Aumento de la fermentación del ácido propiónico

Aumento de la fermentación del ácido propiónico por Propionibacterium acidipropionici mutante obtenido por adaptación en un biorreactor de lecho fibroso

[23:49, 19/2/2018] +52 1 771 191 0494: Las Propionibacterias son Gram-positivas, no formadoras de esporas, inmóviles,

bacterias anaeróbicas, en forma de varilla. Son ampliamente utilizados

en industrias de probióticos y quesos (Playne, 1985). Ellos también

puede usarse para producir vitamina B12, compuestos de tetrapirrol,

y ácido propiónico. Este último es un químico importante usado

en la producción de plásticos de celulosa, herbicidas y perfumes.

Como un fuerte inhibidor de moho, calcio, sodio y potasio

las sales de propionato también se usan ampliamente como alimento y alimento

conservantes. Actualmente, casi todo el ácido propiónico es

producido por procesos petroquímicos, a una tasa de producción anual de 400 millones de libras en los Estados Unidos. Aunque ha habido un gran interés en producir ácido propiónico a partir de biomasa mediante fermentación con propionibacterias, la concentración relativamente baja de ácido propiónico, el rendimiento y la tasa de producción de la fermentación han sido las principales barreras para la producción económica de ácido propiónico a partir de glucosa y otros azúcares fermentables

Los problemas asociados con la fermentación de ácido propiónico convencional provienen principalmente de la fuerte inhibición del producto final causada por el ácido propiónico incluso a una concentración muy baja de 10 g / l (Gu et al., 1998; Hsu y Yang, 1991). La fermentación convencional de ácido propiónico por lotes generalmente toma más de 3 días para alcanzar & 20 g / L de ácido propiónico, con un rendimiento de producto generalmente inferior a 0,45 g / g de azúcar fermentado. Los intentos de mejorar la fermentación del ácido propiónico en términos de rendimiento, concentración del producto final y tasa de producción han dado como resultado el desarrollo de nuevos bioprocesos y cepas mutantes, pero con un éxito limitado (Emde y Schink, 1990; Huang et al., 1998; Jin y Yang, 1998; Lewis y Yang, 1992; Paik y Glatz, 1994; Rickert

et al., 1998; Solichien y otros, 1995; Woskow y Glatz, 1991).

Entre todos estos esfuerzos previos, un biorreactor de celda inmovilizada de lecho fibroso ha demostrado ser una tecnología prometedora que puede mejorar significativamente el rendimiento del producto de productividad volumétrica y la concentración del producto final en varias fermentaciones de ácidos orgánicos

[23:49, 19/2/2018] +52 1 771 191 0494: Se estudiaron fermentaciones discontinuas de glucosa por P. acidipropionici ATCC 4875 en cultivo en suspensión de células libres e inmovilizadas en un biorreactor de lecho fibroso (FBB). Este último produjo un propiónico mucho más alto

concentración de ácido (71.8 0.8 g / L vs. 52.2 1.1 g / L), lo que indica una mayor tolerancia a la inhibición del ácido propiónico por las células adaptadas en el FBB. Comparado con la fermentación de células libres, el cultivo de FBB produjo 20-59% más

propionato (0.40-0.65 0.02 g / g vs. 0.41 0.02 g / g), 17%

menos acetato (0.10 0.01 g / g vs. 0.12 0.02 g / g), y 50%

menos succinato (0.09 0.02 g / g vs. 0.18 0.03 g / g) de glucosa. La mayor producción de propionato en el FBB se atribuyó a mutaciones en dos enzimas clave, oxaloacetato transcarboxilasa y propionil CoA: succinil CoA transferasa, que conducen a la producción de ácido propiónico a partir del piruvato. Ambos mostraron una mayor actividad específica y una menor sensibilidad a la inhibición del ácido propiónico en el mutante que en el tipo silvestre. Por el contrario, la actividad de la PEP carboxilasa, que convierte la PEP directamente en oxalacetato y conduce a la producción de succinato a partir de glucosa, fue generalmente menor en el mutante que en el tipo salvaje. Para fosfotransacetilasa y acetato quinasa en el acetato

vía de formación, sin embargo, no hubo diferencia significativa entre el mutante y el tipo salvaje. Además, el mutante tuvo un cambio sorprendente en su morfología.

Con un aumento de tres veces en su longitud y una disminución del 24% en su diámetro, la célula mutante tenía un área superficial específica & 10% mayor que debería haber hecho al mutante más eficiente en el transporte de sustratos y metabolitos a través de la membrana celular. Una actividad de ATPasa ligeramente unida a la membrana más baja que se encuentra en el mutante también indicó que el mutante podría tener una bomba de protones más eficiente para permitirle tolerar mejor el ácido propiónico. Además, el mutante tenía más ácidos grasos saturados de cadena más larga (C17: 0) y menos ácidos grasos insaturados (C18: 1), los cuales podrían disminuir la fluidez de la membrana y podrían haber contribuido al aumento de la tolerancia al propionat. La producción mejorada de ácido propiónico a partir de glucosa por P. acidipropionici se atribuyó a la alta densidad celular viable mantenida en el reactor y las mutaciones favorables resultaron de la adaptación mediante inmovilización celular en el FBB.

CONCLUSION

La inmovilización y adaptación de P. acidipropionici en el biorreactor de lecho fibroso proporciona una eficacia que significa obtener un mutante metabólicamente ventajoso con la capacidad de tolerar y producir más ácido propiónico a concentraciones y rendimientos superiores a la glucosa. El mutante tuvo cambios significativos en su morfología, composición lipídica de la membrana y enzimas clave en las vías que conducen a propionicacida y ácido succínico. El mayor rendimiento de propionato se atribuyó a los mayores niveles de actividad de oxaloacetato transcarboxilasa y CoA transferasa en el mutante, mientras que el menor rendimiento de succinato en el mutante resultó de la actividad más baja de PEP carboxylase. El aumento de la tolerancia al propionato del mutante es posiblemente debido a cambios en su composición de ácidos grasos de membrana y su morfología más delgada que hace que la bomba de protones sea más eficiente como lo indica la menor actividad de ATPasa. La disminución de la sensibilidad a la inhibición del ácido propiónico para la oxalacetato transcarboxilasa y la CoA transferasa del mutante también permitió a las células sobrevivir y continuar produciendo propionato incluso cuando la concentración de propionato era alta. La concentración más alta del producto final, junto con las concentraciones de subproductos y células significativamente reducidas en el caldo de fermentación deben facilitar separaciones simples para la purificación del producto y reducir el costo total de producción de ácido propiónico mediante el proceso de fermentación FBB.

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