Режимы ферментации и влияние среды на продукцию 1,3-пропандиола и органических кислот с использованием Levilactobacillus brevis PD20.100

Преобразование отходов в полезные материалы

Каждый день промышленность производит остаточные материалы, которые трудно использовать повторно, такие как неочищенный глицерин с заводов по производству биодизеля и белковые отходы рыбопереработки. В этом исследовании изучается, как специально адаптированный микроорганизм может превращать эти малоценные отходы в 1,3-пропандиол — ключевой ингредиент для экологичных пластмасс и средств личной гигиены — а также в полезные органические кислоты. Сопоставляя разные режимы проведения ферментаций и различные рецептуры сред, исследователи ищут оптимум, где устойчивость, стоимость и производительность совпадают.

От топливных отходов и рыбных огрызков к новым продуктам

Работа сосредоточена на 1,3-пропандиоле — небольшом молекуле, используемой для получения эластичных и прочных волокон для одежды и других изделий, а также в антифризах, красках и косметике. Традиционно его получают из нефти, но его можно производить микробами, «поедающими» углеродсодержащие субстраты. В исследовании в качестве основных источников углерода используются неочищенный глицерин — побочный продукт производства биодизеля, часто содержащий примеси — вместе с глюкозой. В роли азотного компонента — другого важного питательного элемента для микроорганизмов — тестируются два варианта: традиционная богатая лабораторная среда модифицированная MRS (mMRS) и гидролизат рыбного белка (FPH), порошковый продукт из остатков рыбопереработки. Цель — выяснить, может ли FPH заменить дорогостоящие лабораторные ингредиенты, сохраняя высокую продуктивность.

Как выполняют работу микроорганизмы

Исследователи работают с адаптивно эволюционировавшим штаммом молочнокислой бактерии Levilactobacillus brevis PD20.100, обученным переносить высокие концентрации сахаров и неочищенного глицерина. Внутри клеток глицерин распределяется по двум связанным ветвям: одна превращает его в 1,3-пропандиол, другая — в молочную и уксусную кислоты. Эти ветви обмениваются внутренними «электронами», поэтому баланс между ними критичен. При благоприятных условиях поток направляется в сторону 1,3-пропандиола; в противном случае больше образуется кислот. В работе исследуют, как состав среды (mMRS против FPH), формат клеток (свободно плавающие против иммобилизованных в альгинатных гранулах) и стиль ферментации (однократная партия, fed-batch и повторные партии) сдвигают этот баланс.

Сравнение способов проведения ферментации

В простых партиях с взвешенными клетками и обоими источниками углерода по 60 г/л mMRS показала лучшие общие результаты, достигая примерно 39–40 г/л 1,3-пропандиола при очень высокой конверсии неочищенного глицерина. При использовании FPH микроорганизм по-прежнему производил солидные 27–31 г/л, но рос медленнее и оставлял больше субстрата неусвоенным — вероятно, из-за наличия горьких или ингибирующих пептидов в FPH и недостатка некоторых витаминов, присутствующих в mMRS. Иммобилизация клеток в альгинатных гранулах улучшала стабильность и позволяла повторное использование, но как правило снижала максимальные уровни продукта по сравнению со свободно плавающими клетками. При применении fed-batch стратегий — постепенного добавления глицерина и глюкозы — одна конкретная схема подкормок в mMRS показала достойную производительность, хотя всё равно уступала лучшему однократному прогону. Для FPH те же стратегии приводили к более низким выходам и более выраженным замедлениям со временем.

Повторное использование клеток и масштабирование

Ферментации в повторных партиях, где клетки или гранулы по несколько раз переводят в свежую среду, показали, как меняется производительность со временем. Взвешенные клетки в mMRS поддерживали высокий уровень производства 1,3-пропандиола в течение нескольких циклов, прежде чем постепенно снижаться, вероятно из‑за стресса и накопления продукта, ухудшающих здоровье клеток. В FPH это падение происходило раньше и резче, указывая на кумулятивный эффект ингибирующих компонентов. Иммобилизованные клетки в альгинатных гранулах демонстрировали аналогичную картину: хорошая начальная работа в mMRS, но явное снижение через несколько циклов, особенно в FPH. Наконец, исследователи перешли к управляемому мешалочному ферментеру с использованием FPH. При лучшем контроле pH, перемешивания и уровней кислорода система достигла почти 29 г/л 1,3-пропандиола и более эффективно использовала неочищенный глицерин по сравнению с мелкими шейкерными колбами.

Значение для более экологичного производства

В целом исследование показывает, что эволюционировавший штамм L. brevis PD20.100 может превращать побочный продукт биодизеля — глицерин — в ценный 1,3-пропандиол и органические кислоты при различных условиях. Традиционная среда mMRS по-прежнему обеспечивает наивысшие выходы и быстрые ферментации, но гидролизат рыбного белка — получаемый из рыбоотходов — проявляет себя как перспективный, более дешевый и более устойчивый источник азота. При продуманном проектировании процессов, тщательном контроле в биореакторах и дальнейшей оптимизации состава FPH авторы утверждают, что такой подход может помочь промышленности конвертировать две проблемные потоковые линии отходов в полезные химикаты, продвигая цели циркулярной биоэкономики и более экологичного производства материалов.

Цитирование: 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

Ключевые слова: 1,3-пропандиол, неочищенный глицерин, гидролизат рыбного белка, молочнокислые бактерии, устойчивая ферментация