Βιοτεχνολογική αξιοποίηση γλυκερόλης προς παραγωγή βακτηριακής 1,3-προπανοδιόλης, 2,3-βουτανοδιόλης και ακετοΐνης

Abstract

Η μείωση των πόρων ορυκτών καυσίμων, τα ποικίλα περιβαλλοντικά ζητήματα που προκύπτουν, καθώς και η συνεχής ζήτηση για ενέργεια, έχουν συντελέσει στην αύξηση της παραγωγής βιοκαυσίμων. Το πιο κοινό Βιοκαύσιμο που χρησιμοποιείται στην Ευρώπη είναι το βιοντίζελ, το οποίο παρασκευάζεται από φυτικά έλαια, ζωικά ή φυτικά ελαιούχα απόβλητα. Ωστόσο, η αύξηση στη ζήτηση και παραγωγή βιοντίζελ, έχει ως επακόλουθο τη τεράστια ποσότητα παραγόμενης ακάθαρτης γλυκερόλης, η οποία αποτελεί το κυριότερο παραπροϊόν της διεργασίας αυτής. Μελέτες έχουν δείξει τη δυνατότητα χρήσης του παραπροϊόντος αυτού ως κατάλληλη πρώτη ύλη για τη παραγωγή ενώσεων υψηλής προστιθέμενης αξίας από τους μικροοργανισμούς, όπως η 1,3-Προπανοδίόλη. Η βιοτεχνολογική παραγωγή της 1,3-προπανοδιόλης από βιομάζα αποβλήτων είναι μια πολλά υποσχόμενη και ελκυστική εναλλακτική λύση, έναντι της παραδοσιακής χημικής σύνθεσης, η οποία γίνεται μέσω της επεξεργασίας του οξειδίου του αιθυλενίου και της ακρολεΐνης. Η βιοτεχνολογική παραγωγή γίνεται μέσω ζύμωσης της γλυκερόλης από βακτήρια, όπως τα γένη Citrobacter, Klebsiella, Lactobacillus, Enterobacter και Clostridium. Η παρούσα πειραματική μελέτη είχε ως στόχο να χρησιμοποιήσει τη γλυκερόλη στη καθαρή και ακάθαρτη μορφή της, που λαμβάνεται από τη διαδικασία παραγωγής βιοντίζελ, ως την κύρια πηγή άνθρακα, κυρίως για τη παραγωγή 1,3-προπανοδιόλης, 2,3-βουτανοδιόλης και ακετοΐνης από τα βακτηριακά στελέχη Citrobacter freundii EMBT, Bacillus subtilis ACA-DC 1176, Bacillus subtilis ACA-DC 1225 και Lactobacillus brevis ACA-DC 1716, τα οποία αποτελούν συλλογές του εργαστηρίου της Γαλακτοκομίας, του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών. Η πειραματική διεργασία πραγματοποιήθηκε σε ασυνεχείς καλλιέργειες σε κωνικές φιάλες τύπου Erlenmeyer των 250 ml και φιάλες Duran των 100 ml, υπό αερόβιες και αναερόβιες συνθήκες. Αρχικά για τη καλλιέργεια όλων των στελεχών χρησιμοποιήθηκε εμπορική γλυκόζη, καθώς είναι η πιο εύκολα καταβολίσιμη πηγή άνθρακα, ενισχύοντας της μικροβιακή αύξηση. Στην πορεία εξετάστηκε η καθαρή γλυκερόλη, ενώ σε τελικό στάδιο έγινε χρήση της ακάθαρτης γλυκερόλης και στα τέσσερα βακτηριακά στελέχη. Επίσης εφαρμόστηκε συν-υπόστρωμα καθαρής γλυκερόλης και γλυκόζης για τη περίπτωση του Lactobacillus brevis ACA-DC 1716, καθώς αδυνατούσε να αναπτυχθεί σε υπόστρωμα με μοναδική πηγή άνθρακα τη γλυκερόλη. Σε όλες τις πειραματικές διεργασίες συνεκτιμήθηκε η αφομοίωση της πηγής άνθρακα, καθώς και η παραγωγή των κύριων μεταβολιτών: 1,3-προπανοδιόλη, 2,3-βουτανοδιόλη, ακετοΐνη και βιομάζας. Μεταξύ των εξεταζόμενων στελεχών ξεχώρισε το Bacillus subtilis ACA-DC 1176 για την αυξημένη συγκέντρωση ακετοΐνης που παρήγαγε στο τέλος της ζύμωσης. Η καλλιέργειά του έγινε σε υπόστρωμα με πηγή άνθρακα καθαρή γλυκερόλη, συγκέντρωσης 70±3 g/L, την οποία και κατανάλωσε πλήρως, σε διάστημα 115 ωρών, υπό αερόβιες συνθήκες. Η μέγιστη ποσότητα ακετοΐνης που καταγράφηκε για το στέλεχος αυτό ήταν 17,6 g/L με συντελεστή απόδοσης Y(ACTN/S)=0,27 g/g .

The reduction of fossil fuel resources, the various environmental issues that arise, as well as the constant demand for energy, fuels, and chemicals, have contributed to the increase in the production of Biofuels. The most common Biofuel used in Europe is biodiesel, which is made from vegetable oils, animal, or vegetable oily wastes. However, the increase in demand and production of biodiesel, leads to a huge amount of crude glycerol being produced. glycerol, the main by-product of the biodiesel industry, can be a suitable raw material to produce high value-added compounds by microorganisms, such as 1,3-propanediol. The biotechnological production of 1,3-propanediol from waste biomass is a very promising and attractive alternative in addition to the traditional chemical composition, which is done through the treatment of ethylene oxide and acrolein. Biotechnological production is done by fermentation of glycerol from bacterial genera, including Citrobacter, Klebsiella, Lactobacillus and Enterobacillus. The aim of this experimental study was to use glycerol in its pure and crude form, obtained from the biodiesel production process, as the main source of carbon, mainly to produce 1,3-propanediol, 2,3-butanediol and acetoin through bacterial strains of Citrobacter freundii EMBT, Bacillus subtilis ACA-DC 1176, Bacillus subtilis ACA-DC 1225 and Lactobacillus brevis ACA-DC 1716, which are collections of the Dairy laboratory of the Agricultural University of Athens. The experimental process was performed on batch cultures under aerobic and anaerobic conditions, in flasks and Duran bottles respectively. Commercial glucose was initially used as a carbon source for the cultivation of all strains, as this substrate is the most easily catabolized source of carbon for enhancing microbial growth. In the next step, pure glycerol was tested, while in the final stage, crude glycerol was used in all four bacterial strains. Pure glycerol and glucose co-substrate was also applied in the case of Lactobacillus brevis ACA-DC 1716, as it was unable to grow on a substrate with glycerol as its sole carbon source. The assimilation of the carbon source, as well as the production of the major metabolites 1,3-propanediol, 2,3-butanediol, acetoin and biomass, were considered in all experimental processes. Among the examined strains, Bacillus subtilis ACA-DC 1176 stood out for the increased concentration of acetoin that was produced in the end of fermentation. It was cultured on a substrate with a carbon source of pure glycerol, with a concentration of 70±3 g/L, which was consumed completely, in a period of 115 hours, under aerobic conditions. The maximum amount of acetoin that was recorded for this strain was 17.6 g/L with a yield of 0.27 g/g.