haku: @supervisor Frey, Alexander / yhteensä: 13
viite: 4 / 13
| Tekijä: | Nyström, Julia |
| Työn nimi: | Optimization of gas fermentation conditions for methanotrophs |
| Kasvuolosuhteiden optimointi metanotrofien kaasufermentoinnissa | |
| Julkaisutyyppi: | Diplomityö |
| Julkaisuvuosi: | 2016 |
| Sivut: | (7) + 97 s. + liitt. 1 Kieli: eng |
| Koulu/Laitos/Osasto: | Kemian tekniikan korkeakoulu |
| Oppiaine: | Biotekniikka ja elintarviketekniikka (KE3002) |
| Valvoja: | Frey, Alexander |
| Ohjaaja: | Pitkänen, Juha-Pekka ; Tamminen, Anu |
| Elektroninen julkaisu: | http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201606172530 |
| Sijainti: | P1 Ark Aalto 4079 | Arkisto |
| Avainsanat: | methanotrophic bacteria gas fermentation methane polyhydroxybuturate metanotrofit kaasufermentointi metaani polyhydroksibutyraatti |
| Tiivistelmä (fin): | Metanotrofit hyödyntävät yksihiilisiä yhdisteitä, kuten metaania, hiilen ja energian lähteenä kasvulle. Metaanin konversio on mahdollista metaani mono-oksigenaasi entsyymin avulla, jonka ilmentymistä säätelee kasvualustan kuparipitoisuus. Metanotrofeja on tutkittu laajalti, sillä niiden kaasufermentointien lopputuotteita voitaisiin mahdollisesti käyttää erilaisten hyödykkeiden tuottamiseen. Esimerkiksi lipidejä voitaisiin käyttää biodieselin tuottoon. Metanotrofien kasvuolosuhteita, metaanin konversiota ja lopputuotteita tutkittiin 2 L fermentoreissa. Kasvualustana käytettiin nitraatti mineraali suola-alustaa ja hiilen lähteenä 3 % metaania. Kasvuolosuhteita tutkittiin myös 100 mL pullokasvatuksissa. Tutkitut metanotrofit olivat Methylococcus capsulatus, Methylosinus trichosporium, Methylocystis parvus ja Methylomonas methanica. Metanotrofit sekvensoitiin tutkimuksen aikana ja niiden todettiin koostuvan useamman bakteerin populaatioista eikä yksittäisistä kannoista. Onnistuneiden kasvatusten kasvuolosuhteilla, kasvunopeuksilla ja tuotteiden kertymisellä ei ollut suurta eroa kantojen välillä. Yleisesti M. methanica kasvoi nopeimmin, puolipanosviljelmän aikana spesifinen kasvunopeus saavutti 0.09 h-1 ja volumetrinen tuottonopeus 60 mg/L/h. Maksimaalinen biomassan saanto oli 40 % kulutetusta metaanista ja 20 % kulutetusta hapesta. Loppu metaani ja happi konvertoitiin hiilidioksidiksi ja vedeksi. M. parvus -kannalla saavutettiin korkein solutiheys 9.9 g/L. Jatkuvissa kasvatuksissa nitraattia oli riittävästi saatavilla, mikä johti proteiinin kertymiseen, jopa yli 60 % biomassasta. Puolipanosvaiheen lopussa nitraatin rajoittaessa kasvua polyhydroksibutyraattia kertyi jopa yli 60 % biomassasta. Lipidien tuotto suosi samoja olosuhteita kuin proteiinien tuotto, mutta lipidipitoisuus pysyi yleisesti hyvin alhaisena, alle 10 % biomassasta. Solutiheyden ylittäessä tietyn pitoisuuden, nitraatin lisäksi rajoittavaksi tekijäksi muodostui metaanin ja nestemäisen kasvualustan välinen aineensiirto. Tämä ilmiö on hyvin tunnettu tekijä, jolla on suuri vaikutus kaasufermentointeihin ja erityisesti bakteerien kasvunopeuksiin. Tässä tutkimuksessa käytetyissä fermentoreissa aineen siirtoa ei pystytty parantamaan, minkä johdosta solupitoisuudet ja kasvunopeudet pysyivät matalina. Tutkimuksen perusteella polyhydroksibutyraatin akkumuloituminen metanotrofeissa tapahtuu helpommin kuin lipidien ja proteiinien akkumuloituminen. Tämän avaa mahdollisuuksia polyhydroksibutyraatin teolliselle tuotannolle, jossa metaania käytettäisiin hiilisubstraattina. |
| Tiivistelmä (eng): | Methanotrophic bacteria use one-carbon compounds, such as methane to provide carbon and energy for biomass synthesis. The conversion of methane is made possible by the enzyme methane mono-oxygenase, which expression is regulated by the copper concentration in the growth medium. Methanotrophs are studied widely due to their potential to produce several biomass components and end products in gas fermentation processes that may be further converted to commodities, such as renewable diesel production from microbial lipids. The growth conditions, methane conversion and product accumulation in methanotrophs were studied in 2 L fermenters, using nitrate mineral salts media as the growth medium and 3 % methane as the carbon source. Growth conditions were also studied in 100 mL septum flasks. The used methanotrophic strains were Methylococcus capsulatus, Methylosinus trichosporium, Methylocystis parvus and Methylomonas methanica. During the study, the methanotrophic strains were sequenced and identified as cultures of different bacteria. There were no large differences between the successfully cultivated strains in their favoured growth conditions, growth rates and product accumulation. Generally, M. methanica had the fastest growth, maximum specific growth rate being 0.09 h-1 and volumetric productivity 60 mg/L/h during fed batch. The maximum biomass yields during fermentations were 40 % of the consumed methane and 20 % of the consumed oxygen. The rest of the consumed methane and oxygen were converted to carbon dioxide and water. Maximum cell density of 9.9 g/L was achieved with M. parvus. During continuous cultivations, excess nitrogen was available and protein accumulated to over 60 % (w/w) at maximum, but when nitrogen was the limiting factor at the end of a fed batch, polyhydroxybutyrate accumulation was favoured, similarly to over 60 % (w/w) at maximum. Lipid accumulation favoured protein accumulation conditions, but the lipid concentration remained generally low, under 10 % (w/w). In addition to nitrogen being the growth limiting factor, the mass transfer of methane to the aqueous medium became limiting as the cell density reached a certain concentration. This is a well-known factor affecting gas fermentations and particularly growth rates of cultivated bacteria. In this study, the mass transfer could not be enhanced in the used fermenters and the maximum cell densities and growth rates remained low. According to this study, polyhydroxybutyrate accumulation takes place in methanotrophs easier than protein or lipid accumulation, which opens possibilities for industrial polyhydroxybutyrate production with methane as a substrate. |
| ED: | 2016-07-17 |
INSSI tietueen numero: 53960
+ lisää koriin
INSSI