La chitine est l’un des biopolymères les plus abondants dans la biomasse. Son principal dérivé industriel est le chitosane. Ces deux polysaccharides présentent un intérêt croissant en raison de leurs nombreuses propriétés physico-chimiques et biologiques remarquables. Leur utilisation en tant que matériaux est potentiellement intéressante dans de nombreux domaines tels que la pharmacie, la médecine, l’industrie alimentaire et l'agriculture. Malgré de nombreuses avancées dans les méthodes chimiques de production de la chitine et du chitosane, l'utilisation de solutions concentrées d'acides et de bases alcalines présente le désavantage de générer de grandes quantités d’effluents toxiques. Récemment, des méthodes d'extraction de la chitine par biotechnologie ont été proposées comme une alternative aux méthodes chimiques. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce travail a été de développer un procédé biotechnologique d’extraction de la chitine à partir de carapaces de crustacés à l’aide de bactéries lactiques et d’enzymes. A cette fin, les facteurs influençant les réactions mises en jeu au cours de l’extraction, telles que la déminéralisation, la déprotéinisation et la N-désacétylation ont été étudiés en considérant les caractéristiques physico-chimiques des chitines et chitosanes ainsi obtenus. Ces caractéristiques sont principalement les masses molaires moyennes et le degré de N-acétylation. Ce travail s’est également intéressé à la valorisation des sous-produits d’extraction (protéines, pigments…) et aux applications potentielles des différents chitosanes préparés, notamment comme agents fongistatiques. / The chitin is one of the most abundant biopolymers in biomass. Its main industrial derivative is the chitosan. These two polysaccharides present an increasing interest thanks to their various interesting physicochemical and biological properties. Their potential applications concern diverse fields as the pharmacy, medicine, food industry and agriculture. Despite numerous advances in methods for the chemical production of chitin and chitosan, the use of concentrated solutions of acids and alkaline bases presents the disadvantage to generate large amounts of toxic wastes. Recently, biotechnological methods of chitin extractions have been proposed as an alternative to chemical methods. In this context, the main objective of this work was to develop a biotechnological process for the extraction of chitin from crustacean shells using lactic acid bacteria and enzymes. For this purpose, factors influencing reactions involved in the extraction, i.e. the demineralization, deproteinization and N-deacetylation, were studied considering the physicochemical characteristics (molecular weight and degree of N-acetylation) of chitin and chitosan produced. The recovery of extraction side products such as proteins and pigments has also been considered in this project, as well as the evaluation of various chitosans prepared by this process as fungistatic agents.

<p style="text-align: justify;">Plodovi jabuke su tokom čitave godine prisutni u ishrani beba, dece i odraslih ljudi zbog čega je kvalitet i zdravstevena bezbednost ovih namirnica od izuzetnog značaja. Veliki broj fitopatogenih gljiva su prouzrokovači bolesti jabuka međutim, među značajnim prouzrokovačima bolesti jabuka u skladi&scaron;tima spominju se gljive iz rodova Alternaria i Fusarium. Smatra se da su zdravstveno bezbedni plodovi jabuke pre svega zdravi plodovi, bez prisustva fitopatogenih gljiva i bez ostataka fungicida. Sve veća briga oko primene sintetičkih fungicida zbog njihove toksičnosti, razvoja rezistentnosti patogena na fungicide i &scaron;tetnih efekata na životnu sredinu i zdravlje ljudi, doveli su do potrebe za pronalaženjem alternative hemijskoj za&scaron;titi, a jedno od mogućih se ogleda upravo u primeni biotehnolo&scaron;kim postupkom proizvedenih agenasa. Budući da su visoki tro&scaron;kovi biotehnolo&scaron;ke proizvodnje osnovna prepreka za &scaron;iru primenu ovih agenasa, optimizacija uslova izvođenja biosinteze predstavlja najvažniji korak ka njenom prevazilaženju. Stoga je kao cilj istraživanja u okviru ove doktorske disertacije definisana optimizacija biosinteze antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke primenom Streptomyces hygroscopicus na nivou laboratorijskog bioreaktora u pogledu odabira izvora ugljenika i azota i količina izvora ugljenika, azota i fosfora u hranljivoj podlozi za biosintezu željenih antagonističkih agenasa, kao i parametara biosinteze sa posebnim osvrtom na intenzitet primenjene aeracije i me&scaron;anja. Analizom dobijenih rezultata zaključeno je da se podloga za kultivaciju S. hygroscopicus koja je sadržala glicerol i pored već prisutnog azota u podlozi nije sadržala dodatni izvor azota, pokazala kao najpogodnija za produkciju željenih antagonističkih agenasa efikasnih protiv izolata vrsta A. alternata i F. avenaceum. Rezultati optimizacije