Effect of Organic Substrate on Promoting Solventogenesis in Ethanologenic Acetogene Clostridium Ljungdahlii ATCC 55383

كلستريديوم لانگالي يك باكتري استوژن به شدت بي‌هوازي است كه توانايي تخمير گروه وسيعي از سوبستراها به اتانول و استات را دارد . در طي اين فرايند باكتري مسير متابوليكي پيچيده‌اي از خود نشان مي‌دهد كه هر دو فاز استوژنيك (توليد اسيد) و سالونتوژنيك (توليد حلال) را شامل مي‌شود. در اين تحقيق، تاثير منابع مختلف كربني روي آغاز شيفت متابوليكي به سمت فاز توليد الكل بررسي گرديد. فرايند رشد باكتري در بيوراكتور ناپيوسته و در محيط‌هاي فروكتوز، گلوكز، استات و اتانول انجام گرفت. نتايج فرايند تخمير ناپيوسته نشان داد كه استفاده از فروكتوز به عنوان سوبستراي آلي منجر به بهبود توليد اتانول (1/27 ميلي مول در ليتر) نسبت به استات (3/26 ميلي مول در ليتر) شد، در حالي كه گلوكز عمدتاً به استات متابوليز گرديد. سلول‌ها مي‌توانستند هم اتانول را مصرف و هم آن را توليد كنند (25 ميلي‌ مول) كه احتمالاً اين دو فرايند از طريق مسيرهاي متابوليكي متفاوت اتفاق مي‌افتاد. وجود استات به عنوان منبع كربني در محيط كشت مسير متابوليكي سلول‌ها را به سمت فاز سالونتوژنيك تغيير داد، با وجود اين توليد اتانول در اين حالت قابل توجه نبود (5/3 ميلي مول در ليتر). همچنين، تلاش شد تا بازده توليد اتانول با تغيير غلظت فروكتوز (1 تا 11 گرم در ليتر) بهبود پيدا كند. در شرايط كمبود سوبسترا و يا در غلظت‌هاي بالاي سوبسترا رشد سلول كاهش يافت و مسير متابوليكي به سمت فاز توليد حلال شيفت نكرد. غلظت فروكتوز 5 گرم در ليتر به عنوان غلظت بهينه تعيين گرديد كه در آن بازده مولي توليد اتانول نسبت به استات 1 به 1 بود.

Clostridium ljungdahlii is a strictly anaerobic acetogene known for its ability to ferment a wide variety of substrates to ethanol and acetate. This bacterium presents a complex anaerobic metabolism including the acetogenic and solventogenic phases. In this study, the effect of various carbon sources on triggering the metabolic shift toward solventogenesis was considered. The bacterium was grown on fructose, glucose, acetate and ethanol in batch cultures. The fermentation results demonstrated that fructose improved ethanol production (27.1 mM) over acetate (26.3 mM), but glucose was predominantly metabolized to acetate. The bacterial cells were able to either utilize or produce ethanol (25 mM) probably through different metabolic pathways. The presence of acetate as the carbon source in the culture shifted the metabolic pathway of the cells toward solventogenic phase, but the amount ethanol formation was not considerable (3.5 mM). It was also attempted to improve ethanol production yield by varying the fructose concentration (1 to11 g/L) in the batch culture. Under the conditions of substrate depletion or high fructose concentrations, the cell growth declined and the metabolic pathway of C. ljungdahlii was unable to switch from acetogenesis to solventogenesis. The fructose concentration of 5 g/L was found as the suitable concentration to yield an ethanol to acetate molar ratio of 1:1.