Investigation of the effects of dissolved oxygen concentration, aeration and agitation on the morphology and rheology in submerged fungal fermentation

Abstract

Birçok küf fermentasyonunda önemli olan pH, karıştırma hızı, çözünmüş oksijen konsantrasyonu (DOT) ve havalandırmanın poligalakturonaz (PG) enzimi üretimine etkisi ve bu faktörlerin morfoloji ve ortam reolojisiyle olan ilişkisi, literatürde pektinaz enzimi ürettiğine dair mevcut bir bilgi olmayan Aspergillus sojae suşu kullanılarak kesikli biyoreaktörde incelenmiştir.Bu çalışmada bütün faktörlerin cevap parametreleri üzerinde etkin olduğu ortaya konmuştur. Kontrolsüz pH, kontrollü pH'ya oranla biyomas ve PG aktivitesini sırasıyla %27 ve %38 yükseltmiştir. pH ortam reolojisin önemli ölçüde etkilememiştir fakat pellet morfolojisi üzerinde büyük bir etki yaratmıştır. Benzer şekilde, 500 rpm'de elde edilen maksimum biyomas 200 ve 350 rpm'den sırasıyla 3.27 ve 3.67 kat daha fazladır. Maksimum enzim üretkenliği 200 rpm'de elde edilmiştir. 500 rpm karıştırma hızında Non ? Newtonian ve pseudoplastik ortam reolojisi gözlenmiştir. Bunlardan başka; maksimum biyomas oluşumu için %10 ? 30 DOT oranı gereklidir. Oysa maksimum PG sentezi için %10 DOT yeterlidir. %10 ve %30 DOT'da Non ? Newtonian shear thickening (n>1.0) davranış görülmesine rağmen %50 DOT'da Non ? Newtonian shear ? thinning (n<1.0) davranış baskındır. 2.5 L/dak havalandırma deneyi detaylı olarak incelendiğinde; 21. saatte PG üretiminin maksimuma ulaştığı (1.49 U) ve pelletlerin nispeten küçük, sayılarının yüksek olduğu görülmüştür. 48. saatte ise PG üretimi sıfıra düşer, biyomas maksimuma ulaşır ve pelletler büyük, merkezleri sıkı, kenarları tüylü olur. Fermentasyon sonunda ortam Newtonian'a yakındır.Genel olarak küf fermentasyonlarının aksine tüm fermentasyon süresi (50 ? 70 saat) oldukça kısadır ve bu durum prosesin ekonomik fizibilitesini göz önüne serer. Sonuç olarak, bu çalışma sadece ticari öneme sahip bir enzim üretme potansiyeli olan yeni bir suşu literatüre kazandırmakla kalmayıp aynı zamanda küf biyoproseslerinin dizayn ve matematik modellemesinde önemi olan bazı önemli parametreleri de sağlamıştır.

The effects of pH, agitation speed, dissolved oxygen tension (DOT) and aeration, significant in common fungal fermentations, on the production of polygalacturonase (PG) enzyme and their relation to morphology and broth rheology were investigated in a batch bioreactor using Aspergillus sojae which has no available literature report on the pectinase production.All four factors were effective on the response parameters under study. An uncontrolled pH increased biomass and PG activity by 27% and 38%, respectively compared to controlled pH (pH 6). pH did not significantly affect the broth rheology but created an impact on the pellet morphology. Similarly, the maximum biomass obtained at 500 rpm and at 30h was 3.27 and 3.67 times more than at 200 and 350 rpm, respectively. The maximum enzyme productivity of 0.149 U ml-1 h-1 was obtained at 200 rpm. Non ? Newtonian and pseudoplastic broth rheology was observed at 500 rpm agitation speed. Furthermore, a DOT range of 30-50% was essential for maximum biomass formation, whereas only 10% DOT was required for maximum PG synthesis. Non ? Newtonian shear thickening behavior (n>1.0) was depicted at DOT levels of 10% and 30%, whereas, non-Newtonian shear thinning behavior (n<1.0) was dominant at 50% DOT. When 2.5 l/min aeration experiment was investigated detaily; it was determined that at about 21st hour, polygalacturonase production approaches its maximum (1.49 U) and pellets are smaller, high in number. At 48th hour; polygalacturonase production declines to zero, biomass reaches its maximum and pellets are big (average pellet size is 1.94±0.58 mm) and fluffy with compact centers. At the end of fermentation (96.hour), fermentation medium is close to Newtonian.The overall fermentation duration (50-70h) was considerably shorter as opposed to common fungal fermentations revealing the economic feasibility of this particular process. As a result this study not only introduced a new strain with a potential of producing a highly commercially significant enzyme but also provided certain parameters significant in the design and mathematical modelling of fungal bioprocesses.