sastava hranljive podloge ukazuju da se primenom definisanih optimalnih vrednosti ispitivanih faktora, koje su: sadržaj glicerola od 20 g/l, sadržaj (NH₄)₂SO₄ od 0,25 g/l i sadržaj K₂HPO₄ od 1,41 g/l u podlozi za biosintezu antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke primenom S. hygroscopicus, na osnovu definisanih matematičkih modela predviđaju sledeće vrednosti parametara toka i parametara uspe&scaron;nosti biosinteze antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke: rezidualni glicerol od 5,3418 g/l; rezidualni azot od 0,193 g/l; rezidualni fosfati od 0,8601 g/l; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata A. alternata KA10 od 28,22 mm; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata A. alternata T1Jg3 od 36,86 mm; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata F. avenaceum KA12 od 25,54 mm i prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata F. avenaceum KA13 od 26,78 mm. Rezultati dobijeni ispitivanjem uticaja različitog intenziteta aeracije i brzine me&scaron;anja na biosintezu antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke primenom S. hygroscopicus u laboratorijskom bioreaktoru standardnih geometrijskih odnosa ukupne zapremine 3 l ukazuju da se primenom definisanih optimalnih vrednosti ispitivanih faktora, brzine me&scaron;anja od 100 o/min, intenziteta aeracije od 1,2 l/l/min i pri trajanju kultivacije od 96 h na osnovu definisanih matematičkih modela predviđaju sledeće vrednosti parametara toka i parametara uspe&scaron;nosti biosinteze antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke: rezidualni glicerol od 8,2645 g/l; rezidualni azot od 0,1723 g/l; rezidualni fosfati od 0,5167 g/l; suva materija 1,5023 g/l; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata A. alternata KA10 od 62,62 mm; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata A. alternata T1Jg3 od 61,09 mm; prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata F. avenaceum KA12 od 45,55 mm i prečnik zone inhibicije rasta micelije izolata F. avenaceum KA13 od 43,02 mm. Validnost dobijenih rezultata potvrđena je izvođenjem biosinteze antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke na podlozi optimalnog sastava i primenom optimalnih procesnih parametara u laboratorijskom bioreaktoru standardnih geometrijskih odnosa ukupne zapremine 7l, a efikasnost produkovanih antagonističkih agenasa efikasnih na izolate A. alternata (KA10 i T1Jg3) i F. avenaceum (KA12 i KA13) potvrđena je i u in planta ogledima. Ostavreni rezultati optimizacije biosinteze antagonista skladi&scaron;nih patogena jabuke primenom Streptomyces hygroscopicus na nivou laboratorijskog bioreaktora predstavljaju osnovu za dalje uvećanje razmera do industrijskih, &scaron;to je ključni korak ka potencijalnoj industrijalizaciji predloženog proizvodnog postupka.</p> / <p>Apple fruits are available on the market all year round and their safety is of great importance for the consumers. Unfortunately, many phytopathogenic fungi can cause apple diseases but fungi from the genera Alternaria and Fusarium are listed among important storage pathogens of apple fruits. It is considered that health-safe apple fruits are primarily healthy fruits, without the presence of phytopathogenic fungi and without the remains of fungicides. Excessive use of pesticides in modern agriculture, including those used for control of fungal phytopathogens, has led to several problems related to pollution, environmental degradation and emergence of resistant strains. Biological<br />control of plant pathogens by means of microorganisms is considered as an attractive alternative to chemical-based treatments, with minimal impact on the environment. The main lack of biotechnology production of the antifungal agents are the high costs, so the optimization of the biosynthesis conditions is the most important step towards its overcoming. Therefore, the aim of this research is to optimize the medium composition and process conditions (agitation and aeration rate) of the antagonists of storage apple pathogens biosinthesis by Streptomyces hygroscopicus in laboratory-scale bioreactor. Based on the obtained results, it can be concluded that the S. hygroscopicus cultivation medium containing glycerol as a carbon source, with no additional nitrogen source, proved to be the most suitable for the production of the A. alternate and F. avenaceum antagonistic agents. The results of the optimization of medium for biosynthesis of the antagonists of storage apple pathogens using S. hygroscopicus indicated the following optimal values of the examined factors: the content of glycerol of 20 g/l, (NH₄)₂SO₄ of 0.25 g/l and K₂HPO₄ of 1.41 g/l. By applying the defined optimal values and using the appropriate mathematical models, the following responses are predicted: residual glycerol of 5.3418 g/l; residual nitrogen of 0.193 g/l; residual phosphates of 0.8601 g/l; inhibition zone diameters