Elektrochemická generace peroxidu vodíku pro biotechnologické aplikace
Loading...
Date
Authors
Runštuková, Nikola
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická
Abstract
Tato diplomová práce se zabývá propojením dvou odlišných oborů, elektrochemie a biotechnologie, kdy je elektrochemicky generovaný peroxid vodíku následně využit při bakteriálních kultivacích. Peroxid byl syntetizován v elektrolytickém článku redukcí kyslíku na katodě, na kterou byl aplikován vhodný elektrický potenciál. Cílem práce bylo prozkoumat závislost produkovaného množství peroxidu vodíku na několika vybraných parametrech, jako je katodový potenciál, elektrodový materiál, geometrie měřící cely či rychlost míchání, a následně tyto poznatky aplikovat při kontinuálním stresování bakterie Cupriavidus necator H16, za účelem zvýšené produkce polyhydroxyalkanoátů. Vybrané parametry byly nejprve otestovány v malých měřících celách a následně byly provedeny experimenty ve větším měřítku, tedy Erlenmeyerových baňkách. Během experimentů byla zkoumána velikost produkovaného elektrického proudu a měřena koncentrace peroxidu spektrofotometricky a koncentrace kyslíku pomocí optického senzoru. Na základě dosažených výsledků byly následně kultivovány bakterie v baňkách se zabudovaným systémem ocelových elektrod, díky nimž docházelo ke kontinuálnímu působení oxidačního stresu v podobě in situ generovaného peroxidu vodíku. Bakteriální kultury byly hodnoceny na základě změny optické hustoty, gravimetrické analýzy a analýzy pomocí GC-FID. Bylo zjištěno, že i malé množství peroxidu vodíku (~25 M) dokáže vyvolat stresovou odpověď organismu v podobě zvýšené syntézy polyhydroxybutyrátu (PHB). Bylo dosaženo procentuálního zvýšení obsahu PHB v biomase, nicméně celkový výtěžek polymeru byl nižší z důvodu nižšího nárůstu biomasy.
This master‘s thesis deals with the connection of two distinct fields, electrochemistry and biotechnology, where electrochemically generated peroxide was subsequently used in bacterial cultivation. The peroxide was synthesized in an electrolytic cell by reducing oxygen at the cathode to which suitable electrical potential was applied. The aim of this thesis was to investigate the dependence of the amount of hydrogen peroxide produced on a few selected parameters, such as cathode potential, electrode material, the geometry of the measuring cell, or the stirring speed, and then to apply these findings in the continuous stressing of the bacterium Cupriavidus necator H16, in order to increase the production of polyhydroxyalkanoates. The selected parameters were first tested in small-scale measuring cells and then experiments were carried out on a larger scale, in Erlenmeyer flasks. During the experiments, the amount of electric current produced was measured and also the peroxide concentration was examined spectrophotometrically along with the oxygen concentration measured by using an optical sensor. Based on the obtained results, bacteria were cultivated in flasks with a built-in system of steel electrodes, due to which oxidative stress in the form of in situ generated hydrogen peroxide was continuously applied. The bacterial cultures were evaluated by measuring the change in optical density, gravimetric analysis and GC-FID analysis. It was found that even small amounts of hydrogen peroxide (~25 M) can induce a stress response in the organism in the form of increased polyhydroxybutyrate (PHB) synthesis. A percentage increase in the PHB content of the biomass was achieved, however, the overall polymer yield was lower due to lower biomass growth.
This master‘s thesis deals with the connection of two distinct fields, electrochemistry and biotechnology, where electrochemically generated peroxide was subsequently used in bacterial cultivation. The peroxide was synthesized in an electrolytic cell by reducing oxygen at the cathode to which suitable electrical potential was applied. The aim of this thesis was to investigate the dependence of the amount of hydrogen peroxide produced on a few selected parameters, such as cathode potential, electrode material, the geometry of the measuring cell, or the stirring speed, and then to apply these findings in the continuous stressing of the bacterium Cupriavidus necator H16, in order to increase the production of polyhydroxyalkanoates. The selected parameters were first tested in small-scale measuring cells and then experiments were carried out on a larger scale, in Erlenmeyer flasks. During the experiments, the amount of electric current produced was measured and also the peroxide concentration was examined spectrophotometrically along with the oxygen concentration measured by using an optical sensor. Based on the obtained results, bacteria were cultivated in flasks with a built-in system of steel electrodes, due to which oxidative stress in the form of in situ generated hydrogen peroxide was continuously applied. The bacterial cultures were evaluated by measuring the change in optical density, gravimetric analysis and GC-FID analysis. It was found that even small amounts of hydrogen peroxide (~25 M) can induce a stress response in the organism in the form of increased polyhydroxybutyrate (PHB) synthesis. A percentage increase in the PHB content of the biomass was achieved, however, the overall polymer yield was lower due to lower biomass growth.
Description
Citation
RUNŠTUKOVÁ, N. Elektrochemická generace peroxidu vodíku pro biotechnologické aplikace [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická. 2023.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
bez specializace
Comittee
prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Renata Mikulíková, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Stanislav Kráčmar, DrSc. (člen)
Date of acceptance
2023-05-30
Defence
1. Studentka seznámila členy komise s náplní a cílem diplomové práce.
2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci.
3. Studentka akceptovala všechny připomínky oponenta a na všechny otázky odpověděla v plné šíři.
Diskuse:
prof. RNDr. Ivana Márová, CSc.
Jaká byla nejvyšší generovaná koncentrace peroxidu? Jaký měl peroxid vliv na růst mikroorganismů?
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D.
Ve vzorku 1 uvádíte nízký nárůst bakterií, nevíte, co se u tohoto vzorku stalo?
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D.
Jak byste si představovala využití elektrochemické generaci peroxidu vodíku ve větším měřítku? Například v bioreaktoru?
Zaznamenali jste problémy s elektrodami v roztoku média? Docházelo k zanášením elektrod či tvorbě biofilmů?
prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D.
Docházelo už k ovlivnění růstů bakterií při vystavení samotných elektrod? Napětí bylo pro celou dobu kultivace nebo docházelo k pulzům?
Studentka odpověděla na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomantka prokázala nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení