Μελέτη της επίδρασης θρεπτικών συστατικών και συνθηκών καλλιέργειας στη ζύμωση πεντοζών από το γενετικά τροποποιημένο στέλεχος FF11 του μύκητα Fusarium oxysporum

Abstract

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη της μεταβολικής ενεργότητας του μύκητα Fusarium oxysporum ως προς την παραγωγή και απόδοση του σε αιθανόλη παρουσία διαφορετικής συγκέντρωσης υποστρώματος και θρεπτικών ουσιών καθώς και η μελέτη της επίδρασης διαφορετικής παροχής αέρα στον μεταβολισμό του μύκητα. Η μελέτη της ανάπτυξης και ζύμωσης του μύκητα πραγματοποιήθηκε σε υπόστρωμα ξυλόζης με συγκεντρώσεις 1, 2, 3 και 4% w/v και σε υπόστρωμα προεπεξεργασμένου άχυρου 2% w/v. Από τα πειράματα της ξυλόζης προέκυψε το πρωταρχικό συμπέρασμα της βέλτιστης παραγωγής αιθανόλης για συγκέντρωση 2% w/v καθώς μεγαλύτερες συγκεντρώσεις υποστρώματος παρεμπόδισαν την ζύμωση του υποστρώματος. Με βάση το αποτέλεσμα αυτό χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια η συγκέντρωση αυτή και στα επόμενα πειράματα. Επίσης φάνηκε ότι η χρήση άχυρου ως υπόστρωμα ίδιας συγκέντρωσης οδηγεί σε μειωμένη παραγωγή αιθανόλης γεγονός που επιβεβαιώνει την επιλογή της ξυλόζης για τη πραγματοποίηση των επόμενων πειραμάτων. Για τη μελέτη της επίδρασης των θρεπτικών πραγματοποιήθηκαν αρχικά 3 σειρές όπου προστέθηκαν οι παρακάτω ενώσεις και συγκεντρώσεις: 5, 10 και 20 g/L (ΝΗ4)2ΗPO4 , 1,3,5 g/L εκχυλίσματος ζύμης, 1,3,5 g/L malt extract και 3,5,7 g/L πεπτόνης. Παρατηρήθηκε ότι η προσθήκη 5g/L εκχυλίσματος ζύμης και πεπτόνης οδηγούν σε βέλτιστη παραγωγή αιθανόλης. Επιπλέον μελετήθηκε η επίδραση της προσθήκης μεταλλικών ιόντων. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν 2 σειρές πειραμάτων όπου εξετάστηκε η επίδραση προσθήκης μαγνησίου σε συγκεντρώσεις 0 mM, 1,1mM, 2 mM, 3 mM και 4 mM και η επίδραση των παρακάτω ιχνοστοιχείων στις αντίστοιχες συγκεντρώσεις: : 2,5, 5, 10 mg/L FeSO4, 0.7, 1.4, 2.8 mg/L ZnSO4, 0.8, 1.6, 3.2 mg/L MnSO4 και 1, 2, 4 mg/L CoCl2. Παρατηρήθηκε ότι η προσθήκη των ιχνοστοιχείων αυξάνει κατά πολύ τη τελική παραγωγή αιθανόλης καθώς βρέθηκε ότι και οι τρεις διαφορετικές συγκεντρώσεις που χρησιμοποιήθηκαν με τα παραπάνω ιχνοστοιχεία βελτιώνουν την παραγωγή αιθανόλης περίπου κατά 40%. Αντιθέτως η προσθήκη ιόντων μαγνησίου οδήγησε σε χαμηλότερες αποδόσεις και εκτιμήθηκε ως βέλτιστη η προσθήκη συγκέντρωσης 1.1 mM. Τέλος εξετάστηκε η επίδραση της παροχής αέρα σε συνθήκες 0, 0.07, 0.15 και 0.3 λίτρα αέρα ανά λίτρα όγκου αντιδραστήρα ανά λεπτά. Από αυτή τη σειρά πειραμάτων παρατηρήθηκε ότι η ύπαρξη μικροαερόβιων συνθηκών (0.07 L/L/min) ευνοεί την ανάπτυξη του μύκητα και παράλληλα βελτιώνει την παραγωγή αιθανόλης ενώ η αύξηση της παροχής αέρα οδηγεί σε μειωμένες αποδόσεις.

This thesis provides a study of the metabolic activity of the fungus Fusarium oxysporum to best explore its ethanol production and efficiency under the impact of substrate concentration, the addition of various nutritional supplements and oxygen supply. The study of growth and fermentation of the fungus was conducted with xylose substrate under various concentrations to find the optimal concentration to apply in all of the following experiments and preworked substrate wheat of 2% w/v concentration. It was also derived that the use of wheat as a substrate does not facilitate ethanol production; hence all following experiments were delivered with xylose substrate. In order to study the impact of the nutritional supplements the following and concentrations were added: 5,10 and 20 g/L (ΝΗ4)2ΗPO4, 1,3,5 g/L yeast extract, 1,3,5 g/L malt extract and 3,5,7 g/L peptone respectively to conclude that the addition of 5g/L yeast extract and peptone optimise ethanol production. Under the same logic, the impact of metal ions was studied replicating 2 series of experiments testing different Mg ions' concentrations: 0 mM, 1,1mM, 2 mM, 3 mM και 4 mM and different trace metals concentrations: : 2,5, 5, 10 mg/L FeSO4, 0.7, 1.4, 2.8 mg/L ZnSO4, 0.8, 1.6, 3.2 mg/L MnSO4 και 1, 2, 4 mg/L CoCl2. Mineral traces were found to improve ethanol production (40% increase). Nevertheless, Mg ions had a negative impact on ethanol production. Lastly, oxygen supply was tested under the following conditions: 0, 0.07, 0.15, 0.3 oxygen liters per liter of reactor per minute. It was derived that microaerobic conditions (0.07 L/L/min) in fact do boost fungus' growth and enhance ethanol's production, whereas increase in oxygen supply leads to reduced efficiency.