Vitreoscilla hemoglobini eksprese eden E.coli suşu ile peynir altı suyu tozundan biyoetanol üretimi
Bioethanol production from whey powder through E.coli strain expressing Vitreoscilla hemoglobin
Yazar: TANER ŞAR
Danışman: PROF. DR. MELTEM YEŞİLÇİMEN AKBAŞ
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada, aljinat ile immobilize edilmiş Vitreoscilla hemoglobin eksprese eden (TS3) ve eksprese etmeyen (FBR5) E.coli suşları ile peynir altı suyu tozundan etanol üretimi incelenmiştir. Bu kapsamda, 6 farklı laktoz konsantrasyonu (%3-15, w/v) içerecek şekilde peynir altı tozu ve maya özütü (WP1-WP9) ile hazırlanan besiyerleri hem çalkalamalı inkübasyon hem de fermentör koşullarında 96 saat ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Çalkalamalı inkübatör koşullarında en yüksek etanol üretimi (%3.55, v/v) immobilize E.coli TS3 suşu ile 96 saat süre sonunda WP6 besi ortamında (%8 laktoz, w/v) elde edilmiştir. Fermentör koşullarında ise, 96 saat inkübasyon sonrası elde edilen en yüksek etanol üretiminin %3.93 (v/v) olduğu görülmüştür. İmmobilize kültürlerin tekrarlı kullanılabilirlikleri, WP6 besiyerinde 15 tekrarlı fermantasyon ve 2 farklı saklama solüsyonunda (SS1, glukoz ve maya özütü; SS2, CaCl2) uzun süre (60 gün) +4ºC sıcaklıkta depo edilmeleri sonrası yeniden kullanılmaları ile belirlenmiştir. Tekrarlı fermantasyonda, her iki immobilize suşun da etanol üretiminin ilk 6 tekrarlı fermantasyonda kararlı olduğu görülmüştür. Yedinci tekrarlı fermantasyon sonrası etanol üretiminin immobilize TS3 suşu ile %4.38 (v/v) oranında olduğu görülmüştür. On birinci tekrarlı fermantasyon sonrası, FBR5 suşu ile etanol üretiminin önemli oranda azaldığı belirlenirken, TS3 suşu ile etanol üretiminin kararlı olduğu tespit edilmiştir. 15 tekrarlı fermantasyon süresince, TS3 suşunun FBR5 suşuna göre etanol üretiminde avantajlı olduğu saptanmıştır. Ayrıca iki saklama solüsyonda 15 ve 30 gün sürelerde depo edilen immobilize suşların 8 tekrarlı fermantasyonda başarılı olarak kullanılabildiği ve etanol üretebildikleri belirlenmiştir. Her iki suş ile hazırlanan immobilize boncukların farklı inokulum oranları (%5, 10, 20, 30) ile etanol üretimleri de incelenmiştir. En yüksek etanol üretiminin, WP6 besi ortamında %10 inokulum oranı ile inkübe edilen immobilize TS3 suşu ile 72 saat inkübasyon sonrası, %99 teorik alkol verimi ile %4.64 (v/v) olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak, peynir altı tozundan etanol üretiminde VHb teknolojisi ve immobilizasyonun bir arada kullanımının endüstride umut verici bir uygulama olabileceği belirlenmiştir. 

Anahtar Kelimeler: Peynir altı tozu, immobilizasyon, Vitreoscilla hemoglobini, etanol üretimi, E.coli.

Abstract:
In this work, bioethanol production from whey powder through alginate immobilized E.coli strains either expressing (TS3) or not expressing (FBR5) Vitreoscilla hemoglobin (VHb) was investigated. For determining effective lactose concentration, prepared from whey powder, 6 different lactose concentrations (3-15%, w/v) were evaluated. For this, media (WP1-WP6) with different levels of whey powder and yeast extract (0.3% and 0.5%, w/v) were evaluated comparatively with 96 h fermentations in both shake flask and fermenter cultures. The WP6 medium (lactose 8%, w/v) yielded the highest ethanol production (3.55%, v/v) by immobilized E.coli strain TS3 after 96 hours incubation in shake cultures. However the highest produced ethanol was measured as 3.93% (v/v) in fermenter conditions after 96 hours of incubation. Reusibilities of immobilized strains were investigated with 15 repeated batch fermentations by fresh WP6 medium, and after long term storage (60 days) in two different solutions (SS1, glucose and yeast extract; SS2, CaCl2) at 4°C. During the repeated batch fermentations, ethanol levels for both strains were consistent at the first 6 repeated batch fermentations. At the end of the 7th cycle of fermentation, ethanol production was increased up to 4.38% (v/v) by immobilized strain TS3. After the 11th repeated batch fermentations, ethanol production by strain FBR5 was sharply decreased, while ethanol production by strain TS3 was stable. During the all repeated fermentations, strain TS3 was maintained a substantial advantage for ethanol production over strain FBR5. Immobilized cells successfully produced ethanol after 60 days storage in both solutions. The stored immobilized strains (for 15 or 30 days) maintained their ethanol production abilities without distruption over the 8 successive repeated batch fermentations. The inoculum size of immobilized beads (5, 10, 20, 30%) were also investigated regarding bioethanol production of both strains. The highest level of ethanol (4.64% v/v, with 99% fermentation efficiency) was archieved by strain TS3 cultivated in WP6 medium (containing 8% lactose) with 10% inoculum level after 72 hours incubation. Overall, the combination of immobilization and VHb technology may be promising application for ethanol production from whey powder in industry. 

Key Words: Whey Powder, Immobilization, Vitreoscilla Hemoglobin, Ethanol Production, E.coli.