زیست فناوری میکروبی و مهندسی زیستی

زیست فناوری میکروبی و مهندسی زیستی

تولید پلیمر زیست‌تخریب‌پذیر هیدروکسی بوتیرات-والرات در محیط کشت خالص: ارزیابی مقایسه‌ای فرآیندهای ناپیوسته و ناپیوسته خوراک‌دهی‌شده

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناسی ارشد، مهندسی شیمی-بیوتکنولوژی، دانشگاه شهید باهنر کرمان
2 استادیار، مهندسی شیمی - بیوتکنولوژی، دانشگاه شهید باهنر کرمان
چکیده
پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها (PHA)ها به‌عنوان پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر، گزینه‌ای امیدوارکننده برای کاهش اثرات زیست‌محیطی پسماندها محسوب می‌شوند. این ترکیبات در شرایط تنش ناشی از محدودیت مواد مغذی و حضور منابع کربنی فراوان، به صورت درون سلولی توسط میکروارگانیسم‎ها ذخیره می‌شوند. در میان آن‌ها، کوپلیمر هیدروکسی‌بوتیرات شناخته‌شده‌ترین عضو این خانواده است. تولید این پلیمرها معمولاً مبتنی بر مصرف ترکیبات آلی محلول مانند اسیدهای چرب فرار است که علاوه بر هیدروکسی‌بوتیرات، به تولید هیدروکسی‌والرات نیز منجر می‌شوند. در این پژوهش، هدف بررسی تأثیر افزودن تدریجی اسیدهای چرب بر افزایش بازده تولید و کاهش مصرف منابع کربنی بود. سویه آلکالیجنس اوتروفس از کلکسیون میکروبی تهیه شد و منابع کربنی شامل گلوکز و اسیدهای چرب (استیک، پروپیونیک و مخلوط آن‌ها) مورد استفاده قرار گرفت. برای ارزیابی اثر منبع کربن، دو فرآیند ناپیوسته و ناپیوسته خوراک‌دهی‌شده مقایسه شدند. طراحی آزمایش‌ها با نرم‌افزار Minitab و با استفاده از آنالیز واریانس دوطرفه انجام شد. کشت‌ها در ارلن‌های لرزان حاوی 50 میلی‌لیتر محیط انجام گرفت و 5 میلی‌لیتر محیط بذر به آن‌ها افزوده شد. در روش خوراک‌دهی‌شده، اسیدهای چرب در سه زمان مشخص (24، 45 و 50 ساعت) به‌صورت مرحله‌ای اضافه شدند تا از اثرات بازدارندگی جلوگیری شود. شرایط کشت شامل دمای 32 درجه، سرعت 120 دور در دقیقه و زمان 72 ساعت بود. نتایج نشان داد بیشترین تولید هیدروکسی‌بوتیرات (486/3 گرم بر لیتر) و هیدروکسی‌والرات (794/0 گرم بر لیتر) در حضور اسید استیک و روش خوراک‌دهی‌شده حاصل شد. همچنین این روش موجب افزایش حدود 17 درصدی هیدروکسی‌والرات شد و کارایی مصرف منابع را بهبود داد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Production of Biodegradable Hydroxybutyrate-Valerate Polymer in Pure Culture: A Comparative Evaluation of Batch and Fed-Batch Processes

نویسندگان English

atefeh farjadmanesh 1
Seyed Ahmad Ataei 2
1 M.Sc., Chemical Engineering – Biotechnology, Shahid Bahonar University of Kerman, Iran
2 Assistant Professor, Chemical Engineering – Biotechnology, Shahid Bahonar University of Kerman, Iran
چکیده English

Polyhydroxyalkanoates (PHAs), as biodegradable polymers, are considered promising alternatives for reducing the environmental impacts of waste. These compounds are accumulated intracellularly by microorganisms under stress conditions caused by nutrient limitation in the presence of excess carbon sources. Among them, hydroxybutyrate copolymer is the most well-known member of this family. Their production is generally based on the consumption of soluble organic substrates such as volatile fatty acids, which lead not only to hydroxybutyrate formation but also to hydroxyvalerate production. This study aimed to evaluate the effect of gradual fatty acid addition on improving production yield and reducing carbon source consumption. The strain Alcaligenes eutrophus was obtained from a microbial culture collection, and carbon sources included glucose and fatty acids (acetic acid, propionic acid, and their equal-weight mixture). To assess the impact of carbon sources, batch and fed-batch processes were compared. Experimental design was conducted using Minitab software with a two-way ANOVA approach. Cultures were grown in shake flasks containing 50 mL of medium, with 5 mL of inoculum added. In the fed-batch process, fatty acids were added stepwise at 24, 45, and 50 hours to prevent substrate inhibition. Incubation conditions were 32°C, 120 rpm, and 72 hours. Results showed maximum hydroxybutyrate (3.486 g/L) and hydroxyvalerate (0.794 g/L) production under acetic acid and fed-batch conditions. This approach increased hydroxyvalerate production by approximately 17% and improved resource efficiency.

