Characterization of Succinate Producing Bacteria

Abstract (Swedish)

Målet med detta projekt var att studera två sorters bakterier, Actinobacillus succinogenes och Basfia succiniciproducens, och deras produktion av bärnstenssyra.
Bärnstenssyra är en dikarboxylsyra som även är en metabolit i citronsyracykeln. Den kan användas som surhetsreglerare i mat, för att producera andra bulk-kemikalier och för att producera bio-plaster. De två bakteriearter som undersöktes i detta arbete behöver koldioxid för att kunna producera bärnstenssyra. Det har rapporterats om 100 % minskning i utsläpp av växthusgaser för den biologiska produktionen jämfört med bärnstenssyra producerad från fossila källor. Eftersom uppreningsprocessen är kostsam är det viktigt att nå höga koncentrationer av bärnstenssyra. Vanliga metoder för upprening är utfällning, extraktion, elektrodialys och kristallisation.
Odlingar har genomförts i skakflaskor, men även som satsvis och kontinuerliga odlingar i fermentorer för att utvärdera effekten av kolkälla, jästextrakt och kvävekälla på utbyte och produktivitet. Vad gäller kolkällan så har fokus varit på xylos, ett socker med fem kol. Xylos finns i avloppsströmmar från vissa pappersmassabruk vilket gör att det är ett billigare råmaterial jämfört med glukos, som i nuläget används i den industriella produktionen. Xylos har även fördelen att vara en kolkälla som inte används till mat.
Ett delmål med experimenten var att genomföra en chemostat odling utan bildning av biofilm, vilket ger möjlighet för en ordentlig karakterisering. Chemostatodlingen genomfördes med 10 g/l xylos och 3.5 g/l jästextrakt och ingen biofilm bildades. Utbytet av bärnstenssyra var 0.56 g/g och produktiviteten var 0.50 0.50 g/l∙h. Anledningen till att odlingen blev framgångsrik var troligen att förhållande mellan kolkällan och jästextraktet var passande.
Odlingar med xylos som kolkälla visar på lovande resultat. Dock måste produktiviteten ökas och även något högre utbyten är möjligt att nå. Ett sätt att förbättra dessa kan vara genom att deletera reaktionsvägar för biprodukter.

Abstract

The aim of this project was to study two bacterial species, Actinobacillus succinogenes and Basfia succiniciproducens for production of succinic acid.
Succinic acid is a dicarboxylic acid and a metabolite in the citric acid cycle. It can be used as a food additive, to produce bulk chemicals and to make bio-based plastic (PBS). The two bacteria examined in this work need carbon dioxide to produce succinic acid and 100 % saving in greenhouse gas emissions have been reported for bio-based industrial production compared to fossil-based production. Since downstream processing is expensive, it is important to achieve high titers of succinic acid. Common purification methods are precipitation, extraction, electrodialysis and crystallization.
Shake flask, batch and chemostat cultivations have been made in order to evaluate the impact of 1) carbon source, 2) yeast extract concentration and 3) nitrogen source on yield and productivity. Regarding the carbon source, the focus has been on the five carbon sugar xylose. Xylose is available in waste streams from pulp mills, which could make it a cheaper feedstock compared to glucose, which is used in the industrial production today. Also, it is essentially a non-food carbon source.
The goal was to maintain a chemostat without biofilm formation, which allows a proper characterization, and this was successfully performed. The conditions were 10 g/l xylose and 3.5 g/l yeast extract. The cultivation gave a succinic acid yield of 0.56 g/g and a productivity of 0.50 g/l∙h. The reason behind the successful cultivations was probably that the ratio between the carbon source and yeast extract concentration was suitable.
Cultivations on xylose show promising results. However, the productivity needs to be improved and somewhat higher product yields are possible. Metabolic engineering like deletion of byproduct forming pathways could be one alternative for improving these.

Popular Abstract (Swedish)

Biologisk produktion av bärnstenssyra från sockret xylos
Bärnstenssyra är en kemisk förening med många användningsområden. Bland annat kan den användas för tillverkning av bioplaster. Jag har i mitt exjobb undersökt hur bärnstenssyra kan produceras med bakterier som finns naturligt i komagar.
Bärnstenssyra är en svag syra som har flera användningsområden, bland annat som surhetsreglerare i mat och i tillverkningen av bioplaster. Bärnstenssyra har även pekats ut som en viktig baskemikalie i flera undersökningar.
Bärnstenssyra tillverkas idag både från olja och på biologisk väg. Den ingår nämligen i vår ämnesomsättning och produceras naturligt i de flesta celler. Då det är viktigt att hitta alternativ till att använda fossila råvaror är biologisk produktion av bärnstenssyra från förnybara råvaror av stort intresse. I dagsläget produceras ungefär lika mycket bärnstenssyra på biologisk väg som från olja. Det finns för närvarande fyra företag som producerar bärnstenssyra på biologisk väg; två i Europa och två i USA. Alla företagen använder glukos, den vanligaste enkla sockerarten, som råmaterial. I den biologiska processen har det rapporterats om så gott som total avsaknad av nettoutsläpp av växthusgaser (såsom koldioxid) jämfört med tillverkningen av bärnstenssyra från fossila råvaror. Intressant är att koldioxid faktiskt kan förbrukas vid tillverkningen av bärnstenssyra. De bakterier som har studerats i det här projektet konsumerar koldioxid för att kunna producera syran.
Ett annat alternativ till glukos är att använda sig av sockret xylos. Xylos är ett socker med fem kolatomer som till stor del finns i avfallsströmmar från vissa pappersmassabruk. Detta gör att det dels blir billigare som råmaterial, men ett ytterligare plus är att det fås ur råvara som inte används som mat.
Detta projekt har studerat om det är möjligt att producera bärnstenssyra lika bra från xylos som från glukos. Två av de bästa kända bakterierna på att producera bärnstenssyra har studerats. Båda dessa bakterier kommer från komagar, som är en koldioxidrik miljö. Bakterierna har odlats både satsvis och kontinuerligt. I en satsvis odling tillsätts allt socker från början och sen väntar man tills sockret förbrukats. I en kontinuerlig odling däremot tillsätts sockret och näringsämnen kontinuerligt genom att en vätskeström pumpas in i reaktorn. Bakterierna växer och producerar syra på en jämn koncentration hela tiden. Både bakterierna och syrorna förs ut ur reaktorn i ett utflöde i samma takt som sockret pumpas in. Processens utbyte och effektivitet har utvärderats genom att odla dessa bakterier under olika betingelser och med xylos som kolkälla.
Efter dessa försök har jag kommit fram till att xylos är en nästan lika bra kolkälla som glukos. En intressant observation var att bakterierna klibbade fast på ytorna i reaktorn, så kallad immobilisering. Denna immobilisering verkade inträffa då bakterierna får brist på näring.
Även om processen behöver förbättras, är xylos ett lovande substrat för framtida bärnstenssyraproduktion. Som nämnts tidigare så finns xylos i flera avfallsströmmar som inte utnyttjas till fullo idag. Användning av dessa bidrar till mindre avfall samtidigt som processen minskar miljöpåverkan av växthusgaser.

• author: Nyström, Sofia
• supervisor: Henrik Almqvist
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KET920 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: xylose, succinic acid, chemical engineering, kemiteknik, biological production
• language: English
• id: 5471655
• date added to LUP: 2015-06-12 11:18:56
• date last changed: 2016-06-01 04:08:47