Μελέτη της βιοτεχνολογικής παραγωγής 2,3βουτανοδιόλης μέσω βακτηριακών ζυμώσεων

Abstract

Στην παρούσα πτυχιακή μελέτη μελετήθηκαν τρία νέα βακτηριακά στελέχη για την παραγωγή 2,3-βουτανοδιόλης. Τα παραπάνω στελέχη ονομάστηκαν για την παρούσα πτυχιακή Α1, Α2 & Α3 και ανήκουν στη συλλογή του εργαστηρίου Μικροβιολογίας και Βιοτεχνολογίας Τροφίμων του τμήματος Επιστήμης και Τεχνολογίας Τροφίμων του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών. Αρχικά οι τρεις μικροοργανισμοί καλλιεργήθηκαν σε φιάλες Duran, με πηγή άνθρακα την εμπορική σακχαρόζη. Για κάθε μικροοργανισμό, έγιναν δύο καλλιέργειες, η πρώτη έγινε με αρχική συγκέντρωση σακχαρόζης 30 g/L και η δεύτερη με αρχική συγκέντρωση σακχαρόζης 60 g/L. Στη συνέχεια, έγιναν ζυμώσεις με τις ίδιες συνθήκες σε φιάλες Duran, με πηγή άνθρακα την ακάθαρτη γλυκερόλη σε συγκέντρωση 30 g/L. Και τέλος, πραγματοποιήθηκαν ζυμώσεις με πηγή άνθρακα την μελάσα, με συγκέντρωση ολικών σακχάρων 30 g/L (μελάσα 60 g/L). Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν κλειστές καλλιέργειες ( Batch cultures) υπό αναερόβιες συνθήκες, σε φιάλες Duran 1-L με ενεργό όγκο 0,8 L. Οι πηγές άνθρακα που χρησιμοποιήθηκαν είναι η εμπορική σακχαρόζη, η μελάσα και η ακάθαρτη γλυκερόλη. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με πηγή άνθρακα την ακάθαρτη γλυκερόλη, δεν παρατηρήθηκε κατανάλωση του υποστρώματος. Ακόμη, με βάση τα δεδομένα των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν σε κλειστές καλλιέργειες (Batch cultures) για τους μικροοργανισμούς Α1, Α2 & Α3, παρατηρούμε ότι ο μικροοργανισμός Α3 παρουσιάζει τους μεγαλύτερους συντελεστές απόδοσης παράγωγης 2,3-βουτανοδιόλης. Για το λόγο αυτό, πραγματοποιήθηκε ημισυνεχής καλλιέργεια (Fed-Batch culture) του μικροοργανισμού Α3, σε βιοαντιδραστήρα με πηγή άνθρακα τη μελάσα. Ο μικροοργανισμός Α3 κατανάλωσε συνολικά 87,5 g/L σάκχαρα, και η μέγιστη παραχθείσα ποσότητα 2,3-βουτανοδιόλης είναι 40 g/L. Η απόδοση της ζύμωσης είναι ιδιαιτέρα ικανοποιητική Υ =0,46 g/g, με δεδομένο ότι η θεωρητική απόδοση για την παραγωγή της 2,3-βουτανοδιόλης είναι 0,52 g/L, και παραγωγικότητα της ζύμωσης είναι P

2,3BD =0,62 g/L/h.

At the present study, three new bacterial strains were studied for the production of 2,3-butanediol. These strains named for this thesis as Α1, Α2 & Α3 and belong to the collection of the Laboratory of Microbiology and Biotechnology of the department of Food Science and Human Nutrition at the Agricultural University of Athens. The three microorganisms were initially cultured in Duran flasks, with commercial sucrose as carbon source. Each microorganism was cultivated with 30 g/L and 60 g/L sucrose concentration. Then fermentations were carried out under the same conditions in Duran bottles, using 30 g/L of crude glycerol concentration as carbon source. Finally fermentations were carried out with molasses as carbon source, at a concentration of total sugars of 30 g/L (molasses 60 g/ L). Batch cultures were carried out under anaerobic conditions in 1 L, Duran bottles with a working volume of 0,8 L at 30°C. The pH value at the beginning of fermentation was 6.8 ± 0.2 and it was reduced during fermentation to 6.3 ± 0.2. The carbon sources used were commercial sucrose, molasses and crude glycerol. In the experiments carried out with crude glycerol, no consumption of the substrate was observed. Based on the experimental data in Batch cultures for microorganisms A1, A2 & A3, the strain A3 presents the greatest potential for 2,3-butanediol production. For this reason, a fed-batch culture was carried out with the microorganism A3 in the bioreactor with molasses as carbon source. The microorganism A3 consumed 87,5 g/L of sugars and the maximum quantity of 2,3-butanediol produced was 40 g/L. The fermentation yield achieved was 0,46 g/g and the productivity 0,62 g/L/h.