کلیدواژه‌ها English

Polyhydroxyalkanoates
Biodegradability
Alcaligenes eutrophus
Fed-batch process
Fatty acids
[1] Najafi-Shalmaei M, Mojtahedzadeh A, Sarhadi S, Amir-Aslani F. Types of biodegradable polymers and the necessity of their application. In: 5th National Conference and Specialized Exhibition on Environmental Engineering; 2011. Iran University of Science and Technology: SELCO. [In Persian]
[2] Mokhtarani N. Determination of effective factors on the production of polyhydroxyalkanoates by activated sludge. PhD thesis. Tehran: Tarbiat Modares University; 2005.
[3] Pelissero A. Update on biodegradable plastics materials Imballaggio. 1987;38:38–54..
[4] Pfeffer JT. Solid waste management engineering. Englewood Cliffs (NJ): Prentice Hall; 1992.
[5] Kulkarni SO, Kanekar PP, Nilegaonkar SS, Sarnaik SS, Job JP. Production and characterization of a biodegradable poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHB-co-PHV) copolymer by moderately haloalkalitolerant Halomonas campisalis MCM B-1027 isolated from Lonar Lake, India. Bioresour Technol. 2010;101:9765–9771. doi: 10.1016/j.biortech.2010.07.089
[6] Yu J, Si Y. Metabolic carbon fluxes and biosynthesis of polyhydroxyalkanoates in Ralstonia eutropha on short chain fatty acids. Biotechnol Prog. 2004;20:1015–1024. doi: 10.1002/bit.20034
 [7] Sudesh K, Abe H, Doi Y. Synthesis, structure and properties of polyhydroxyalkanoates: biological polyesters. Prog Polym Sci. 2000;25:1503–1555. doi: 10.1016/S0079-6703(00)00027-9
[8] Amache R, Sukan A, Safari M, Roy I, Keshavarz T. Advances in PHAs production. Chem Eng Trans. 2013;32:931–936. doi: 10.3303/CET1332156
[9] Ahmadi M, Mansourian V. Investigation of processed recycled date-based culture medium for polyhydroxyalkanoate production using Alcaligenes eutrophus. In: 2nd National Conference on Sustainable Agriculture and Natural Resources; 2014. Mehr Arvand Higher Education Institute: Environmental Supporters Association, Iran. [In Persian].
[10] Poladyan A, Blbulyan B, Sahakyan M, Lenz O, Trchounian A. Growth of the facultative chemolithoautotroph Ralstonia eutropha on organic waste materials: growth characteristics, redox regulation and hydrogenase activity. Microb Cell Fact. 2019;18:1–13. doi: 10.1186/s12934-019-1111-6
[11] Ataei A. Determination of optimum conditions for polyhydroxyalkanoates production using inexpensive substrates. PhD thesis. Tehran: Tarbiat Modares University; 2008. [In Persian].
[12] Sanführ A, Beccari A, Ward OP. Bioreactor operating strategies for improved polyhydroxyalkanoate (PHA) productivity. Polymers. 2018;10(10):1197. DOI: 10.3390/polym10101197
[13] Chen GQ, Wu Q. Engineering of Ralstonia eutropha for the production of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) with controlled 3HV fractions. Metab Eng. 2015;18:45–53. DOI: 10.1016/j.meteng.2015.02.003
[14] Rafiei M, Hosseini S. Comparison of hydroxybutyrate production in batch and fed-batch processes. In: Proceedings of the National Conference on Chemical Engineering and Biotechnology; 2017. Tehran: Iranian Society of Chemical Engineering. [In Persian]
[15] Rodriguez-Perez S, Martinez-Blanco J, Alonso-Farinas B. From waste to self-healing concrete: proving the concept of a new application for polyhydroxyalkanoate. J Cleaner Prod. 2023;380:134987. DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.134987
 
 
 
 
 
 
 
 
دوره 1، شماره 1
اردیبهشت 1405
صفحه 26-16

  • تاریخ دریافت 25 اردیبهشت 1405
  • تاریخ بازنگری 23 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 25 تیر 1405
  • تاریخ اولین انتشار 25 تیر 1405