PL Biologiczna produkcja kwasu kapronowego w procesach opartych o mikrobiomy

angielski

EN In a bioeconomy concept, the use of fossil resources for chemicals and energy production is replaced by renewable bioresources. The strategy enables to move from a linear ‘take-make-use-dispose’ model to a circular economy model which prioritises prevention, reuse, and recycling in the waste management cycle. Thus, in such an approach, waste becomes a resource and can be valorised sustainably for valuable biochemicals. A large fraction of waste is of organic origin. Organic waste can be converted through thermochemical and/or biological processing. The biological conversion relies on microbial processes, one of which is an open culture fermentation where complex organic feedstock undergoes a cascade of biochemical pathways driven by microorganisms (so-called reactor microbiome) for the final product formation. The main advantage of open culture fermentation is the possibility to carry out the process in unsterile conditions. Moreover, by proper control of operational conditions (temperature, pH, hydraulic retention time, etc.) it is possible to steer the bioprocess in a way to prevent a disperse of carbon flux into competing metabolic pathways and to achieve high production rates of preferred metabolite. One of the promising process directions is the so-called chain elongation process which enables an effective recovery of value-added biochemicals from a range of different organic waste streams. The key product is caproic acid, an attractive commercial chemical for industrial and agricultural applications. This dissertation aimed to develop a biological caproic acid production process in a microbiome-based system from an organic waste feedstock, i.e. acid whey. The specific objectives of the work were focused on (i) investigation of operational parameters that influence the process performance, (ii) impact of the feed composition and particular substrates compounds on the caproic acid production process, (iii) identification of possible metabolic pathways, (iv) characterisation of microbial community structure, dynamics and activity, and (v) identification of key microbial groups responsible for caproic acid production. To achieve the goals, an experimental stand was designed and two long-term continuous bioprocesses of open culture fermentation of acid whey, as well as batch experiments using a synthetic medium, were conducted. For the process analysis, advanced analytical methods and state-of-the-art molecular biology tools were applied. The results of the research were published in three independent articles, further referred to as Paper I, Paper II and Paper III, which are the basis of this dissertation. Considering the process operating parameters the results showed that in continuous bioreactor processes the pH level of 5.5 was low enough to effectively inhibit methanogenesis – the main competitive metabolic pathway in anaerobic open culture fermentation. Furthermore, it was shown that gradually shortening HRT from 20 days to 2.5 days contributed to washing out most methanogens from the reactor, and improved the caproic acid production rate. The designed system enabled to produce the caproic acid where the highest average production rate was 134.3 ± 30.9 mmol C/L/day (0.11 g/L/h) with a median of 146.1 mmol C/L/day, and specificity between 58% and 83% (with a median of 79%). However, high caproic acid concentration in the bioreactor (up to 8.5 g/L) was a self-limiting factor due to product toxicity and caused the process inhibition, despite the availability of the substrates. Caproic acid production based on the chain elongation relies on two crucial electron donors needed in the process, i.e. ethanol or lactate. In this study, the caproic acid formation depended mostly on lactate-based chain elongation, despite ethanol being produced in the reactor or its external delivery to the system with feed. However, some ethanol production in the reactor seemed important for the chain elongation process as it coincided with caproic acid production, and a decrease in ethanol concentration in the reactor coincided with the disturbance in caproic acid production. Dosing acid whey with an increasing ethanol loading rate led to ethanol oxidation with acetate and butyrate generation and hydrogenotrophic methane formation. Change of the feedstock composition (higher lactate and lactose content and cut off of external ethanol delivery) resulted in a sharp drop in the short-chain carboxylic acids formation and prompted a medium-chain carboxylic acids production with caproic acid as the main product. The batch trials demonstrated that the presence of additional substrate i.e. lactose may divert the carbon flux and impact the selectivity of the final product by providing additional intermediates for the biochemical reactions. The analysis of the reactor microbiome showed that functional enrichment of a specific microbiome capable of forming caproic acid is possible through appropriate control of operating parameters, i.e. pH and HRT. Moreover, the results showed a strong dependence of the biodiversity and structure of the microbial population on the feed composition. In the conducted processes, the dominance of the Coriobacteriaceae, Ruminococcaceae (Ruminococcus, Oscillospira), Prevotellaceae and Veillonellaceae families, which most likely contributed to the elongation of the carbon chain, was demonstrated. The presented dissertation showed that using an open culture fermentation enables the acid whey waste valorisation to caproic acid. The achieved results can contribute to the novel resource recovery strategies by biowastes utilisation using advanced biotechnological methods. Ultimately, it can lead to a reduction of our dependency on petrochemical resources and would pave the way for an innovative industrial-integrated biorefinery system.

