Evaluation of Ulva lactuca as feedstock for fermentation by Clostridia

Abstract

Macroalgae are an abundant and underutilized renewable feedstock that can be exploited for the production of various low- and high-value biomolecules. The study herein describes a mild procedure for the hydrolysis of carbohydrates in Ulva lactuca, with an emphasis on rhamnose, and assesses the ability of selected Clostridia species (Clostridium strain AK1, Clostridium beijerinckii, Caldicellulosiruptor saccharolyticus, and Caldicellulosiruptor hydrothermalis) to ferment L-rhamnose from Ulva lactuca to 1,2-propanediol (1,2-PD). The impact of culture conditions (pH and initial substrate concentration) on rhamnose fermentation was investigated in batch culture. Generally, pH did not influence the production of 1,2-PD and all strains showed substrate inhibition above 40 mM of rhamnose with strain AK1 being sensitive to initial concentrations above 20 mM. Clostridium strain AK1 demonstrated the highest 1,2-PD yields on rhamnose and was selected for further study. A kinetic examination of rhamnose utilization shows that the utilization of the substrate is much slower than glucose catabolism with 1,2-PD production lagging and reaching a maximum concentration of 7,7 mM (57% yield). When Clostridium strain AK1 was cultivated on Ulva lactuca hydrolysates and non-pretreated Ulva lactuca, the maximum yields were 0,6 g/L 1,2-PD. Clostridium strain AK1 is a potentially promising organism for the consolidated bioprocessing of green macroalgae.

Stórþörunga má nota sem endurnýjanlegt hráefni í framleiðslu á ýmsumlífefnum. Í rannsókn þessari er lýst mildri aðferð til vatnsrofs á sykrum grænþörungsins Ulva lactuca og hæfni valinna Clostridia tegunda (Clostridium stofn AK1, Clostridium beijerinckii, Caldicellulosiruptor saccharolyticus og Caldicellulosiruptor hydrothermalis) til gerjunar áL-ramnósa úr Ulva lactuca í 1,2-própandíól (1,2-PD). Áhrif breytilegraumhverfisaðstæðna (pH og kolefnisgjafastyrks) á gerjun ramnósa var skoðuð í loturækt. Sýrustig hafði almennt ekki áhrif á 1,2-PD framleiðslu stofnanna.Stofnar Cl. beijerinckii, C. saccharolyticus og C. hydrothermalis sýnduhvarfefnahindrun við ramnósastyrk hærri en 40 mM. Clostridium stofn AK1sýndi hvarfefnahindrun við ramnósastyrk hærri en 20 mM. Clostridium stofn AK1 gaf hæstu 1,2-PD heimtur á ramnósa og var í kjölfarið skoðaður nánar. Tímatilraun leiddi í ljós að niðurbrot ramnósa tekur mun lengri tíma en niðurbrot glúkósa. 1,2-PD framleiðsla hefst með nokkurs konar biðfasa og nær að hámarki 7,7 mM (57% heimtur). Þegar Clostridium stofn AK1 var ræktaður á Ulva lactuca vatnsrofslausnum og ómeðhöndluðum stórþörungi voru hæstu heimtur 0,6 g/L af 1,2-PD. Því er ályktað að Clostridium stofn AK1 gæti verið álitlegur kostur til meðhöndlunar þörungalífmassa með CBP-tækni (e. consolidated bioprocessing).