Optimalizace podmínek kultivace řasových kultur ve fotobioreaktorech
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická
Abstract
Předložená diplomová práce je zaměřena na optimalizaci kultivace kmenů Hameatococcus pluvialis ve fotobioreaktorech a biotechnologickou produkci astaxanthinu. V teoretické části byly shrnuty poznatky o podmínkách pro optimální růst a produkci sekundárních metabolitů. Dále byly charakterizovány aktuální kultivační systémy a možnosti monitoringu metabolitů a živin. V rámci experimentální části byla stanovena růstová charakteristika kmenu z Březové nad Svitavou HMP – CCALA 375 za optimálních podmínek na bílém a červeném světle. V průběhu růstu kultury byl studován také profil karotenoidů a jejich koncentrace. Vyšší výtěžek biomasy byl dosažen v kultivaci s bílým světlem (0,939 g/l). Z hlediska obsahu karotenoidů byly u obou kultivací dominujícími pigmenty lutein a -karoten. Další experimenty byly zaměřeny na stanovení optimálních růstových podmínek pro vybrané čtyři kmeny H. pluvialis z Německa, Ameriky, Afriky a Švýcarska. Jako nejvhodnější médium pro kultivaci bylo vyhodnoceno BBM, naopak nejhorší výsledky byly zaznamenány u BG11. Teplota kultivace 22°C byla v předchozích experimentech stanovena jako optimum pro srovnávací kmen HMP - CCALA 375. Vybrané čtyři kmeny byly podrobeny kultivaci nejen při 22°C, ale i při teplotě 25 °C. Kultivace při vyšší teplotě se ukázala být vhodná hlavně pro švýcarský, německý i africký kmen. Analýzou změny osvětlení bylo zjištěno, že je výhodnější kulturu předem adaptovat na nižší osvětlení (50 µmol fotonů•m^-2•s^-1) a poté zvýšit intenzitu na 100-150 µmol fotonů•m^-2•s^-1. Nejlepších růstových výsledků dosahoval švýcarský kmen, který by mohl být využitelný pro komerční produkci astaxanthinu. V poslední části práce byl zkoumán vliv stresových podmínek na produkci astaxanthinu kmenem z Březové nad Svitavou HMP – CCALA 375. Jako stresové faktory byly použity vysoké osvětlení (1 000 µmol fotonů•m^-2•s^-1), nízká koncentrace dusíku (32,96 mg/l), přídavek chloridu sodného (0,5%), vliv octanu sodného (2,2 mM) a kombinace chloridu a octanu sodného (0,5% NaCl, 2mM NaAc). Při vysokém osvětlení (1 000 µmol fotonů•m^-2•s^-1) bylo dosaženo největší akumulace astaxanthinu, která přesahovala 20 mg/g sušiny. Významný výtěžek byl pozorován i v kultivaci s přídavkem octanu sodného (9,2 mg/g) vzhledem k publikovaným hodnotám [103, 105]. Naopak minimální nárůst vykazovala kultura rostoucí v prostředí solného stresu (3,8 mg/g). V navazujících experimentech bude zkoumán vliv vhodných kombinací stresových faktorů nejen na kmen HMP – CCALA 375, ale i na jiné perspektivní kmeny H. pluvialis s cílem dosáhnout nadprodukce astaxanthinu významné pro velkoobjemovou kultivaci.