PL W koncepcji biogospodarki wykorzystywanie zasobów kopalnych do produkcji chemikaliów i energii jest zastępowane przez zasoby odnawialne. Zastosowanie ww. koncepcji umożliwia przejście od modelu gospodarki liniowej „weź, wyprodukuj, użyj, wyrzuć” do gospodarki o obiegu zamkniętym, w której priorytetem jest zapobieganie, ponowne użycie i recykling w cyklu gospodarowania odpadami. W takim podejściu odpady stają się więc zasobem, który może zostać poddany waloryzacji do wartościowych produktów. Dużą frakcję odpadów stanowią odpady organiczne. Odpady organiczne mogą zostać przetworzone za pomocą metod termochemicznych i/lub biologicznych. Konwersja biologiczna opiera się na procesach mikrobiologicznych takich jak fermentacja kultur otwartych, w której złożony surowiec organiczny przechodzi kaskadę szlaków biochemicznych napędzanych przez mikroorganizmy (tzw. mikrobiom reaktorowy) w celu wytworzenia produktu końcowego. Główną zaletą fermentacji kultur otwartych jest możliwość prowadzenia procesu w warunkach niesterylnych. Ponadto, poprzez odpowiednią kontrolę warunków operacyjnych (temperatura, pH, czas retencji hydraulicznej itp.) możliwe jest sterowanie bioprocesem w taki sposób, aby zapobiec rozpraszaniu strumienia węgla na konkurencyjne szlaki metaboliczne i osiągnąć wysokie tempo produkcji preferowanego metabolitu. Jednym z obiecujących kierunków prowadzenia procesu jest tak zwany proces wydłużania łańcucha, który umożliwia efektywne odzyskiwanie wartościowych substancji z szeregu różnych strumieni odpadów organicznych. Jednym z kluczowych produktów procesu jest kwas kapronowy, komercyjnie atrakcyjna substancja chemiczna do zastosowań przemysłowych i rolniczych. Celem niniejszej pracy było opracowanie procesu biologicznego wytwarzania kwasu kapronowego za pomocą mikrobiomu z odpadów organicznych, tj. serwatki kwaśnej. Cele szczegółowe pracy koncentrowały się na (i) zbadaniu wpływu parametrów operacyjnych na przebieg procesu, (ii) wpływu składu substratu i poszczególnych związków substratu na produkcję kwasu kapronowego, (iii) identyfikacji możliwych szlaków metabolicznych, (iv) scharakteryzowaniu struktury, dynamiki i aktywności kultur mikroorganizmów oraz (v) identyfikacji kluczowych grup drobnoustrojów odpowiedzialnych za produkcję kwasu kapronowego. Dla osiągnięcia celów zostało zaprojektowane stanowisko badawcze i przeprowadzono dwa długoterminowe procesy fermentacji kultur otwartych w trybie ciągłym z wykorzystaniem serwatki kwaśnej jako substratu, oraz procesy okresowe z użyciem pożywki syntetycznej. Do analizy przebiegu procesów zastosowano zaawansowane metody analityczne oraz najnowocześniejsze narzędzia biologii molekularnej. Wyniki badań zostały opublikowane w trzech niezależnych artykułach, zwanych dalej Publikacją I, Publikacją II i Publikacją III, które stanowią podstawę niniejszej rozprawy. Rozważając parametry operacyjne procesu, wyniki wykazały, że w procesach bioreaktorowych ciągłych poziom pH 5.5 był wystarczająco niski, żeby skutecznie hamować metanogenezę – główny konkurencyjny szlak metaboliczny w fermentacji kultur otwartych. Ponadto wykazano, że stopniowe skracanie HRT z 20 do 2.5 dnia przyczyniło się do wypłukania większości metanogenów z reaktora i wyraźnie poprawiło tempo wytwarzania kwasu kapronowego. Zaprojektowany