<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, 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°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•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•s, садржај ксантана од 24,18 g/l, молекулска маса ксантана од 7,73•105 g/mol и вискозитет раствора ксантана од 60,48 mPa•s. На основу резултата оптимизације изведена је производна фаза биопроцеса на температури од 29°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, 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°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•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•s, sadržaj ksantana od 24,18 g/l, molekulska masa ksantana od 7,73•105 g/mol i viskozitet rastvora ksantana od 60,48 mPa•s. Na osnovu rezultata optimizacije izvedena je proizvodna faza bioprocesa na temperaturi od 29°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°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•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•s, xanthan content of<br />24.18 g/L, xanthan molecular weight of 7.73•105 g/mol and xanthan solution viscosity of 60.48 mPa•s. Based on optimization results, the production phase of the bioprocess was performed at a temperature of 29°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>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uns.ac.rs/oai:CRISUNS:(BISIS)102400 |
| Date | 28 December 2016 |
| Creators | Rončević Zorana |
| Contributors | Dodić Jelena, Grahovac Jovana, Savić Dragiša |
| Publisher | Univerzitet u Novom Sadu, Tehnološki fakultet Novi Sad, University of Novi Sad, Faculty of Technology at Novi Sad |
| Source Sets | University of Novi Sad |
| Language | Serbian |
| Detected Language | Unknown |
| Type | PhD thesis |
Page generated in 0.0033 seconds