Transfer produkce polyhydroxyalkanoátů do laboratorních bioreaktorů

Abstract

Polyhydroxyalkanoáty (PHA) nabízejí šetrnou náhradu petrochemických plastů. Jsou to biodegradabilní a biokompatibilní polyestery nacházející uplatnění například v medicíně jako nosiče léčiv či scaffoldy, ale i jako obalové materiály. Mikroorganismy je využívají jako zásobu energie a uhlíku. Snahou je vytvořit a optimalizovat produkci PHA ve větším měřítku, protože jejich největší nevýhodou je vysoká výrobní cena. Ke snížení nákladů by mohlo pomoci použití extremofilních mikroorganismů, které jsou schopné produkce PHA i v extrémních podmínkách. Tyto extrémní podmínky, jako je vysoké či nízké pH, teplota, osmotický tlak nebo radiace, by mohly sloužit jako ochrana proti možné kontaminaci. V této práci byla použita bakterie Aneurinibacillus sp. AFN2. Jedná se o zástupce grampozitivních termofilních bakterií s teplotním optimem 50 °C. Hlavní cíl byl transfer produkce PHA do laboratorních bioreaktorů a zjistit optimální podmínky pro vysoké výtěžky kopolymerů obsahující 3­hydroxybutyrát (3HB), 4­hydroxybutyrát (4HB) a 3­hydroxyvalerát (3HV). Prvotní testy probíhaly v osobních bioreaktorech Biosan RTS-­1, ve kterých byla zjišťována ideální doba inokulace, robustnost bakterie a kombinace inokula a média. Následovalo měření robustnosti bakterie v různých podmínkách sterility. Biomasa a PHA byly stanovovány pomocí plynové chromatografie s plamenovým ionizačním detektorem (GC­FID). Na závěr byly provedeny dvě kultivace v laboratorních bioreaktorech. Byly použity dva rozdílné bioreaktory: RALF (Bioengineering) a Biostat B plus (Sartorius). Kultivace probíhaly v módech batch a fed-batch. Finální obsah biomasy během batch kultivace byl v obou bioreaktorech pod hranicí 2,50 g/l, proto bylo u druhé kultivace zvolen mód fed-batch. To přineslo vyšší výtěžky biomasy a PHA, kdy bylo naměřeno 3,85 g/l biomasy pro bioreaktor RALF a 4,84 g/l pro bioreaktor Sartorius.Polyhydroxyalkanoates (PHA) offer a suitable replacement for petrochemical plastics. They are biodegradable and biocompatible polyesters that find application, for instance, in medicine as drug carriers or scaffolds, but also as packaging materials. Microorganisms use them as a source of energy and carbon. The aim is to create and optimize the production of PHA on a larger scale, because their biggest disadvantage is their high production cost. The use of extremophilic microorganisms that can produce PHA even in extreme conditions could help reduce costs. These extreme conditions such as high or low pH, temperature, osmotic pressure or radiation could serve as protection against possible contamination. The bacterium Aneurinibacillus sp. AFN2 was used in this work. It is a representative of gram-positive thermophilic bacteria with a temperature optimum of 50 °C. The main goal was to transfer PHA production to laboratory bioreactors and to determine the optimal conditions for high yields of copolymers containing 3­hydroxybutyrate (3HB), 4­hydroxybutyrate (4HB) and 3­hydroxyvalerate (3HV). Initial tests were carried out in oBiosan RTS-1 personal bioreactors, in which the ideal inoculation time, robustness of the bacteria and the combination of inoculum and medium were determined. This was followed by measuring the robustness of the bacteria under various sterility conditions. Biomass and PHA were determined using gas chromatography with flame ionization detector (GC­FID). Finally, two cultivations were carried out in laboratory bioreactors. Two different bioreactors were used: RALF (Bioengineering) and Biostat B plus (Sartorius). Cultivations were carried out in batch and fed­batch modes. The final biomass content during batch cultivation was below 2.50 g/l in both bioreactors, therefore the fed-batch mode was chosen for the second cultivation. This yielded higher biomass and PHA yields, with 3.85 g/L measured biomass for the RALF bioreactor and 4.84 g/L for the Sartorius bioreactor.