system umożliwił produkcję kwasu kapronowego gdzie najwyższa średnia szybkość produkcji wyniosła 134.3 ± 30.9 mmol C/L/dobę (0.11 g/L/h), mediana 146.1 mmol C/L/dzień, a specyficzność od 58% do 83% (mediana 79%). Niemniej jednak wysokie stężenie kwasu kapronowego w bioreaktorze (do 8.5 g/L) było czynnikiem limitującym ze względu na toksyczność produktu i powodowało zahamowanie procesu pomimo dostępności substratów. Produkcja kwasu kapronowego w oparciu o wydłużanie łańcucha opiera się na dwóch kluczowych donorach elektronów potrzebnych w procesie, tj. etanolu lub mleczanie. W niniejszej pracy powstawanie kwasu kapronowego zależało głównie od wydłużenia łańcucha węglowego z mleczanu, pomimo wytwarzania etanolu w reaktorze lub jego zewnętrznego dostarczania do układu wraz z substratem. Niemniej jednak pewna produkcja etanolu w reaktorze wydawała się istotna dla procesu, ponieważ zbiegła się z produkcją kwasu kapronowego, a obniżone stężenie etanolu zbiegało się z zaburzeniem produkcji kwasu kapronowego. Dozowanie serwatki kwaśnej z rosnącą szybkością dozowania etanolu prowadziło do utleniania etanolu z wytworzeniem octanu i maślanu oraz wodorotroficznym tworzeniem się metanu. Zmiana składu substratu (większa zawartość mleczanów i laktozy oraz brak etanolu) spowodowała gwałtowny spadek tworzenia krótkołańcuchowych kwasów karboksylowych i przyspieszyła produkcję średniołańcuchowych kwasów karboksylowych z kwasem kapronowym jako głównym produktem. Procesy okresowe wykazały, że obecność laktozy, może zmienić kierunek wykorzystania źródła węgla i wpłynąć na selektywność produktu końcowego poprzez dostarczenie dodatkowych związków pośrednich dla reakcji biochemicznych. Analiza mikrobiomu reaktorowego wykazała, że funkcjonalne wzbogacenie specyficznego mikrobiomu zdolnego do tworzenia kwasu kapronowego jest możliwe poprzez odpowiednią kontrolę parametrów operacyjnych procesu, tj. pH i HRT. Co więcej, wyniki wykazały silną zależność bioróżnorodności i struktury populacji drobnoustrojów od składu substratu. W prowadzonych procesach wykazano dominację rodzin Coriobacteriaceae, Ruminococcaceae (Ruminococcus, Oscillospira), Prevotellaceae i Veillonellaceae, które najprawdopodobniej przyczyniły się do wydłużania łańcucha węglowego. Przedstawiona praca wykazała, że zastosowanie fermentacji kultur otwartych umożliwia waloryzację odpadu jakim jest serwatka kwaśna do kwasu kapronowego. Osiągnięte wyniki mogą przyczynić się do opracowania nowatorskich strategii odzyskiwania zasobów poprzez utylizację bioodpadów przy użyciu zaawansowanych metod biotechnologicznych. Ostatecznie prowadzi to do zmniejszenia naszej zależności od zasobów petrochemicznych i toruje drogę dla stworzenia innowacyjnego, zintegrowanego systemu biorafinerii.

141

nauki inżynieryjne i techniczne

inżynieria środowiska, górnictwo i energetyka

DrOIN 2219

to2023500587

Pobierz plik

publiczny

Jacek Mąkinia

Gdańsk, Polska

24.08.2022

polski

Pobierz plik

publiczny

Anna Sikora

Warszawa, Polska

21.07.2022

polski

Pobierz plik

publiczny

rozprawa doktorska

Poznań, Polska

22.11.2022

Rada Dyscypliny Inżynieria Środowiska, Górnictwo i Energetyka Politechniki Poznańskiej

doktor nauk inżynieryjno-technicznych w dyscyplinie: inżynieria środowiska, górnictwo i energetyka