Presented diploma thesis is focused on the optimisation of Haematococcus pluvialis cultivations in different photobioreactors and on biotechnological production of astaxanthin. Theoretical part summarized the knowledge about optimal growth and production conditions of secondary metabolites. Followed research was focused on actual cultivation systems and on the possibilities of metabolite and nutrient monitoring. In experimental part the growth characteristic of the strain from Březova nad Svitavou (HMP-CCALA 375) was analyzed under optimal cultivation conditions on white and red light. During culture growth the profile and the concentration of carotenoid pigments were determined. The best yield of biomass was achieved in the cultivation on white light (0,939 g/l),carotenoids lutein and -carotene were observed as dominant pigments. In the next experiments optimal growth medium, temperature and light intensity were determined for cultivations of four chosen HMP strains from Germany, America, Africa and Switzerland. The most suitable cultivation medium was found BBM, oppositely the worst results were obtained with BG11. In previous experiments cultivation temperature 22 °C was determined as optimal value for comparative strain HMP – CCALA 375. Selected four strains were cultivated at 22 °C, as well as at 25 °C. Higher temperature was more optimal mainly for Switzerland, German and Africa strains. By analyzing of light intensity influence, it was found that the best increase of biomass was induced by the adaptation of culture on lower illumination (50 µmol photones•m^-2•s^-1) followed by higher light intensity (100 - 150 µmol photones•m^-2•s^-1). HMP from Switzerland showed the best growth results during all cultivation experiments, so this strain could be perhaps useful for industrial production of astaxanthin. In the last part of work, the influence of stress conditions on astaxanthin production by strain from Březova nad Svitavou (HMP – CCALA 375) was studied. Followed stress factors were used: high intensity of light (1 000 µmol photones•m^-2•s^-1), low nitrogen concentration (32,96 mg/l), addition of sodium chloride (0,5%), influence of sodium acetate (2,2 mM) and combination of sodium chloride and sodium acetate (0,5% NaCl, 2mM NaAc). Due to strong illumination (1 000 µmol photones•m^-2•s^-1) the best yield of astaxanthin was obtained (more than 20 mg/g). According to literature [103, 105] significant amount was also observed by addition of sodium acetate (9,2 mg/g). Oppositely minimal astaxanthin production was showed in presence of salt stress (3,8 mg/g). In followed experiments should be studied the influence of stress combinations on HMP – CCALA 375 strain as well as on other suitable strains of H. pluvialis with the aim to achieve the maximal yield of astaxanthin significant for large scale cultivation.
Presented diploma thesis is focused on the optimisation of Haematococcus pluvialis cultivations in different photobioreactors and on biotechnological production of astaxanthin. Theoretical part summarized the knowledge about optimal growth and production conditions of secondary metabolites. Followed research was focused on actual cultivation systems and on the possibilities of metabolite and nutrient monitoring. In experimental part the growth characteristic of the strain from Březova nad Svitavou (HMP-CCALA 375) was analyzed under optimal cultivation conditions on white and red light. During culture growth the profile and the concentration of carotenoid pigments were determined. The best yield of biomass was achieved in the cultivation on white light (0,939 g/l),carotenoids lutein and -carotene were observed as dominant pigments. In the next experiments optimal growth medium, temperature and light intensity were determined for cultivations of four chosen HMP strains from Germany, America, Africa and Switzerland. The most suitable cultivation medium was found BBM, oppositely the worst results were obtained with BG11. In previous experiments cultivation temperature 22 °C was determined as optimal value for comparative strain HMP – CCALA 375. Selected four strains were cultivated at 22 °C, as well as at 25 °C. Higher temperature was more optimal mainly for Switzerland, German and Africa strains. By analyzing of light intensity influence, it was found that the best increase of biomass was induced by the adaptation of culture on lower illumination (50 µmol photones•m^-2•s^-1) followed by higher light intensity (100 - 150 µmol photones•m^-2•s^-1). HMP from Switzerland showed the best growth results during all cultivation experiments, so this strain could be perhaps useful for industrial production of astaxanthin. In the last part of work, the influence of stress conditions on astaxanthin production by strain from Březova nad Svitavou (HMP – CCALA 375) was studied. Followed stress factors were used: high intensity of light (1 000 µmol photones•m^-2•s^-1), low nitrogen concentration (32,96 mg/l), addition of sodium chloride (0,5%), influence of sodium acetate (2,2 mM) and combination of sodium chloride and sodium acetate (0,5% NaCl, 2mM NaAc). Due to strong illumination (1 000 µmol photones•m^-2•s^-1) the best yield of astaxanthin was obtained (more than 20 mg/g). According to literature [103, 105] significant amount was also observed by addition of sodium acetate (9,2 mg/g). Oppositely minimal astaxanthin production was showed in presence of salt stress (3,8 mg/g). In followed experiments should be studied the influence of stress combinations on HMP – CCALA 375 strain as well as on other suitable strains of H. pluvialis with the aim to achieve the maximal yield of astaxanthin significant for large scale cultivation.
Description
Citation
BYRTUSOVÁ, D. Optimalizace podmínek kultivace řasových kultur ve fotobioreaktorech [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická. 2016.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Chemie pro medicínské aplikace
Comittee
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Vladimír Velebný, CSc. (člen)
prof. Ing. Oldřich Zmeškal, CSc. (člen)
Date of acceptance
2016-05-30
Defence
Diviš: graf 11 -nárůst a pokles počtu karotenů
graf 14 – nespojitost v růstu kmenů nutrientů
Obruča: proč bylo použito k osvětlení záření v oblasti červeného spektra
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení