جدا‏سازي، شناسايي و بهينه‌سازي باكتري‌هاي توليدكننده اتانول از فرآيند تخمير با پايه ساكاروميسس در صنايع الكل‌سازي ايران

Isolation, identification and optimization of ethanol producing bacteria from Saccharomyces-based fermentation process of alcohol industries in Iran

مقدمه: با توجه به رشد جمعيت جهان، مصرف زياد انرژي، محدوديت منابع نفتي تامين كننده انرژي و افزايش قيمت سوخت در آينده، جايگزيني منبع انرژي ديگر امري ضروري است. اتانول سوخت تجديدپذير و بي‌خطر بوده و توليد جهاني آن بيشتر بر پايه تخمير ميكروبي است. جداسازي باكتري‌ها از تانك‌هاي تخمير صنايع الكل‌سازي و بهينه‌سازي شرايط رشد آن‌ها به منظور يافتن جدايه‌هايي با توان بالاي توليد اتانول براي معرفي به صنعت، از اهداف اين پژوهش بود. مواد و روش‏‏ها: نمونه‌هاي جمع‌آوري شده از تانك تخمير كارخانجات الكل‌سازي در محيط كشت مايع ZSM، غني‌سازي شد. سپس، براي جداسازي باكتري‌هاي توليد كننده اتانول، به محيط كشت محتوي آگار RMA منتقل شد. بهينه‌سازي شرايط رشد جدايه‌ها و تاثير آن بر توليد اتانول شامل: درجه حرارت رشد، اسيديته، زمان تخمير، هوادهي، غلظت اوليه سوبسترا و منابع كربن و نيتروژن بررسي شد. همچنين، براي شناسايي جدايه‌ها، مشخصات ريخت شناسي، فيزيولوژيك و مولكولي مطالعه شد. نتايج: سه جدايه باكتريايي ZYM7، ZYM8 و ZYM9، از تانك تخمير اتانول جداسازي شد. هر سه جدايه توانايي توليد اتانول را نشان داد و پس از 48 ساعت گرماگذاري، به ترتيب 00/5، 60/7 و 00/4 گرم بر ليتر اتانول، اندازه‌گيري شد. نتايج نشان داد كه هر سه جدايه علاوه بر مصرف بيشتر قندها، توانايي مصرف قند پنج‌كربنه زايلوز را داشتند. جدايه ZYM7 توانست با مصرف زايلوز، بيش‏ترين اتانول به مقدار 00/13 گرم بر ليتر را توليد كند. بررسي مشخصات ريخت‏شناسي و فيزيولوژيك جدايه‏‌ها نشان داد كه جدايه ZYM7 به جنس لاكتوباسيلوس و جدايه‌هاي ZYM8 و ZYM9 به جنس استوباكتر متعلق بود. همچنين، بررسي توالي ژن 16S rRNA و رسم درخت فيلوژني نشان داد كه جدايه ZYM7، داراي 99 درصد هومولوژي با لاكتوباسيلوس رامنوسوس و جدايه‏هاي ZYM8 و ZYM9 به ترتيب داراي 99 و 97 درصد هومولوژي با استوباكتر پاستيوريانوس بودند. بحث و نتيجه‏گيري: نتايج نشان مي‌دهد باكتري هاي جدا شده، گزينه مناسبي براي توليد اتانول از مواد اوليه غني از زايلوز هستند و مي‌توانند به صنايع تخميري معرفي شوند.

Introduction: Due to the vast growth of world population, consumption of a lot of energy, limited energy supply and rising prices of fuel oil in the future, other alternative energy source is essential. Ethanol is renewable and a safe fuel and it is mainly based on microbial fermentation. The purpose of this study was isolation of high ethanol producing bacteria from the fermentation process of alcohol industries and optimization of growth conditions to be introduced to the industries. Materials and methods: The samples that were collected from fermentation tanks of alcohol industries were enriched in ZSM medium. To isolate the ethanol producing bacteria, the enriched culture was transferred on RMA agar. Bacterial growth conditions and their effects on ethanol production were optimized based on pH, growth temperature, agitation, fermentation time, initial substrate concentration and carbon and nitrogen sources. In addition, the morphological, physiological and molecular characterizations were investigated for identification of the isolates. Results: Three bacterial isolates ZYM7, ZYM8 and ZYM9 were isolated from fermentation tank. All isolates were able to produce ethanol 5.00, 7.60 and 4.00 gL-1 after 48 hours, respectively. The results demonstrated that all isolates were able to consume most sugars sources specially pentose carbon xylose. The isolate ZYM7 produced 13.00 gL-1 ethanol by consumption of xylose. The results of morphological and physiological characteristics showed that ZYM7 belonged to Lactobacillus sp. and ZYM8 and ZYM9 belonged to Acetobacter sp. Moreover, 16S rRNA sequencing and phylogenetic analyses exhibited that ZYM7 was similar to Lactobacillus rhamnosus with 99% homology and ZYM8 and ZYM9 were similar to Acetobacter pasteurianus with 99 and 98% homology, respectively. Discussion and conclusion: The results showed that that the isolated bacteria were suitable candidates to produce ethanol from raw material enriched with xylose. These bacteria could be introduced to fermentation industries. Key words: Bacteria, Ethanol, Fermentation, Acetobacter, Lactobacillus