Tryb fermentacji i wpływ podłoża na produkcję 1,3-propanodiolu i kwasów organicznych przy użyciu Levilactobacillus brevis PD20.100

Przekształcanie odpadów w użyteczne materiały

Przemysł codziennie wytwarza odpady trudne do ponownego wykorzystania, takie jak surowa gliceryna z zakładów biodiesla czy białkowe pozostałości z przetwórstwa ryb. W badaniu tym sprawdzono, jak specjalnie wyewoluowany mikroorganizm potrafi zamienić te niskowartościowe odpady w 1,3-propanodiol — istotny składnik przy produkcji ekologicznych tworzyw i kosmetyków — oraz w użyteczne kwasy organiczne. Porównując różne tryby prowadzenia fermentacji i różne receptury podłoża, badacze szukają optymalnego kompromisu między zrównoważeniem, kosztami i wydajnością.

Z odpadów paliwowych i resztek rybnych do nowych produktów

Praca koncentruje się na 1,3-propanodiolu, małej cząsteczce wykorzystywanej do wytwarzania rozciągliwych, odpornych włókien do odzieży i innych produktów, a także składników do płynów przeciwzamarzaniowych, farb i kosmetyków. Tradycyjnie produkowany z ropy naftowej, może być wytwarzany przez mikroby „konsumujące” zasobne w węgiel surowce. W badaniu zespół wykorzystuje surową glicerynę — uboczny produkt produkcji biodiesla, często zanieczyszczony — wraz z glukozą jako główne źródła węgla. Jako źródło azotu — drugiego kluczowego składnika odżywczego — testowano dwie opcje: konwencjonalne, bogate podłoże laboratoryjne oparte na zmodyfikowanym MRS (mMRS) oraz hydrolizat białka rybnego (FPH), proszkowy produkt z pozostałości przetwórstwa ryb. Celem było sprawdzenie, czy FPH może zastąpić drogie składniki laboratoryjne, zachowując jednocześnie wysoką produkcję.

Jak mikroby wykonują zadanie

Badacze pracowali z adaptacyjnie wyewoluowaną szczepem bakterii kwasu mlekowego Levilactobacillus brevis PD20.100, przystosowanym do tolerancji wysokich stężeń cukrów i surowej gliceryny. W komórkach gliceryna dzieli się na dwie powiązane ścieżki: jedna przekształca ją w 1,3-propanodiol, druga — w kwas mlekowy i octowy. Obie ścieżki dzielą wewnętrzne „elektrony”, więc ich równowaga jest kluczowa. Jeśli warunki sprzyjają, większy przepływ kieruje się na 1,3-propanodiol; w przeciwnym razie powstaje więcej kwasów. Badanie ocenia, jak skład podłoża (mMRS kontra FPH), forma komórek (zawieszone vs. immobilizowane w kulkach alginianowych) i styl fermentacji (batch, fed-batch i repeated batch) przesuwają tę równowagę.

Porównanie sposobów prowadzenia fermentacji

W prostych eksperymentach batch z zawieszonymi komórkami i dwoma źródłami węgla przy 60 g/L, mMRS dało najlepsze wyniki, osiągając około 39–40 g/L 1,3-propanodiolu przy bardzo wysokiej konwersji surowej gliceryny. Przy użyciu FPH mikroorganizm nadal wytwarzał przyzwoite 27–31 g/L, ale rosło wolniej i pozostawiało więcej niewykorzystanego substratu — prawdopodobnie dlatego, że FPH zawiera gorzkie lub hamujące peptydy i brakuje mu niektórych witamin obecnych w mMRS. Immobilizacja komórek w kulkach alginianowych poprawiła stabilność i umożliwiła ponowne użycie, ale zwykle obniżała maksymalne poziomy produktu w porównaniu z komórkami swobodnymi. Przy zastosowaniu strategii fed-batch — dokarmiania gliceryną i glukozą w czasie — jeden z wzorców dokarmiania w mMRS zapewnił solidne wyniki, choć nadal poniżej najlepszego przebiegu batch. W przypadku FPH te same strategie prowadziły do niższych plonów i wyraźniejszych spowolnień z czasem.

Ponowne użycie komórek i skalowanie

Fermentacje repeated batch, w których komórki lub kulki są cyklicznie przenoszone do świeżego podłoża, ujawniły, jak zmienia się wydajność w czasie. Zawieszone komórki w mMRS utrzymywały wysoką produkcję 1,3-propanodiolu przez kilka cykli, zanim nastąpił stopniowy spadek — prawdopodobnie wskutek stresu i kumulacji produktu pogarszających kondycję komórek. W FPH ten spadek następował szybciej i ostrzej, co wskazuje na kumulatywne działanie składników hamujących. Immobilizowane komórki w kulkach alginianowych wykazywały podobny wzorzec: dobra początkowa wydajność w mMRS, ale wyraźne spadki po kilku cyklach, szczególnie w FPH. Na koniec badacze przeszli do kontrolowanego fermentora z mieszadłem przy użyciu FPH. Przy lepszej kontroli pH, mieszania i poziomu tlenu system osiągnął niemal 29 g/L 1,3-propanodiolu i zużył surową glicerynę znacznie wydajniej niż w małych kolbach orbitalnych.

Znaczenie dla bardziej zielonej produkcji

Podsumowując, badanie pokazuje, że wyewoluowany szczep L. brevis PD20.100 potrafi przekształcać uboczny produkt biodiesla — glicerynę — w wartościowy 1,3-propanodiol i kwasy organiczne w różnych warunkach. Konwencjonalne podłoże mMRS nadal dostarcza najwyższych plonów i najszybszych fermentacji, ale hydrolizat białka rybnego — wytwarzany z odpadów przetwórstwa ryb — wyłania się jako obiecujące, tańsze i bardziej zrównoważone źródło azotu. Przy przemyślanym projektowaniu procesu, starannej kontroli w bioreaktorach i dalszym dopracowaniu składu FPH autorzy argumentują, że podejście to może pomóc przemysłowi przekształcić dwa problematyczne strumienie odpadów w użyteczne chemikalia, promując cele gospodarki o obiegu zamkniętym i bardziej ekologicznej produkcji materiałów.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: 1,3-propanodiol, surowa gliceryna, hydrolizat białka rybnego, pałeczki kwasu mlekowego, zrównoważona fermentacja