of A. alternata KA10 of 28.22 mm; inhibition zone diameters of A. alternata T1Jg3 of 36.86 mm; inhibition zone diameters of F. avenaceum KA12 of 25.54 mm and inhibition zone diameters of F. avenaceum KA13 of 26.78 mm. Examining the effect of different agitation and aeration rate on the biosynthesis of antagonists of storage apple pathogens using S. hygroscopicus in a laboratory-scale bioreactor with total volume of 3 l, the following optimal values of the investigated factors are obtained: the agitation rate of 100 rpm, the aeration of 1.2 l/l/min and 96-hour as optimal time of cultivation. Bringing together the appropriate mathematical models and defined optimal values, the following responses are predicted: residual glycerol of 8.2645 g/l; residual nitrogen of 0.1723 g/l; residual phosphates of 0.5167 g/l; biomass content of 1.5023 g/l; inhibition zone diameters of A. alternata KA10 of 62.62 mm; inhibition zone diameters of A. alternata T1Jg3 of 61.09 mm; inhibition zone diameters of F. avenaceum KA12 of 45.55 mm and inhibition zone diameters of F. avenaceum KA13 of 43.02 mm. The validity of the results was confirmed by performing the biosynthesis of the antagonists of storage apple pathogens in the medium with optimal composition and the optimal process parameters in a laboratory-scale bioreactor with the total volume of 7l. The efficacy of produced antagonistic agents effective against A. alternata (KA10 and T1Jg3) and F. avenaceum (KA12 and KA13) isolates was confirmed in vitro and in planta. The results obtained within this research represents the basis for the further enlargement of the scale, which is a key step towards the potential industrialization of the proposed production process.</p>

<p>Sve veća potreba za hranom kao posledica povećanja broja ljudi &scaron;irom sveta dovela je do intenzifikacije poljoprivrednih aktivnosti usmerenih na direktnu proizvodnju hrane i hrane za životinje. U poslednjih nekoliko decenija sve vi&scaron;e se govori o problemu prekomerne upotrebe hemijskih pesticida, &scaron;to je je rezultovalo degradacijom kvaliteta zemlji&scaron;ta, kao i sve većim zagađenjem podzemnih i povr&scaron;inskih voda. Osim toga, nedovoljno naučnih podataka o uticaju hemijskih jedinjenja koja ulaze u sastav pesticida na zdravlje ljudi izaziva jo&scaron; veći stepen zabrinutosti. Stoga se iznalaženje novih načina za kontrolu biljnih &scaron;tetočina i prevenciju i tretman bolesti biljaka postavlja kao imperativ održive poljoprivredne proizvodnje, a samim tim i održivog razvoja. Jedna od alternativa koje su pokazale najveći potencijal jeste primena biopesticida, koji po svojoj naj&scaron;iroj definiciji predstavljaju žive organizme ili njihove proizvode koji pokazuju sposobnost suzbijanja &scaron;tetočina. Kada su u pitanju mikrobiolo&scaron;ki biopesticidi, bakterije roda <em>Bacillus</em> predstavljaju najzastupljenije mikroorganizme koji se mogu sresti u komercijalno dostupnim proizvodima. Proizvodnja mikrobiolońkih biopesticida, iako u konstantnom porastu, i dalje čini samo mali deo ukupnog svetskog trži&scaron;ta sredstava za za&scaron;titu bilja, najvi&scaron;e zbog visokih tro&scaron;kova i komplikovanog procesa proizvodnje ovog tipa biokontrolnih agenasa. Stoga je kao osnovni cilj istraživanja ove doktorske disertacije postavljena optimizacija uslova umnožavanja i primarnog izdvajanja biomase soja <em>Bacillus velezensis</em> sa primenom za sprečavanje pojave i &scaron;irenja bakterioza povrtarskih useva koje izazivaju fitopatogene vrste roda<em> Xanthomonas</em>, koji u Republici Srbiji izazivaju velike ekonomske gubitke u proizvodnji kupusa, paprike i paradajza. Prvi korak optimizacije bioprocesa podrazumevao je odabir optimalnog izvora ugljenika i organskog izvora azota za biotehnolo&scaron;ku proizvodnju biokontrolnih agenasa, pri čemu su najbolji rezultati dobijeni primenom glicerola i ekstrakta kvasca, &scaron;to je otvorilo mogućnost ispitivanja primene sirovog glicerola iz proizvodnje biodizela kao izvora ugljenika. Nakon toga je usledilo modelovanje sastava hranljive podloge na bazi komercijalnog i sirovog glicerola u pogledu ispitivanja uticaja komponenata podloge (glicerola, ekstrakta kvasca, (NH₄)₂SO₄ i K₂HPO₄) na odabrane odzive (prečnik zona inhibicije i rezidualne koncentracije nutrijenata &ndash; glicerola, ukupnog azota i ukupnog fosfora). Dobijeni matematički modeli posmatranih odziva, za koje je dokazano da su statistički značajni na nivou značajnosti od 95%, dalje su kori&scaron;ćeni za optimizaciju sastava hranljivih podloga. Optimizovan sastav hranljive podloge na bazi komercijalnog glicerola je sledeći: glicerol 10 g/l, ekstrakt kvasca 2,83 g/l, (NH₄)₂SO₄ 3 g/l, K₂HPO₄ 1,07 g/l i MgSO₄∙7H₂O 0,3 g/l. Sa druge strane, optimizovan sastav hranljive podloge na bazi sirovog glicerola dobija se primenom sledećih koncentracija nutrijenata: glicerol 10 g/l, K₂HPO₄ 4,66 g/l i MgSO₄∙7H₂O 0,3 g/l, &scaron;to ukazuje na mogućnost