυμερές αυτό έχει βρει πλήθος εφαρμογών σε βιομηχανίες τροφίμων, καλλυντικών, χάρτου, κλωστοϋφαντουργίας καθώς και σε τομείς όπως η Ιατρική και η φαρμακευτική. Στην παρούσα μελέτη, αξιολογήθηκε αρχικά η δυνατότητα παραγωγής βακτηριακής κυτταρίνης από το βακτηριακό στέλεχος Komogateibacter sucrofermentans αξιοποιώντας απόβλητα της βιομηχανίας επεξεργασίας εσπεριδοειδών. Οι ανανεώσιμες πρώτες ύλες που χρησιμοποιήθηκαν ήταν λεμόνια, πορτοκάλια και γκρέιπφρουτ και ο K. sucrofermentans αναπτύχθηκε σε χυμούς αυτών όπως και σε εκχυλίσματα που προέκυψαν μετά από κατάλληλη επεξεργασία της φλούδας και της πούλπας ύστερα από την εξαγωγή του χυμού. Η παραγωγή της βακτηριακής κυτταρίνης αξιολογήθηκε επιπλέον σε διάφορες συνθετικές πηγές άνθρακα που προέρχονται από την χημική ή ενζυμική υδρόλυσης της λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας όπως ξυλόζη, μαννόζη, αραβινόζη και γαλακτόζη. Η βάση για όλες τις βακτηριακές ζυμώσεις ήταν το θρεπτικό μέσο καλλιέργειας Hestrin–Schramm (HS-γλυκόζη) όπου η ποσότητα των σακχάρων είναι 20g/L και η ποσότητα του αζώτου των ελεύθερων αμινομάδων 385 mg/L. Η μέγιστη παραγωγή κυτταρίνης επιτεύχθηκε όταν ο K. sucrofermentans αναπτύχθηκε σε θρεπτικά υποστρώματα χυμού γκρέιπφρουτ και εκχύλισμα λεμονιού με αντίστοιχες συγκεντρώσεις 6,71 g/L και 5,74 g/L και αποδόσεις 0,61 g/g 0,28 g/g αντίστοιχα. Η ξυλόζη, η μαννόζη και η αραβινόζη δεν μεταβολίστηκαν επαρκώς από το βακτηριακό στέλεχος οδηγώντας σε χαμηλή παραγωγή βακτηριακής κυτταρίνης με αντίστοιχες τιμές 0,81 g/L, 1,13 g/L και 1,58 g/L, στο υπόστρωμα της γαλακτόζης η παραγωγή της βακτηριακής κυτταρίνης ήταν η μέγιστη με συγκέντρωση 3,22 g/L. Επιπλέον, μελετήθηκε η αξιοποίηση της βακτηριακής κυτταρίνης ως φορέας ακινητοποίησης για το βακτηριακό στέλεχος Actinobacillus succinogenes προς παραγωγή ηλεκτρικού οξέος. Πραγματοποιήθηκε ζύμωση, ημιδιαλείποντος έργου σε βιοαντιδραστήρα με ελεγχόμενες συνθήκες του pH, της θερμοκρασία και των στροφών του αναδευτήρα, ενώ η παροχή CO2 ήταν σταθερή. Η τροφοδοσία με θρεπτικό μέσο έγινε με συνεχή τρόπο. Η συγκέντρωση ηλεκτρικού οξέος έφτασε στα 20,11 g/L και η απόδοση της ζύμωσης 0,7 g/g ενώ η παραγωγικότητα 0,33 g/h.

Cellulose is the most abundant biopolymer on earth. It constitutes the largest part of the cell wall of plant tissues and can also be produced by microbial fermentation. This polymer has a number of commercial applications in food industry, cosmetics, paper, textile and many applications in Medicine and Pharmacy industries. The initial scope of this study was to investigate the ability of Bacterial cellulose production, via batch fermentation, valorizing renewable resources deriving citrus juicing industry and open area markets. The produced BC utilized as an immobilizer matrix for succinic acid production by Actinobacillus succinogenes. The basis for all fermentations was the HS-glucose culture medium in which the carbon and/or nitrogen source was replaced when needed. In particular, the ability to produce cellulose using 3 different citrus fruits (lemons, oranges and grapefruit) using the whole fruit (juice, pulp and peels) as well as commercial sugars (xylose, mannose, arabinose and galactose) was studied. In the case of grapefruit juice and hydrolysate lemon peels substrates, maximum BC production were achieved, 6,71 g / L and 5,74 g / L and yield was 0,61 g/g 0,28 g/g respectively. Xylose, mannose and arabinose were not adequately metabolized by the bacterial strain by giving only 0,81 g/L for xylose, 1,13 g/L mannose and 1,58 g/L for arabinose. Komagataeibacter sucrofermentans, while on the galactose substrate the production reached 3,22 g / L. Finally, BC utilized for immobilizing Actinobacillus succinogenes. To achieve immobilization, a bioreactor was used under controlled conditions of pH, temperature and stirrer rpm, stable supply of CO2 and continues feeding supply also. The duration was 61 hours and Actinobacillus succinogenes reached 20,11 g / L succinic acid and presented a yield of 0,77 g / g. The productivity was 0,33 g / h.