Αξιοποίηση οξικού οξέος για παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων και μελέτη της εκχύλισης με πράσινους διαλύτες

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, η επιστημονική κοινότητα έχει στραφεί στην μελέτη και ανάπτυξη καινοτόμων διεργασιών με σκοπό τη μείωση της χρήσης ορυκτών πόρων και τη μετάβαση στην κυκλική οικονομία. Οι ανανεώσιμες πηγές άνθρακα αποτελούν δυνητικές πρώτες ύλες για παραγωγή χημικών και βιοπολυμερών στα πλαίσια μιας βιοτεχνολογικής προσέγγισης, όπου παρέχονται τα εργαλεία για τη βιομετατροπή σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας. Το οξικό οξύ αποτελεί μία χημική ένωση με μεγάλο ενδιαφέρον, τόσο ως πρόδρομη ένωση για την παραγωγή πολυμερών συσκευασίας όσο και για την αξιοποίησή του ως υπόστρωμα σε βιομηχανικές ζυμώσεις. Παράλληλα, η αυξανόμενη χρήση βιοαποικοδομήσιμων πλαστικών έχει οδηγήσει στην ανάγκη για την ανάπτυξη διεργασιών με στόχο την ανακύκλωσή τους, ώστε να αποφεύγεται η συσσώρευσή τους στο περιβάλλον. Στην παρούσα μελέτη αξιοποιήθηκε το οξικό οξύ και υδρολύματα βιοαποικοδομήσιμων πλαστικών ως υπόστρωμα για την παραγωγή μικροβιακών λιπιδίων. Αρχικά, οι ελαιογόνοι μικροοργανισμοί C. curvatus ATCC 20509, L. starkeyi DSM 70296 και R. toruloides NRRL Y-27012 αξιολογήθηκαν ως προς την ικανότητά τους να αναπτύσσονται και να παράγουν μικροβιακό λίπος με διάφορα εμπορικά οργανικά οξέα ως πηγή άνθρακα σε ασυνεχείς καλλιέργειες. Οι δύο πρώτοι μικροοργανισμοί αναπτύχθηκαν σε όλα τα προς εξέταση υποστρώματα και στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε παρόμοιες καλλιέργειες με μονομερή υδρολύματα βιοπολυμερών όπως το πολύ-γαλακτικό οξύ (PLA) και το πολύ-3-υδρόξυ-βουτυρικό (PHB). Το παραγόμενο μικροβιακό λίπος αποτελείτο κατά κύριο λόγο από τα λιπαρά οξέα C16:0, C:18:0, Δ9C18:1 και Δ9,Δ12C18:2, σε όλα τα διαφορετικά υποστρώματα. Το στέλεχος C. curvatus ATCC 20509 αναπτύχθηκε σε ημι-συνεχή ζύμωση με οξικό οξύ παράγοντας 19,8 g/L βιομάζας με περιεκτικότητα σε λίπος 59,66% w/w, ενώ στην καλλιέργεια με υδρόλυμα PLA παρήγαγε βιομάζα συγκέντρωσης 21,15 g/L με λιποπεριεκτικότητα της τάξης του 34,16% w/w στο τέλος της ζύμωσης.Επιπλέον, μελετήθηκε η ανάκτηση των μικροβιακών λιπιδίων με τη χρήση πράσινων οργανικών διαλυτών με σκοπό την αντικατάσταση των συμβατικών διαλυτών πετροχημικής προέλευσης. Πραγματοποιήθηκαν διεργασίες για τον διαχωρισμό των λιπιδίων με διαφορετικούς χρόνους ανάδευσης, διαφορετικές θερμοκρασίες και με τη χρήση υπερήχων για τη διάτρηση των κυττάρων. Οι πράσινοι διαλύτες 1,3-διοξολάνη και οξικός αιθυλεστέρας οδήγησαν στην ανάκτηση του λίπους σε ποσοστά 93,62% και 83,36% λιπιδίων αντίστοιχα, με 24 ώρες ανάδευση στους 80°C και με τη χρήση υπερήχων, γεγονός που τους καθιστά ικανούς να αντικαταστήσουν το ευρέως χρησιμοποιούμενο εξάνιο.

In recent years, the scientific community has turned to the study and development of innovative processes to reduce the use of fossil fuels and transitioning to a circular economy. Renewable carbon sources are potential raw materials for the production of chemicals and biopolymers in the context of a biotechnological approach, that provides the tools for bioconversion into high added value products. Acetic acid is a chemical compound of great interest both as a precursor compound for the production of packaging polymers and for its use as a substrate in industrial fermentations. At the same time, the increasing use of biodegradable plastics has led to the need to recycle such compounds in order to avoid their accumulation in the environment. In the present study, acetic acid and biodegradable plastics hydrolysates were utilized as substrates for the production of microbial lipids. Initially, the oleaginous microorganisms C. curvatus ATCC 20509, L. starkeyi DSM 70296 and R. toruloides NRRL Y-27012 were evaluated for their ability to grow and produce microbial lipids with various commercial organic acids as carbon sources in batch cultures. The first two microorganisms were grown on all the substrates tested and then subjected to similar cultures with monomer hydrolysates of biopolymers such as poly-lactic acid (PLA) and poly-3-hydroxy-butyrate (PHB). The produced microbial lipids was mainly composed of C16:0, C18:0, C18:1 and C18:2 fatty acids, in all different substrates. The strain C. curvatus ATCC 20509 was grown in fed-batch fermentation with acetic acid producing 19.8 g/L of biomass with a lipid content of 59.66% w/w, while in culture with PLA hydrolysate produced a biomass concentration of 21.15 g/L with a lipid content of 34.16% w/w at the end of the fermentation. In addition, the recovery of microbial lipids using green organic solvents was studied in order to replace conventional solvents of petroleum origin. Processes were performed to separate the lipids with different stirring times, different temperatures and using ultrasounds to penetrate the cells. The green solvents 1,3-dioxolane and ethyl acetate led to the recovery of oil in percentages of 93.62% and 83.36% of lipids respectively, with 24 hours of stirring at 80°C and using ultrasounds, making them capable of replacing the widely used hexane.