Μελέτη της ενζυμικής παραγωγής θρεπτικού μέσου καλλιέργειας για τη βιοσύνθεση εξωκυτταρικού βιοπολυμερούς

Η ραγδαία επέκταση της κλωστοϋφαντουργικής βιομηχανίας έχει οδηγήσει στην παραγωγή ολοένα και αυξανομένων ποσοτήτων αποβλήτων βαμβακιού τα οποία προέρχονται μετά την μεταποίηση και τα περισσότερα εκ των οποίων εξακολουθούν να απορρίπτονται σε χώρους υγειονομικής ταφής ή να αποτεφρώνονται, δημιουργώντας σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα. Ταυτόχρονα η ευρύτερη χρήση βακτηριακής κυτταρίνης παραμένει περιορισμένη λόγω του σχετικά υψηλού κόστους παραγωγής της, το οποίο συνδέεται σε μεγάλο βαθμό με το αυξημένο κόστος των εξευγενισμένων πηγών άνθρακα σε συμβατικά θρεπτικά υποστρώματα ζύμωσης. Σε αυτό το πλαίσιο, η ανάπτυξη βιώσιμων βιοδιεργασιών που μετατρέπουν τα κλωστοϋφαντουργικά απόβλητα σε βιοπολυμερή υψηλής αξίας, αναδεικνύεται ως μία πολλά υποσχόμενη στρατηγική για την αντιμετώπιση τόσο των προκλήσεων διαχείρισης αποβλήτων όσο και των οικονομικών περιορισμών της παραγωγής βακτηριακής κυτταρίνης. Σε αυτή την μελέτη, αναπτύχθηκε μία ολοκληρωμένη ενζυμική και μικροβιακή βιοδιεργασία για την βιομετατροπή των αποβλήτων υφασμάτων βαμβακιού (Waste Cotton Textiles-WCT), σε βακτηριακή κυτταρίνη (Bacterial Cellulose-BC). Βασικές παράμετροι που επηρεάζουν την ενζυμική υδρόλυση των WCT αλλά και την ζύμωση για παραγωγή BC, διερευνήθηκαν συστηματικά. Η μέγιστη απόδοση σε γλυκόζη (94.4%) επιτεύχθηκε μέσω χρήσης 0.75 FPU/mL συγκέντρωσης κυτταρινάσης, χρησιμοποιώντας μείγμα 1:1 Cellic® Ctec3 και Viscoferm και 25 g/L WCT. Οι στατικές ζυμώσεις σε φιάλη με τον μικροοργανισμό Komagataeibacter intermedius B1034 πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας συμβατικές πηγές άνθρακα (γλυκόζη, φρουκτόζη, γλυκερόλη, μείγματα γλυκόζης-γλυκερόλης), γλυκερόλη ακατέργαστη προερχομένη από την βιομηχανία βιοντίζελ και υδρολύματα που προέρχονται από το WCT, οδηγώντας σε συγκρίσιμες συγκεντρώσεις BC (2.3–3.4 g/L; p>0.05). Αυτή η παρατήρηση υπογραμμίζει την μεταβολική προσαρμοστικότητα του στελέχους και την ικανότητά του να χρησιμοποιεί πηγές άνθρακα διαφορετικής προέλευσης με συγκρίσιμη απόδοση. Στη συνέχεια, η κλιμάκωση της διαδικασίας αξιολογήθηκε σε έναν ειδικά σχεδιασμένο βιοαντιδραστήρα περιστρεφόμενου δίσκου (RDB), όπου οι δίσκοι πολυτετραφθοροαιθυλενίου αύξησαν την παραγωγή BC κατά 57,1% σε σύγκριση με τους δίσκους από ανοξείδωτο χάλυβα. Η ακατέργαστη γλυκερόλη οδήγησε στην υψηλότερη παραγωγή BC (4,06 g BC/δίσκο), ακολουθούμενη από καλλιέργειες που υποστηρίζονται από υδρολύματα WCT. Οι αναλύσεις ATR-FTIR και PXRD επιβεβαίωσαν τη χαρακτηριστική χημική δομή και την κρυσταλλική μορφή κυτταρίνης Iα της BC, με δείκτες κρυσταλλικότητας που κυμαίνονταν από 65% έως 89%. Η ανάλυση TEM των δειγμάτων BC έδειξε μέσες διαμέτρους ινών μεταξύ 8,7-18,2 nm. Στις δοκιμές RDB, η θερμική ανάλυση έδειξε ότι η BC που προέρχεται από γλυκόζη παρουσίασε την υψηλότερη θερμική σταθερότητα (Tmax έως 307 °C), ενώ η BC που παράχθηκε από ακατέργαστη γλυκερόλη και υδρολύματα WCT εμφάνισε ελαφρώς χαμηλότερες τιμές Tmax. Δεδομένης της υψηλής καθαρότητας, της νανοϊνιδιακής δομής, της μηχανικής ανθεκτικότητας και της βιοσυμβατότητάς του, η BC αντιπροσωπεύει ένα εξαιρετικά ελκυστικό βιοϋλικό για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των επιδέσμων τραυμάτων, της μηχανικής ιστών, της τεχνολογίας τροφίμων, της συσκευασίας και των προηγμένων λειτουργικών σύνθετων υλικών. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα παρόμοια δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά που παρατηρούνται στην BC που παράγεται από διαφορετικές πηγές άνθρακα υποδηλώνουν ότι ποικίλα υποστρώματα, συμπεριλαμβανομένων των πρώτων υλών που προέρχονται από απόβλητα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διατηρώντας παράλληλα σταθερή ποιότητα υλικού, υποστηρίζοντας έτσι πιο ευέλικτες και βιώσιμες στρατηγικές παραγωγής BC. Συνολικά, αυτή η μελέτη δείχνει ότι τα WCT μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία ως ανανεώσιμη πηγή άνθρακα για την παραγωγή BC μέσω μιας ολοκληρωμένης ενζυματικής-μικροβιακής διαδικασίας. Οι παρόμοιες αποδόσεις και οι ιδιότητες των υλικών που λαμβάνονται τόσο από συμβατικά όσο και από υποστρώματα που προέρχονται από απόβλητα υποδεικνύουν ότι το βιοσυνθετικό σύστημα λειτουργεί αξιόπιστα σε διαφορετικές πρώτες ύλες, επιτρέποντας την αντικατάσταση των ραφιναρισμένων σακχάρων χωρίς να διακυβεύεται η ποιότητα του προϊόντος. Επιπλέον, τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στον RDB επέτρεψαν την αξιολόγηση της βιοσύνθεσης βακτηριακής κυτταρίνης υπό συνθήκες καλλιέργειας που προσεγγίζουν τη λειτουργία μεγαλύτερης κλίμακας. Συνολικά, αυτά τα ευρήματα υποστηρίζουν τη χρήση των κλωστοϋφαντουργικών αποβλήτων ως βιώσιμης πηγής για την παραγωγή BC και υπογραμμίζουν τη δυνατότητα τέτοιων στρατηγικών να συμβάλουν σε πιο βιώσιμες και κυκλικές βιοτεχνολογικές διεργασίες.

Authors dc:creator

• ΛΑΔΕΡΟΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ-ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ
• LADEROS DIMITRIOS-PANAGIOTIS

• Θετικές Επιστήμες
• Science

Language dc:language

English

Identifier

uoadl:5358220

OAI identifier oai:identifier

oai:lib.uoa.gr:uoadl:5358220