smanjenja tro&scaron;kova pripreme ove hranljive podloge zbog izostavljanja izvora azota. Validacija dobijenih matematičkih modela izvr&scaron;ena je eksperimentima kultivacije proizvodnog mikroorganizma u uvećanim razmerama - u Vulfovim bocama (2 l) i laboratorijskom bioreaktoru (3 l), čiji su rezultati pokazali zadovoljavajuću korelaciju sa modelima predviđenim vrednostima odziva bioprocesa, pri čemu su bolji rezultati dobijeni primenom hranljive podloge na bazi komercijalnog glicerola i kultivacijom proizvodnog mikroorganizma u laboratorijskom bioreaktoru. Unapređenje procesa unakrsne mikrofiltracije kultivacionih tečnosti dobijenih nakon kultivacije proizvodnog mikroorganizma <em>Bacillus velezensis</em> na hranljivoj podlozi na bazi komercijalnog glicerola primenom različitih hidrodinamiĉkih metoda pokazalo je značajan potencijal primene Kenics statičkog me&scaron;ača, uduvavanja vazduha i kombinacije ovih metoda za pobolj&scaron;anje fluksa permeata u stacionarnom stanju.<em> In planta</em> ispitivanje antimikrobne aktivnosti preparata na bazi <em>Bacillus velezensis</em> protiv fitopatogenih sojeva vrste <em>Xanthomonas euvesicatoria</em>, koji izazivaju bakterioznu pegavost paprike, pokazalo je značajan potencijal primene bikontrolnih agenasa na bazi <em>Bacillus velezensis</em> za suzbijanje ovog oboljenja paprike. Ispitivanje &scaron;ireg spektra delovanja preparata na bazi<em> Bacillus velezensis </em>pokazalo je značajan potencijal za suzbijanje oboljenja izazvanih fitopatogenim sojevima roda Fusarium, koji izazivaju truljenje jabuka u toku skladi&scaron;tenja. Rezultati proistekli iz okvira ove doktorske disertacije predstavljaju osnovu za dalje unapređenje i povećanje razmera biotehnolońkog postupka proizvodnje biokontrolnih agenasa na bazi proizvodnog mikroorganizma <em>Bacillus velezensis</em>, uz predlog re&scaron;enja za iskori&scaron;ćenje sirovog glicerola iz proizvodnje biodizela u biotehnolońkom postupku dobijanja proizvoda sa dodatom vredno&scaron;ću.</p> / <p>The raise of human population worldwide requires higher amount of available groceries, which has led to intensification of agricultural activities directed at production of food and feed. In the last few decades the problem of chemical pesticides‟ overuse has resulted in soil deterioration and contamination of surface and underground water reservoirs. Furthermore, insufficient scientific data concerning the chronic effect of chemicals used in pesticides on human health contribute to the global concern when it comes to pesticides‟ usage. Therefore finding new ways to control plant pests and to prevent or suppress plant diseases has become an imperative for sustainable agricultural production and consequently for sustainable development. One of the alternatives showing great potential is usage of biopesticides, comprising of living organisms or their products able to suppress plant pathogens. When it comes to microbial biopesticides, bacteria of the genus Bacillus are the most often used in commercial biocontrol products. Microbial biopesticides, although being a raising alternative, still represent only small share of the global pesticides‟ market, mostly due to expensive and complicated production process. Hence the main goal of the research in the framework of this PhD thesis was to optimize conditions of cultivation and separation processes for production of Bacillus velezensis biomass intended for application in prevention and suppression of plant diseases caused by phytopathogenic species of the genus Xanthomonas, which cause significant economic losses during agricultural production of cabbage, pepper and tomato in the Republic of Serbia. The first step of bioprocess optimization was to choose optimal carbon and organic nitrogen sources for biocontrol agents‟ production, where the best results have been achieved by using glycerol and yeast extract, which opened a new chapter of possibilities to utilize raw glycerol from biodiesel production as carbon source. After that, modeling of cultivation medium composition based on commercial and raw glycerol was performed in order to investigate the effect of cultivation medium components (glycerol, yeast extract, (NH4)2SO4 and K2HPO4) on the selected responses (inhibition zone diameter and residual concentration of nutrients &ndash; glycerol, total nitrogen and total phosphorus). The obtained mathematical models for the selected responses, proved to be statistically significant at the significance level of 95%, were further used for optimization of cultivation media composition. Optimized composition of the cultivation medium based on commercial glycerol was: glycerol 10 g/L, yeast extract 2.83 g/L, (NH4)2SO4 3 g/L, K2HPO4 1.07 g/L and MgSO4∙7H2O 0.3 g/L. On the other hand, optimized composition of the cultivation medium based on raw glycerol was: glycerol 10 g/L, K2HPO4 4.66 g/L and MgSO4∙7H2O 0.3 g/L, which has opened a possibility to