מצב התסיסה והשפעות התזונה על ייצור 1,3-פרופנדיול וחומצות אורגניות באמצעות Levilactobacillus brevis PD20.100

הפיכת פסולת לחומרים שימושיים

יום-יום, תעשיות מייצרות שאריות שקשה למיחזור, כגון גליצרול גולמי ממפעלי דיזל ביולוגי וטלאים עשירים בחלבון מעיבוד דגים. מחקר זה בוחן כיצד מיקרואורגניזם שאומן במיוחד מסוגל להפוך פסולת בעלת ערך נמוך ל‑1,3‑פרופנדיול — מרכיב מפתח לפלסטיקה ידידותית לסביבה ולמוצרי טיפוח — לצד חומצות אורגניות מועילות. על ידי השוואה של דרכים שונות להפעלת התסיסות ומתכונות תזונה שונות, החוקרים מחפשים נקודת איזון שניתן לה להשיג בה קיימות, עלות ותפוקה בו‑זמנית.

מפני דלק ושאריות דגים למוצרים חדשים

העבודה מתמקדת ב‑1,3‑פרופנדיול, מולקולה קטנה שמשמשת לייצור סיבים גמישים ועמידים לביגוד ומוצרים אחרים, וכן כמרכיב באנטי‑קפאון, צבעים וקוסמטיקה. בעוד שהייצור המסורתי מבוסס על נפט, ניתן לייצרו באמצעות מיקרובים ש"אוכלים" מזונות עשירים בפחמן. כאן הצוות משתמש בגליצרול גולמי — תוצר לוואי של ייצור דיזל ביולוגי שלרוב מכיל זיהומים — יחד עם גלוקוז כמקורות פחמן עיקריים. מבחינת חנקן — המזון השני החשוב למיקרובים — נבדקות שתי אפשרויות: מדיום מעבדה עשיר וקונבנציונלי שנקרא mMRS, והידרוליזט חלבון מדגים (FPH), אבקה המיוצרת משאריות עיבוד דגים. המטרה היא לבדוק האם FPH יכול להחליף מרכיבי מעבדה יקרים ועדיין לתמוך בייצור חזק.

כיצד המיקרובים מבצעים את המשימה

החוקרים עובדים עם שיבוט מותאם אבולוציונית של חיידק החומצה הלקטית Levilactobacillus brevis PD20.100, שאומן לעמידות ברמות גבוהות של סוכרים וגליצרול גולמי. בתוך התאים, הגליצרול מתחלק לשתי סניפים מקושרים: אחד הממיר אותו ל‑1,3‑פרופנדיול, והשני שהופך אותו לחומצה לקטית וחומצה אצטית. הסניפים האלה חולקים "אלקטרונים" פנימיים, ולכן האיזון ביניהם קריטי. אם התנאים מתאימים, יותר זרימה תופנה ל‑1,3‑פרופנדיול; אחרת יותר יסתיים כחומצות. המחקר בוחן כיצד הרכב המדיום (mMRS לעומת FPH), פורמט התאים (תאים תלויים חופשיים לעומת מולכדים בכדורי אלגינט), וסגנון התסיסה (בת‑אצווה אחת, האכלה מדורגת, ומחזורי אצווה חוזרים) משנים את האיזון הזה.

השוואת דרכי ניהול התסיסה

בניסויי אצווה פשוטים עם תאים מרחפים ושני מקורות הפחמן בריכוז 60 ג"/ל, mMRS נתן את התוצאות הטובות ביותר: כ‑39–40 ג"/ל של 1,3‑פרופנדיול עם המרה גבוהה מאוד של הגליצרול הגולמי. בשימוש ב‑FPH במקום זאת, המיקרוב עדיין ייצר כמות מכובדת של 27–31 ג"/ל, אך גדל לאט יותר והותיר יותר מצע בלתי מנוצל, ככל הנראה משום ש‑FPH מכיל פפטידים מרירים או מעכבים וחסר בו ויטמינים שנמצאים ב‑mMRS. לכידת התאים בכדורי אלגינט שיפרה את היציבות ואיפשרה שימוש חוזר, אך בדרך כלל הורידה את רמות השיא בהשוואה לתאים מרחפים. כאשר הצוות ניסה אסטרטגיות האכלה מדורגת — הוספת גליצרול וגלוקוז לאורך זמן — דפוס האכלה מסוים ב‑mMRS נתן ביצועים מוצקים, אם כי עדיין מתחת לשיא שהושג באצווה הטובה ביותר. עם FPH, אותן אסטרטגיות הובילו לתשואות נמוכות יותר ולהאטות ברורות יותר לאורך הזמן.

שימוש חוזר בתאים והגדלה

תסיסות מחזוריות חוזרות, שבהן תאים או כדורים עוברים מספר מחזורים במדיה טריה, חשפו כיצד הביצועים משתנים לאורך הזמן. תאים מרחפים ב‑mMRS שמרו על ייצור גבוה של 1,3‑פרופנדיול במשך מספר מחזורים לפני שירדו בהדרגה, ככל הנראה בגלל מתח והצטברות מוצר שפגעו בבריאות התאים. ב‑FPH, הירידה התרחשה מוקדם יותר ובאופן חד יותר, מה שמעיד על השפעות מצטברות של מרכיבים מעכבים. תאים מולכדים בכדורי אלגינט הראו דפוס דומה: ביצועים טובים בתחילה ב‑mMRS אך ירידות ברורות לאחר כמה מחזורים, במיוחד ב‑FPH. לבסוף, החוקרים עברו לתסיסה במערבל מבוקר תוך שימוש ב‑FPH. עם שליטה טובה יותר על pH, ערבוב ורמות חמצן, המערכת הגיעה לכ‑29 ג"/ל של 1,3‑פרופנדיול וניצלה את הגליצרול הגולמי ביעילות גבוהה יותר מאשר בבקבוקיות נערות פשוטות.

מה המשמעות לייצור ירוק יותר

בסך הכל, המחקר מראה שהשושלת המפותחת L. brevis PD20.100 יכולה להפוך גליצרול תוצר לוואי של דיזל ביולוגי ל‑1,3‑פרופנדיול וחומצות אורגניות בעלות ערך במגוון תנאים. מדיום ה‑mMRS הקונבנציונלי עדיין מספק את התשואות הגבוהות וההתססויות המהירות ביותר, אך הידרוליזט חלבון מדגים — המיוצר מפסולת עיבוד דגים — מתברר כמקור חנקן מבטיח, זול ובר־קיימא יותר. בעיצוב תהליכים מושכל, שליטה קפדנית בביוריאקטורים וכיול נוסף של הרכב ה‑FPH, המחברים טוענים שגישה זו עשויה לסייע לתעשייה להמיר שתי זרמי פסולת בעייתיים לכימיקלים שימושיים, לקדם מטרות כלכלה ביולוגית מעגלית ולייצור חומרים ירוקים יותר.

ציטוט: Alphy, M.P., Anjitha, S.K., Sherin, S.D. et al. Fermentation mode and media effects on 1,3-propanediol and organic acids production using Levilactobacillus brevis PD20.100. npj Mater. Sustain. 4, 17 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00106-x

מילות מפתח: 1,3-פרופנדיול, גליצרול גולמי, הידרוליזט חלבון מדגים, חיידקים לקטיים, תסיסה בת-קיימא