Agricultural and industrial waste as a substrate for cellulase and amylase production by novel bacterial strain Paenibacillus chitinolyticus CKS1.

Abstract

The subject of this thesis is the utilization of waste materials of agricultural and industrial origin, for the production of enzymes cellulases and amylases using a novel isolated bacterial strain Paenibacillus chitinolyticus CKS1. Optimization of the process of production of hydrolytic enzymes cellulases and amylases was performed using commercial substrates and waste materials by varying the influence of individual parameters but also by employing the method of the planned experiment and mathematical-statistical processing of experimental data - Response Surface Methodology (RSM). The process of producing cellulase (CMC-ase and Avicelase) was optimized using various commercial substrates but also using waste materials.The strain CKS1 showed predominant exoglucanase (Avicelase) activity which is not typical for most bacterial species. Results showed that P.chitinolyticus CKS1 could be used for cellulase (CMC-ase and Avicelase) production, in a liquid medium with comercial substrates (with maximum CMCase and Avicelase activity of 0,532 U/mL and 1,83 U/mLrespectively), but also in a medium with waste substrates: waste medicinal herbs (with maximum CMCase and Avicelase activityof 0,203 U/mL and 1,94 U/mL, respectively) and sawdust (with maximum CMCase and Avicelase activity of 0,145 U/mL and 1,75 U/mL, respectively)...

Predmet ove disertacije je iskorišćenje otpadnih sirovina, poljoprivrednog i industrijskog porekla, za proizvodnju enzima celulaza i amilaza pomoću novoizolovanog bakterijskog soja Paenibacillus chitinolyticus CKS1. Optimizacija procesa proizvodnje hidrolitiĉkih enzima celulaza i amilaza vršena je korišćenjem komercijalnih supstrata i otpadnih sirovina ivariranjem uticaja pojedinaĉnih parametara primenom metode planiranog eksperimenta i matematiĉko-statistiĉka obrade eksperimentalnih podataka – metode odzivnih površina (RSM). Proces proizvodnje celulalaza (endoglukanaza i egzoglukanaza) je optimizovan na razliĉitim komercijalnim podlogama ali i na otpadnim sirovinama. Soj CKS1 je pokazao predominantnu aktivnost egzoglukanaza (iskazanih kao Avicelazna aktivnost) što je netipiĉno za većinu bakterijskih vrsta. Rezultati su pokazali da se P. chitinolyticus CKS1 moţe koristiti za dobijanje celulazau komercijalnoj podlozi (maksimalna CMC-azna i Avicelazna aktivnost iznose 0,532 U/mL i 1,83 U/mL, pojedinaĉno), ali i na otpadnim sirovinama: otpadnom lekovitom bilju (maksimalna CMC-azna i Avicelazna aktivnost iznose 0,203 U/mL i 1,94 U/mL, pojedinaĉno) i piljevini (maksimalna CMC-azna i Avicelazna aktivnost iznose 0,145 U/mL i 1,75 U/mL, pojedinaĉno). Soj CKS1 je pokazao mogućnost rasta i proizvodnje dve vrste celulaza: endoglukanaza (iskazanih kao karboksimetil celulazna (CMC-azna) aktivnost i egzoglukanaza (iskazanih kao Avicelazna) aktivnost tokom svog rasta na ĉvrstom otpadnom supstratu- repinom rezancu (maksimalna CMC-azna i Avicelazna aktivnost iznosi 3,159 U/g i 4,840 U/g). Metodom odzivnih površina optimizovana je proizvodnja endoglukanaza i egzoklukanaza u podlozi obogaćenoj jeĉmenim mekinjama (maksimalna CMC-aza i Avicelazna aktivnost iznosi 0,405 U/mL i 0,433 U/mL, pojedinaĉno). Dobijena je nešto niţa vrednostAvicelazne aktivnosti, ali optimizovani procesi jasno ukazuju na mogućnost njihovog korišćenja, pošto su u skladu sa principima odrţive proizvodnje i brige o ţivotnoj sredini. P. chitinolyticus CKS1 soj je pokazao i amilolitiĉku aktivnost, netipiĉnu za vrstu kojoj pripada i stoga je metodom odzivnih površina optimizovana proizvodnja β-amilaza na podlozi dobijenoj korišćenjem otpadne vode iz industrije prerade kartonske ambalaţe (0,333 U/mL) i na podlozi baziranoj na melasi i otpadnom repinom rezancu (2,237 U/mL). U cilju što kompletnije analize podobnosti primene dobijenih enzima u industrijskim procesima, izvršena je karakterizacija proizvoda hidrolize nastalih primenom obe klase enzima.UtvrĊeno je da su proizvodi enzimske hidrolize dobijeni pomoću enizima P. chitinolyticus CKS1 vredni biotehnološki proizvodi – glukoza i maltoza. Primenljivost bakterijskih celulaza i amilaza, koje produkuje soj CKS1 se ogleda u mogućnosti hidrolize pamuĉnog materijala, kao celulozne sirovine i jeĉmenih mekinja,kao lignocelulozno-skrobne sirovine, pri ĉemu se oslobaĊa 0,589 mg/mL i 2,74 mg/mL redukujućih šećera pojedinaĉno.Time se otvaraju nove mogućnosti industrijske primene ovih enzima, prevashodno za saharifikaciju skrobnih sirovina i u industriji proizvodnje bioetanola...