Μελέτη της παρεμπόδισης των παραγόμενων προϊόντων και βελτιστοποίηση της βιοτεχνολογικής παραγωγής της 2,3-βουτανοδιόλης μέσω μικροβιακών ζυμώσεων

Abstract

Η 2,3-βουτανοδιόλη (2,3-BD) είναι ένα σημαντικό προϊόν για τη χημική βιομηχανία με εφαρμογές στην παραγωγή πολυμερών, φαρμακευτικών προϊόντων και χημικών ουσιών. Διάφορα συστήματα ζυμώσεων (διαλείποντος έργου, ημι-συνεχής και συνεχής) έχουν μελετηθεί με σκοπό τη βελτιστοποίηση της παραγωγής της 2,3-BD. Στην παρούσα μελέτη, το βακτηριακό στέλεχος Enterobacter ludwigii χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή 2,3-BD με χρήση ακατέργαστης σακχαρόζης ως πηγή άνθρακα. Αρχικά, διεξήχθησαν δύο ημι-συνεχείς ζυμώσεις με διαφορετική αρχική συγκέντρωση βιομάζας (1 και 4 gꞏL-1). Υψηλές τιμές παραγωγικότητας (3,58 gꞏL-1 ꞏh-1) παρατηρήθηκαν στην αρχή της ζύμωσης, στην περίπτωση που χρησιμοποιήθηκε υψηλή αρχική συγκέντρωση βιομάζας, ωστόσο η τελική συγκέντρωση 2,3-BD, η απόδοση και η παραγωγικότητα ήταν παρόμοια στις δύο καλλιέργειες. Η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης σακχαρόζης και των μεταβολικών προϊόντων στην μικροβιακή αύξηση μελετήθηκε σε ζυμώσεις μικρού όγκου και σε κωνικές φιάλες. Συγκεντρώσεις ηλεκτρικού οξέος, οξικού οξέος και γαλακτικού οξέος άνω των 20 gꞏL-1 οδήγησαν σε γραμμική μείωση του ειδικού ρυθμού ανάπτυξης. Επίσης, παρατηρήθηκε μείωση του ειδικού ρυθμού αύξησης κατά 71% όταν η αρχική συγκέντρωση μυρμηκικού οξέος αυξήθηκε από 5 gꞏL-1 σε 15 gꞏL-1. Σχετικά με την επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης σακχαρόζης, η μέγιστη συγκέντρωση (55,5 gꞏL-1) και απόδοση της 2,3-BD (0,46 gꞏg-1) επιτεύχθηκαν με τη χρήση 120 gꞏL-1 αρχικής συγκέντρωσης σακχαρόζης. Υψηλότερες συγκεντρώσεις σακχαρόζης οδήγησαν στην αύξηση των παραπροϊόντων, με αποτέλεσμα τη χαμηλότερη απόδοση 2,3-BD. Η μέγιστη παραγωγικότητα (1,14 gꞏL-1ꞏh-1) επιτεύχθηκε σε αρχική συγκέντρωση σακχάρων 75 gꞏL-1. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν συνεχείς ζυμώσεις σε διάφορους ρυθμούς αραίωσης. Η υψηλότερη συγκέντρωση 2,3-BD επιτεύχθηκε σε ρυθμούς αραίωσης 0,05 - 0,085 h-1. Σε ρυθμό αραίωσης 0,07 h-1 παρατηρήθηκε η υψηλότερη απόδοση (0,49 gꞏg-1).

2,3-butanediol (2,3-BD) is an important building block for the chemical industry with potential applications in polymer, pharmaceutical and fine chemical production. Different fermentation strategies (batch, fed-batch and continuous) have been evaluated for enhanced 2,3-BD production. In this study, a newly isolated bacterial strain, namely Enterobacter ludwigii was used for 2,3-BD production using very high polarity cane sugar as carbon source. Two fed-batch fermentations were initially carried out with different initial concentrations of biomass (1 and 4 gꞏL-1). High values of productivity (3,58 gꞏL-1ꞏh-1) were reached when initial biomass concentration was 4 gꞏL-1 at the first hours of fermentation. However, similar values of final 2,3-BD, yield and productivity were achieved in both experiments. The effect of substrate and metabolic products on bacterial growth was studied in microplate and shake flask fermentations. Succinic acid, acetic acid and lactic acid concentrations higher than 20 gꞏL-1 resulted in a linear reduction of specific growth rate. When initial formic acid concentration increased from 5 gꞏL-1 to 15 gꞏL-1, the specific growth rate decreased by 71%. Regarding the effect of initial cane sugar concentration, high initial concentration of 120 gꞏL-1 led to the highest 2,3-BD production (55,5 gꞏL-1) and yield (0,46 gꞏg-1). Higher cane sugar concentration led to increased by-product formation resulting in lower 2,3-BD conversion yield. The highest productivity (1,14 gꞏL-1ꞏh-1) was achieved when cane sugar concentration was 75 gꞏL-1. Continuous cultures were conducted using different dilution rates. The highest 2,3-BD concentration was achieved at dilution rates in the range of 0,05 – 0,085 h-1 and the highest yield (0,49 gꞏg-1) was achieved at dilution rate of 0,07 h-1.