reduce cost of cultivation medium preparation by excluding nitrogen sources. Validation of the obtained mathematical models was carried out by cultivating the producing microorganism at a larger scale &ndash; in Woulff bottles (2 L) and in a laboratory-scale bioreactor (3 L). Validation results were in good correlation with the model predicted values of the selected responses, where better results were achieved by using cultivation medium based on commercial glycerol and cultivation of the producing microorganism in the laboratory-scale bioreactor. Application of different hydrodynamic methods, such as Kenics static mixer, air sparging and their combination, has showed a significant potential for improvement of cross flow microfiltration of Bacillus velezensis cultivation broth based on commercial glycerol in terms of permeate flux enhancement. Also, significant potential of the Bаcillus velezensis cultivation broth for suppression of phytopathogenic Xanthomonas euvesicatoria strains, which cause bacterial spot of pepper, has been proven during in planta experiments. Investigation of wider spectra of antimicrobial activity expressed by preparation based on Bаcillus velezensis cultivation broth has revealed a significant potential for suppression of Fusarium phytopathogenic species responsible for apple rot during storage. The results arising from the research performed in the framework of this PhD thesis represent solid basis for further improvement and scale-up of biotechnological process for production of biocontrol agents based on Bacillus velezensis, with a proposal for utilization of raw glycerol from biodiesel production in biotechnological production of value-added products.</p>

<p>Потражња за ксантаном, од момента његовог открића шездесетих година двадесетог века, константно се повећава због његове широке употребне вредности у различитим гранама индустрије, а процењује се да ће тржишна вредност овог значајног биополимера у 2020. години износити 987,7 милиона америчких долара. Биотехнолошка производња ксантана,&nbsp; микробиолошког секундарног метаболита, је каракте-ристична по неспецифичности угљенохидратног супстрата, минималним потребама за нутријенатима и огромним захтевима за процесном водом. Стандарди квалитета процесне воде су специфични и условљени примењеним биокатализаторима. Како квалитет ове воде одговара квалитету воде за пиће, ограниченост водних ресурса и трошкови припреме воде захтеваног квалитета намећу потребу за проналажењем алтернативних супстрата. Све наведено указује да се за биосинтезу овог тржишно вредног биопроизвода могу употребити отпадне воде које генерише индустрија вина. С обзиром да је производња ксантана веома захтевна и у погледу регулације процесних параметара одговорних за растворљивост кисеоника велики напори непрестано се улажу у унапређење овог сегмента биопроцеса.</p><p>Основни циљ ове докторске дисертације је оптимизација производње ксантана у лабораторијском биореактору одговарајућих геометријских односа запремине 7 l, метаболичком активношћу референтног соја Xanthomonas campestris ATCC 13951 на култивационом медијуму оптималне формулације чија су основа отпадне воде винарија, у погледу процесних параметара значајних за садржај раствореног кисеоника.</p><p>У оквиру истраживања која су обухваћена овом докторском дисертацијом оптимизација вредности процесних параметара значајних за садржај раствореног кисеоника изведена је применом методе жељене функције у комбинацији са дефинисаним математичким моделима. Као услови задати су максимална продукција ксантана којег карактерише максимална молекулска маса, али и максималан вискозитет раствора. Дефинисане оптималне вредности испитиваних фактора, при којима жељена функција има највећу вредност (0,969), су температура од 29,33&deg;C, интензитет аерације од 1,95 l/l/min и брзина мешања од 475,54 o/min, док су моделом предвиђене вредности показатеља тока, као и показатеља успешности биосинтезе ксантана следеће: садржај биомасе од 137,34&bull;108 cfu/ml, садржај раствореног кисеоника од 10,15%, садржај шећера од 2,84 g/l, садржај укупног азота од 137,56 mg/l, садржај асимилабилног азота од 4,78 mg/l, садржај укупног фосфора од 5,18 mg/l, вискозитет култивационе течности од 237,92 mPa&bull;s, садржај ксантана од 24,18 g/l, молекулска маса ксантана од 7,73&bull;105 g/mol и вискозитет раствора ксантана од 60,48 mPa&bull;s.&nbsp; На основу резултата оптимизације изведена је производна фаза биопроцеса на температури од 29&deg;C, при интензитету аерације од 2 l/l/min и брзини мешања од 475 o/min при чему је добијен садржај ксантана, одговарајућег квалитета, од<br />23,85 g/l и остварен степен конверзије извора угљеника у производ од 79,17%, док садржај раствореног кисеоника није опао испод критичне вредности.</p><p>Са технолошког аспекта, резултати ових истраживања представљају поуздан извор информација за увећање размера предложеног биопроцеса и пројектовање биореактора одговарајућих карактеристика.