Bacterial cellulose production via utilization of effluents from sugar and vinegar industries

Tez (Doktora)--İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013Bu çalışmada, selüloz üretim kapasitesine sahip ve mutasyon direnci sergileyen Gluconacetobacter türlerinin izolasyonu ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Asetik asit bakterilerinin, sirke fermantasyonu atığı, çürük ve taze meyveler gibi sıralanabilecek tipik izolasyon kaynakları taranarak 329 izolat elde edilmiş ve bu izolatlardan dokuz adedinin selüloz üretebildiği tespit edilmiştir. Uygulanan detaylı morfolojik ve biyokimyasal testler, bu izolatların Acetobacteraceae ailesinin Gluconacetobacter cinsine uyum sağladıklarını göstermiştir. İzolatlar arasında, uzun dönem saklama koşullarında üretim kapasitesini koruyabilen tek suş olan P2A, 16S rRNA sekans analizine tabi tutulmuş, elde edilen 1405 baz çiftlik kısmi rRNA dizisi bu suşu, %99.8?e varan sekans benzerliği nedeniyle, Gluconacetobacter hansenii kümesinde konumlandıran filogenetik ağacın oluşturulmasında kullanılmıştır. Gluconacetobacter hansenii P2A tarafından gerçekleştirilen bakteriyel selüloz üretimini en üst seviyeye taşıyacak deney koşulları Plackett Burman ve yanıt yüzey deneysel tasarım teknikleri kullanılarak araştırılmıştır. Sonuçlar, inkübasyon süresi ile fruktoz ve sitrik asit derişimlerinin selüloz üretimi üzerindeki en etkili faktörler olduğunu göstermiştir. Gluconacetobacter hansenii P2A 120 rpm?lik karıştırma hızı uygulandığında, beş ardışık üretim sürecinde mutasyona uğramayarak direnç sergilemiştir. Optimum koşullar altında, gerek verim, gerekse üretilen selüloz miktarında ciddi biçimde artış kaydedilerek %29.6 verim ile 12.24±0.53 g/L bakteriyel selüloz üretimi gerçekleştirilmiştir. Morfolojik ve kimyasal yapı XRD, FT-IR, SEM and TGA kullanılarak açıklanmıştır. Mikroorganizma büyümesi Monod ve Lojistik modeller ile ifade edilebilmiş, ürün oluşumu verileri ise Leudeking Piret modeline uyum sağlamıştır. Elde edilen sonuçlar, Gluconacetobacter hansenii P2A?nın bakteriyel selülozun endüstriyel anlamda sürdürülebilir bir üretime olanak sağlayacak nitelikte bir mikroorganizma olduğunu göstermiştir.This study aimed for the isolation and characterization of mutation resistant Gluconacetobacter strains that are capable of bacterial cellulose synthesis. Several sugary niches such as vinegar fermentation wastes and fresh or rotten fruits were screened to obtain 329 isolates out of which, 9 were identified as cellulose producers. Through extensive biochemical and morphological testing, all potential strains were classified within Gluconacetobacter genus of Acetobacteraceae family. Only one strain, namely P2A isolated from a rotten plum, could maintain its productivity during long term preservation. 16S rRNA sequence of this isolate was used to construct a phylogenetic tree which placed P2A in Gluconacetobacter hansenii cluster due to similarities reaching up to 99.8%. The optimal conditions for cellulose production by Gluconacetobacter hansenii P2A were investigated by application of Plackett-Burman and Response Surface experimental design techniques. Results pointed the length of incubation period, fructose and citric acid concentrations as the most significant effects on bacterial cellulose production. The strain showed mutation resistance for agitation rates up to 120 rpm. Under optimal conditions, this strain produced 12.24±0.53 g/L cellulose corresponding to 29.6% yield which were significantly higher than 1.275±0.15 g/L and 8% yield recorded for base case conditions. Chemical and morphological structure of syntesized celluloses were explained by XRD, FT-IR, SEM and TGA measurements. Monod and Logistic models for bacterial growth fitted kinetic data well, while Leudeking Piret model was found to express product formation kinetics. As a result, Gluconacetobacter hansenii P2A was suggested as a microorganism suitable for sustainable production of bacterial cellulose.DoktoraPh.D