Effecten van fermentatiemodus en medium op de productie van 1,3-propaandiol en organische zuren met Levilactobacillus brevis PD20.100

Afval omzetten in nuttige materialen

Dagelijks ontstaan in industrieën reststromen die moeilijk herbruikbaar zijn, zoals ruwe glycerol uit biodieselinstallaties en eiwitrijke restanten uit visverwerking. Deze studie onderzoekt hoe een speciaal aangepaste microbe deze laagwaardige afvalstromen kan omzetten in 1,3-propaandiol — een belangrijk bestanddeel voor milieuvriendelijke kunststoffen en verzorgingsproducten — en tegelijk nuttige organische zuren produceert. Door verschillende fermentatiemethoden en voedingsrecepten te vergelijken, zoeken de onderzoekers een compromis waarin duurzaamheid, kosten en productiviteit samenkomen.

Van brandstofafval en visresten naar nieuwe producten

Het werk richt zich op 1,3-propaandiol, een klein molecuul dat wordt gebruikt om rekbare, veerkrachtige vezels voor kleding en andere producten te maken, en ook als ingrediënt in antivriesmiddelen, verven en cosmetica. Waar het traditioneel uit aardolie wordt gewonnen, kan het ook door microben worden geproduceerd die koolstofrijke voedingsstoffen “vereten”. In dit onderzoek gebruiken de onderzoekers ruwe glycerol — een bijproduct van biodieselproductie dat vaak onzuiverheden bevat — samen met glucose als belangrijkste koolstofbronnen. Voor stikstof — de andere grote voedingsbehoefte van microben — testen ze twee opties: een conventioneel rijk labmedium genaamd gemodificeerd MRS (mMRS), en visproteïne-hydrolysaat (FPH), een poederproduct gemaakt van visverwerkingsresten. Het doel is te beoordelen of FPH dure laboratoire-ingrediënten kan vervangen terwijl nog steeds goede productie mogelijk blijft.

Hoe de microben het werk doen

De onderzoekers werken met een adaptief geëvolueerde stam van de melkzuurbacterie Levilactobacillus brevis PD20.100, die is getraind om hoge concentraties suikers en ruwe glycerol te verdragen. Binnen de cellen wordt glycerol over twee verbonden takken verdeeld: één die het omzet in 1,3-propaandiol, en een andere die het omzet in melk- en azijnzuren. Deze takken delen interne “elektronen”, waardoor de balans tussen hen cruciaal is. Wanneer de omstandigheden gunstig zijn, gaat meer flux naar 1,3-propaandiol; anders eindigt meer als zuren. De studie onderzoekt hoe medium-samenstelling (mMRS versus FPH), celvorm (vrij zwevend versus geïmmobiliseerd in alginaatkralen) en fermentatiestijl (enkelvoudige batch, fed-batch en herhaalde batch) die balans verschuiven.

Vergelijking van fermentatiewijzen

In eenvoudige batchexperimenten met zwevende cellen en beide koolstofbronnen op 60 g/L gaf mMRS de beste algehele resultaten, met ongeveer 39–40 g/L 1,3-propaandiol en zeer hoge conversie van ruwe glycerol. Bij gebruik van FPH produceerde de microbe nog steeds een respectabele 27–31 g/L, maar groeide langzamer en liet meer substraat onbenut, waarschijnlijk omdat FPH bittere of remmende peptiden bevat en sommige vitamines mist die in mMRS aanwezig zijn. Het immobiliseren van cellen in alginaatkralen verbeterde de stabiliteit en maakte hergebruik mogelijk, maar verlaagde doorgaans de piekproducties vergeleken met vrij zwevende cellen. Toen het team fed-batchstrategieën probeerde — waarbij glycerol en glucose in de loop van de tijd worden toegevoegd — gaf één specifiek toevoerschema in mMRS goede prestaties, hoewel nog steeds onder de beste batchrun. Met FPH leidden dezelfde strategieën tot lagere opbrengsten en duidelijkere vertragingen in de loop van de tijd.

Herbruikbare cellen en opschaling

Herhaalde batchfermentaties, waarbij cellen of kralen meerdere keren in vers medium worden gezet, toonden hoe de prestaties over tijd veranderen. Zwevende cellen in mMRS hielden een hoge 1,3-propaandiolproductie enkele cycli vol voordat ze geleidelijk afnamen, waarschijnlijk doordat stress en productophoping de gezondheid van de cellen reduceerden. In FPH trad deze terugval eerder en sterker op, wat wijst op cumulatieve effecten van remmende componenten. Geïmmobiliseerde cellen in alginaatkralen lieten een vergelijkbaar patroon zien: aanvankelijk goede prestaties in mMRS, maar duidelijke dalingen na een paar cycli, vooral in FPH. Ten slotte gingen de onderzoekers over naar een gecontroleerde roervatfermentor met FPH. Met betere controle over pH, menging en zuurstofniveaus bereikte het systeem bijna 29 g/L 1,3-propaandiol en werd de ruwe glycerol veel efficiënter gebruikt dan in kleine schudkolven.

Wat dit betekent voor groener produceren

Samengevat laat de studie zien dat de geëvolueerde L. brevis PD20.100-stam bij diverse omstandigheden ruwe glycerol uit biodiesel kan omzetten in waardevol 1,3-propaandiol en organische zuren. Het conventionele mMRS-medium levert nog steeds de hoogste opbrengsten en de snelste fermentaties, maar visproteïne-hydrolysaat — gemaakt van visverwerkingsafval — komt naar voren als een veelbelovende, goedkopere en duurzamere stikstofbron. Met doordacht procesontwerp, zorgvuldige controle in bioreactoren en verdere afstemming van de FPH-samenstelling betogen de auteurs dat deze aanpak de industrie kan helpen twee problematische afvalstromen om te zetten in nuttige chemicaliën, en zo zowel doelen van een circulaire bio-economie als groenere materiaalproductie vooruit te helpen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: 1,3-propaandiol, ruwe glycerol, visproteïne-hydrolysaat, melkzuurbacteriën, duurzame fermentatie