</p> / <p>Potražnja za ksantanom, od momenta njegovog otkrića šezdesetih godina dvadesetog veka, konstantno se povećava zbog njegove široke upotrebne vrednosti u različitim granama industrije, a procenjuje se da će tržišna vrednost ovog značajnog biopolimera u 2020. godini iznositi 987,7 miliona američkih dolara. Biotehnološka proizvodnja ksantana,&nbsp; mikrobiološkog sekundarnog metabolita, je karakte-ristična po nespecifičnosti ugljenohidratnog supstrata, minimalnim potrebama za nutrijenatima i ogromnim zahtevima za procesnom vodom. Standardi kvaliteta procesne vode su specifični i uslovljeni primenjenim biokatalizatorima. Kako kvalitet ove vode odgovara kvalitetu vode za piće, ograničenost vodnih resursa i troškovi pripreme vode zahtevanog kvaliteta nameću potrebu za pronalaženjem alternativnih supstrata. Sve navedeno ukazuje da se za biosintezu ovog tržišno vrednog bioproizvoda mogu upotrebiti otpadne vode koje generiše industrija vina. S obzirom da je proizvodnja ksantana veoma zahtevna i u pogledu regulacije procesnih parametara odgovornih za rastvorljivost kiseonika veliki napori neprestano se ulažu u unapređenje ovog segmenta bioprocesa.</p><p>Osnovni cilj ove doktorske disertacije je optimizacija proizvodnje ksantana u laboratorijskom bioreaktoru odgovarajućih geometrijskih odnosa zapremine 7 l, metaboličkom aktivnošću referentnog soja Xanthomonas campestris ATCC 13951 na kultivacionom medijumu optimalne formulacije čija su osnova otpadne vode vinarija, u pogledu procesnih parametara značajnih za sadržaj rastvorenog kiseonika.</p><p>U okviru istraživanja koja su obuhvaćena ovom doktorskom disertacijom optimizacija vrednosti procesnih parametara značajnih za sadržaj rastvorenog kiseonika izvedena je primenom metode željene funkcije u kombinaciji sa definisanim matematičkim modelima. Kao uslovi zadati su maksimalna produkcija ksantana kojeg karakteriše maksimalna molekulska masa, ali i maksimalan viskozitet rastvora. Definisane optimalne vrednosti ispitivanih faktora, pri kojima željena funkcija ima najveću vrednost (0,969), su temperatura od 29,33&deg;C, intenzitet aeracije od 1,95 l/l/min i brzina mešanja od 475,54 o/min, dok su modelom predviđene vrednosti pokazatelja toka, kao i pokazatelja uspešnosti biosinteze ksantana sledeće: sadržaj biomase od 137,34&bull;108 cfu/ml, sadržaj rastvorenog kiseonika od 10,15%, sadržaj šećera od 2,84 g/l, sadržaj ukupnog azota od 137,56 mg/l, sadržaj asimilabilnog azota od 4,78 mg/l, sadržaj ukupnog fosfora od 5,18 mg/l, viskozitet kultivacione tečnosti od 237,92 mPa&bull;s, sadržaj ksantana od 24,18 g/l, molekulska masa ksantana od 7,73&bull;105 g/mol i viskozitet rastvora ksantana od 60,48 mPa&bull;s.&nbsp; Na osnovu rezultata optimizacije izvedena je proizvodna faza bioprocesa na temperaturi od 29&deg;C, pri intenzitetu aeracije od 2 l/l/min i brzini mešanja od 475 o/min pri čemu je dobijen sadržaj ksantana, odgovarajućeg kvaliteta, od<br />23,85 g/l i ostvaren stepen konverzije izvora ugljenika u proizvod od 79,17%, dok sadržaj rastvorenog kiseonika nije opao ispod kritične vrednosti.</p><p>Sa tehnološkog aspekta, rezultati ovih istraživanja predstavljaju pouzdan izvor informacija za uvećanje razmera predloženog bioprocesa i projektovanje bioreaktora odgovarajućih karakteristika.</p> / <p>Demand for xanthan has been increasing since its discovery in the 1960s due to its wide application in various branches of industry, and it is estimated that market value of this important biopolymer will rise up to<br />987.7 million US dollars by 2020. Biotechnological production of xanthan, a secondary microbial metabolite, is characterized by its non-specific carbon substrate, minimal nutrient and large process water requirements. Process water quality standards are specific and conditioned by the used biocatalysts. Since the quality of this water matches the quality of drinking water, limited water resources and costs of preparing water of the required quality result in the need for alternative substrates. The aforementioned suggests that winery wastewaters could be used for the biosynthesis of this valuable bioproduct. Since xanthan production is very complicated regarding regulation of process parameters responsible for oxygen solubility, great efforts are investing in the improvement of this particular bioprocess segment.</p><p>The main goal of this PhD thesis is to optimize xanthan production in a 7 L laboratory bioreactor of specific geometric ratio, using the metabolic activity of the Xanthomonas campestris ATCC 13951 reference strain in optimal cultivation media based on winery wastewaters, focusing on process parameters significant for the content of dissolved oxygen.