Koncepcja technologiczna wytwarzania polihydroksykwasów z wykorzystaniem mieszanych kultur mikroorganizmów i gliceryny surowej jako substratu

Poszukiwanie alternatywnych sposobów izolacji polimerów występujących naturalnie jest obecnie kluczowym celem dla wielu instytucji naukowych oraz ośrodków przemysłu, które zajmują się wytwarzaniem ich na szeroką skalę. Proces produkcji polihydroksykwasów na skalę przemysłową jest stosunkowo mały w porównaniu do innych biodegradowalnych polimerów czy też polimerów uzyskiwanych na drodze syntezy chemicznej.

Polihydroksykwasy posiadają wiele zalet, takich jak np.:
znaczna tendencja do biodegradacji, bardzo ważną z punktu widzenia ekologii;

• brak toksyczności w stosunku do organizmów żywych; 
• duża biokompatybilność, co jest nieodzownym elementem przy wykorzystywaniu tych związków np. w medycynie; 
• bardzo łatwo ulegają polimeryzacji.

Pomimo tego nie są chętnie wykorzystywane przez zakłady przemysłowe, głównie ze względu na wysoki koszt produkcji. Poszukiwanie nowych, tańszych, bardziej wydajnych i efektywnych metod produkcji jest priorytetem dla zwiększenia konkurencyjności biopolimerów. W alternatywnych metodach szczególnie bierze się pod uwagę: użycie substratów niskiej wartości takich jak surowce odpadowe i mikrobiologiczne kultury mieszane. Dotychczas procesy realizowane w dużej skali opierały swój przebieg na stosowaniu czystych kultur mikroorganizmów, zwykle modyfikowanych genetycznie. Kultury takie cechują się wysoką wydajnością produkcji PHA tj. do 90% suchej masy komórki. Czynnikiem indukującym ten proces w przypadku czystych kultur mikroorganizmów jest brak azotu bądź fosforu. Głównymi elementami generującymi koszty produkcji są nakłady na proces fermentacji (sterylizacji i koszty substratów ok. 90%) oraz koszty operacji jednostkowych. Jeżeli natomiast wykorzystywane będą metody, oparte na wdrożeniu do procesu zarówno kultur mieszanych, jak i substratów o niskiej wartości, możliwym będzie ograniczenie kosztów związanych np. ze sterylizacją, konserwacją i eksploatacją sprzętu do fermentacji (tańszy koszt reaktora). Zostaną również zmniejszone nakłady finansowe na kontrole przebiegu produkcji. Kolejnym korzystnym aspektem MMC (mieszane kultury mikroorganizmów) jest możliwość stosowania złożonych substratów jako surowca. Możliwe jest to dzięki temu, że w MMC czynnikiem indukującym akumulacje PHA nie jest ograniczenie występowania składników odżywczych. W związku z powyższym nie ma konieczności używania substratów o dokładnie określonym składzie.

Celem mojej pracy dyplomowej jest opracowanie koncepcji technologicznej wytwarzania PHA w hodowli mieszanych kultur mikroorganizmów z wykorzystaniem gliceryny surowej jako źródła węgla. Substrat ten będzie stanowił alternatywę w stosunku do dotychczas stosowanych tego typu surowców. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż gliceryna surowa jest powszechnie dostępnym i tanim substratem, powstającym np. jako produkt uboczny przy produkcji biodiesla. Opracowanie optymalnych warunków produkcji polihydroksykwasów, pozwalające na ich efektywne wytwarzanie, stanowiłoby dla przedsiębiorców interesujące rozwiązanie pod względem ekonomicznym. Głównymi czynnikami, które na to wpływają, są przede wszystkim: łatwo dostępne substraty, opłacalny i wydajny proces produkcji oraz brak konieczności izolacji konkretnych szczepów mikroorganizmów do produkcji PHA.

Optymalizacji ulegną określone parametry, które będą czyniły powyższy proces produkcji jak najbardziej efektywny. Obliczone zostanie stężenie substratu oraz azotu niezbędnego do kumulacji PHA w komórkach mikroorganizmów. Dobrane będą wielkości i ilości reagentów do odzysku PHA z biomasy. Zakres pracy obejmie również określenie wymiarów, objętości bioreaktora oraz dobór detektorów, urządzeń w układzie technologicznym. Wyżej wymienione parametry tworzące ciąg technologiczny pozwolą na określenie wydajności procesu, co przekładać się będzie na zasadność jego zastosowania.

Wojciech Łapczyński 
Biotechnologia inż.