</p><p>Within the research of this PhD thesis, optimization of process parameters significant for the content of dissolved oxygen was performed using the desirability function approach combined with defined mathematical models. The set conditions were the maximum production of xanthan characterized by maximum molecular weight as well as maximum solution viscosity. The defined optimal values for which the desirability function has the highest value (0.969) were temperature of 29.33&deg;C, aeration rate of 1.95 vvm and agitation speed of 475.40 rpm, while the model predicted values of the indicators of the course and the success of xanthan biosynthesis were: biomass content of 137.34&bull;108 cfu/mL, dissolved oxygen content of 10.15%, sugar content of 2.84 g/L, total nitrogen content of 137.56 mg/L, assimilable nitrogen content of 4.78 mg/L, total phosphorus content of 5.18 mg/L, cultivation broth viscosity of 237.92 mPa&bull;s, xanthan content of<br />24.18 g/L, xanthan molecular weight of 7.73&bull;105 g/mol and xanthan solution viscosity of 60.48 mPa&bull;s. Based on optimization results, the production phase of the bioprocess was performed at a temperature of&nbsp; 29&deg;C, aeration rate of 2 vvm and agitation speed of 475 rpm, which resulted in the high quality xanthan content of 23.85 g/L and conversion rate of carbon source into product of 79.17%, while dissolved oxygen content did not decrease below its critical value.</p><p>From a technological aspect, the results of this research represent a reliable source of data for scaling up the suggested bioprocess and designing a bioreactor with the required characteristics.</p>

<p>Све обимнија индустријализација која је одговор на захтеве потрошачког друштва, велики је експлоататор ресурса и генератор, поред жељеног производа и великих количина отпадних токова. У највећем број случајева индустријски ефлуенти бивају испуштени у природне реципијенте јер већ њихова примарна обрада изискује додатна улагања. Развојем технике и технологије омогућена је примена биопроцеса у ову сврху, али само искоришћење отпадних вода као сировине за биотехнолошку производњу обећава симултану заштиту животне средине и економску добит, односно представља решење проблема које је одрживо.<br />У оквиру истраживања која су обухваћена овом докторском дисертацијом доказана је могућности примене отпадних вода прехрамбене индустрије као основе култивационог медијума у биотехнолошкој производњи биополимера ксантана. Полазни корак за индустријализацију предложеног поступка је развој симулационог модела који у највећој мери треба да опише реалну ситуацију у материјалном, енергетском, еколошком и економском смислу. Реализација оваквог циља захтева познавање узрочно-последичне везе између метаболичке активности примењеног биокатализатора и процесних услова међу којима је веома значајан састав култивационог медијума.<br />У ту сврху извршена је карактеризација 18 отпадних вода које припадају различитим гранама преграмбене индустрије и потврђена могућност њихове примене као основе култивационог медијума за биотехнолошку производњу ксантана. Експериментално је потврђена могућност производње ксантана на овим ефлуентима применом производног микроорганизма Xanthomonas campestris ATCC 13951, извођењем биопроцеса у биореактору стандардних геометријских односа, запремине 2 l. Оптимизација састава култивационог медијума са отпадним водама одабраних грана прехрамбене индустрије, у погледу најзначајнијих нутријената и са циљем добијања што већег садржаја жељеног производа, изведена је применом методе жељене функције. У наставку истраживања, дефинисана је кинетика биосинтезе ксантана у биореактору запремине 7 l, а добијени кинетички модели за умножавање биомасе (логистичка једначина), настајање производа (Luedeking-Piret-ова једначина) и потрошњу извора угљеника (модификована Luedeking-Piret-ова једначина)) су искоришћени за развој симулационог модела биопроцеса производње ксантана применом ефлуената прехрамбене индустрије.<br />Генерисаним симулационим моделом производње ксантана применом отпадних ефлуената различитих грана прехрамбене индустрије су предвиђени првенствено процесни, а потом и економски показатељи овог биотехнолошког процеса. Са технолошког аспекта, резултати ових истраживања представљају поуздан извор информација за дефинисање идејног решења предложеног биопроцеса који је основа за израду главног технолошког пројекта.</p> / <p>Sve obimnija industrijalizacija koja je odgovor na zahteve potrošačkog društva, veliki je eksploatator resursa i generator, pored željenog proizvoda i velikih količina otpadnih tokova. U najvećem broj slučajeva industrijski efluenti bivaju ispušteni u prirodne recipijente jer već njihova primarna obrada iziskuje dodatna ulaganja. Razvojem tehnike i tehnologije omogućena je primena bioprocesa u ovu svrhu, ali samo iskorišćenje otpadnih voda kao sirovine za biotehnološku proizvodnju obećava simultanu zaštitu životne sredine i ekonomsku dobit, odnosno predstavlja rešenje problema koje je održivo.<br />U okviru istraživanja koja su obuhvaćena ovom doktorskom disertacijom dokazana je mogućnosti primene otpadnih voda prehrambene industrije kao osnove kultivacionog medijuma u biotehnološkoj proizvodnji biopolimera ksantana. Polazni korak za industrijalizaciju predloženog postupka je razvoj simulacionog modela koji u najvećoj meri treba da opiše realnu situaciju u materijalnom, energetskom, ekološkom i ekonomskom smislu. Realizacija ovakvog cilja zahteva poznavanje uzročno-posledične veze između metaboličke aktivnosti primenjenog biokatalizatora i procesnih uslova među kojima je veoma značajan sastav kultivacionog medijuma.<br />U tu svrhu izvršena je karakterizacija 18 otpadnih voda koje pripadaju različitim granama pregrambene industrije i potvrđena mogućnost njihove primene kao osnove kultivacionog medijuma za biotehnološku proizvodnju ksantana. Eksperimentalno je potvrđena mogućnost proizvodnje ksantana na ovim efluentima primenom proizvodnog mikroorganizma Xanthomonas campestris ATCC 13951, izvođenjem bioprocesa u bioreaktoru standardnih geometrijskih odnosa, zapremine 2 l. Optimizacija sastava kultivacionog medijuma sa otpadnim vodama odabranih grana prehrambene industrije, u pogledu najznačajnijih nutrijenata i sa ciljem dobijanja što većeg sadržaja željenog proizvoda, izvedena je primenom metode željene funkcije. U nastavku istraživanja, definisana je kinetika biosinteze ksantana u bioreaktoru zapremine 7 l, a dobijeni kinetički modeli za umnožavanje biomase (logistička jednačina), nastajanje proizvoda (Luedeking-Piret-ova jednačina) i potrošnju izvora ugljenika (modifikovana Luedeking-Piret-ova jednačina)) su iskorišćeni za razvoj simulacionog modela bioprocesa proizvodnje ksantana primenom efluenata prehrambene industrije.<br />Generisanim simulacionim modelom proizvodnje ksantana primenom otpadnih efluenata različitih grana prehrambene industrije su predviđeni prvenstveno procesni, a potom i ekonomski pokazatelji ovog biotehnološkog procesa. Sa tehnološkog aspekta, rezultati ovih istraživanja predstavljaju pouzdan izvor informacija za definisanje idejnog rešenja predloženog bioprocesa koji je osnova za izradu glavnog tehnološkog projekta.</p> / <p>Increasing industrialization as a response to the demands of the consumer society greatly exploits resources and generates large amounts of waste effluents in addition to the desired product. In most cases industrial effluents are discharged into the natural environment because even their primary processing requires additional investments. The development of biotechnology has enabled bioprocesses to be used for this purpose, and using wastewaters as raw materials for biotechnological production simultaneously provides preservation of the environment and economic benefits which is a sustainable solution to the problem.<br />Within the research covered in this doctoral thesis it was proven it is possible to use food and beverage industry wastewaters as a basis for the cultivation media in the biotechnological production of xanthan. The starting step in industrializing the suggested process is to develop a simulation model which best represents the realistic situation and its material, energy, environmental and economic aspects. Realizing this goal requires the author/researcher to be familiar with the causal link between the metabolic activity of the used biocatalyst and process conditions among which the composition of the cultivation media is very significant.<br />In order to accomplish this goal, 18 wastewaters from different branches of the food and beverage industry were characterized and were confirmed to have the capability to be used as a cultivation media for the biotechnological production of xanthan. Experiments confirmed the possibility of producing xanthan on these effluents using the production microorganism Xanthomonas campestris ATCC 13951 in a 2 liter bioreactor of standard geometric characteristics. Composition of the cultivation media based on the wastewaters of the selected food and beverage industry branches was optimized using the desirability function method, focusing on the most significant nutrients and with the goal of obtaining the maximum amount of the desired product. In further research, the kinetics of xanthan biosynthesis in a 7 liter bioreactor were defined, and the obtained kinetic models for biomass multiplication (logistic equation), product formation (Luedeking-Piret equation) and carbon source consumption (modified Luedeking-Piret equation) were used to develop a simulation model of the xanthan production bioprocess using food and beverage processing industry effluents.<br />The generated simulation model of xanthan production using waste effluents of different branches of the food and beverage industry predicts primarily the process but also the economic indicators of this biotechnological process. From a technological perspective, the results of this research represent a reliable source of information for defining a general design of the suggested bioprocess as a basis for the creation of a major biotechnological project.</p>