Biovalorization of whey into 2,3-Butanediol by fermentation

Abstract

Le lactosérum est un résidu liquide obtenu lors de la fermentation du fromage. Il est composé de lactose, de protéines, etc. Étant donné les valeurs élevées de ses demandes biologique (DBO) et chimique (DCO) en oxygène, il est nécessaire de traiter le lactosérum avant de le rejeter. La valorisation du lactosérum par voie biotechnologique devrait permettre a) de réduire la DBO et la DCO et b) de générer des produits tels que le 2,3-butanediol (2,3-BD). Des bactéries comme Enterobacter cloacae et Klebsiella pneumoniae peuvent hydrolyser et transformer des saccharides (ex. lactose) en 2,3-BD. Ces bactéries quoique pathogènes sont considérées comme étant les plus performantes pour générer du 2,3-BD. Par conséquent, l‘utilisation d‘autres souches bactériennes non pathogènes permettant l‘hydrolyse et la fermentation des saccharides est recherchée. Dans ce contexte, une souche bactérienne non pathogène d‘Escherichia coli capable d‘hydrolyser et de fermenter une large variété de saccharides pourrait être une bonne option. Cependant, la souche E. coli ne produit pas de 2,3-BD. Une modification génétique d‘E. coli a été effectuée afin de transférer la voie métabolique d‘un producteur naturel de 2,3 BD à savoir l‘E. cloacae. Par conséquent, l‘objectif principal de cette étude est de valoriser le lactose (un disaccharide) contenu dans le lactosérum par fermentation en présence d‘une souche génétiquement modifiée d‘E. coli, afin d‘obtenir du 2,3-BD. Un perméat de lactosérum a également été utilisé comme substrat. Dans un premier temps, une étude portant sur la valorisation potentielle du lactosérum en 2,3-BD a été réalisée. Les différentes bactéries et substrats utilisés pour produire du 2,3-BD sous différentes conditions opératoires sont détaillés. Dans un deuxième temps, la souche d‘E. coli (E. coli JFR12) a été utilisée en variant la nature et la concentration du substrat dans le milieu de culture M9 (préalablement choisi comme le plus approprié parmi 4 milieux de culture). Le rendement en 2,3-BD le plus élevé (environ 0.36 g 2,3-BD/g saccharide) a été obtenu en présence de 25 g/L de glucose ou de lactose. Quelle que soit la concentration de galactose, les rendements en 2,3-BD étaient faibles. En présence du mélange glucose-galactose, les rendements en 2,3-BD obtenus étaient similaires à ceux obtenus avec le galactose. Ensuite, des mélanges de lactosérum ou de perméat de lactosérum ont été réalisés. Les fermentations de ces mélanges en absence de M9 améliorent le rendement en 2,3-BD jusqu‘à 0.43 et 0.42 g 2,3-BD/g lactose en utilisant du lactosérum ou du perméat de lactosérum respectivement pendant 72 h. Finalement, l‘effet des trois paramètres suivants (quantité d‘inoculum, pH initial et vitesse d‘agitation) ont été évalués. Les rendements en 2,3-BD les plus élevés ont été respectivement de 0.47 et de 0.44 g 2,3-BD/g lactose pendant 72 h en utilisant du lactosérum ou du perméat de lactosérum respectivement. Enfin, l‘augmentation du volume réactionnel en utilisant un bioréacteur de 2 L pour la fermentation du lactosérum et du perméat de lactosérum a été testée en condition anaérobie. Les rendements en 2,3-BD ont été plus faibles par comparaison avec ceux obtenus à partir des expériences réalisées dans des fioles de 0.5 L. L'ajout d'air (2 L/min) dans le bioréacteur a été testé afin d'étudier son impact. Le rendement en 2,3-BD a été de 0.40 g 2,3-BD/g de lactose en 24 h. Le temps de fermentation a également été réduit de 72 h à 24 h. La souche E. coli JFR12 est appropriée pour valoriser le lactosérum et le perméat de lactosérum en 2,3-BD.

Abstract : Whey is a dairy effluent generated during the cheese manufacturing. It contains lactose (the main part of the dry matter of whey), proteins, etc. Due to its high biological (BOD) and chemical (COD) oxygen demands, it is necessary to treat the whey before releasing it in the environment. The valorization of whey via biotechnology will have to allow for a) a decrease of the BOD and COD values, and b) of a generation of products like 2,3-butanediol (2,3-BD). Bacteria like Enterobacter cloacae and Klebsiella pneumoniae are able to hydrolyze and transform saccharides like lactose into 2,3-BD. Although these bacteria are pathogenic, they are considered as the best 2,3-BD producers. Therefore, the use of other non-pathogenic bacterial strains is being developed for the hydrolysis and the fermentation of saccharides. In this way, a non-pathogenic strain of Escherichia coli able to hydrolyze and ferment a wide range of saccharides would be a good option. However, E. coli cannot produce 2,3-BD. A genetic modification in the E. coli strain has been performed in order to transfer the metabolic pathway from a natural 2,3-BD producer: E. cloacae. In this way, the main objective of this research is to valorize the lactose (a disaccharide) contained in the whey via fermentation in the presence of a genetically modified strain of E. coli K12 MG1655 in order to obtain 2,3-BD. Permeate whey, was also used as a substrate. Firstly, a literature review about the potential valorization of whey into 2,3-BD was performed to show the different kinds of bacteria and substrates used to produce 2,3-BD under different operating conditions. Secondly, the E. coli strain (E. coli JFR12) was used varying the substrate nature and concentration in M9 culture medium (previously chosen as the most appropriate among 4 culture media). The highest 2,3-BD yield (around 0.36 g 2,3-BD/g saccharide) was obtained in the presence of 25 g/L of glucose and lactose. Whatever galactose concentration used, low 2,3-BD yields were obtained. In the presence of a mixture of glucose-galactose (1:1, w/w), the 2,3-BD yields were similar to those obtained using galactose as a sole carbon source. Afterwards, three mixtures of whey or permeate whey in the presence or absence of M9 culture medium were used. Fermentations of these mixtures in absence of M9 improved the 2,3-BD yield up to 0.43 and 0.42 g 2,3-BD/g lactose for 72 h using whey and permeate whey, respectively. Thirdly, the effect of three operating conditions (inoculum size, initial pH and agitation rate) was evaluated. The highest 2,3-BD yields were 0.47 and 0.44 g 2,3-BD/g lactose for 72 h using whey and permeate whey, respectively. Finally, an increase of the reaction volume using a 2 L bioreactor to ferment whey and permeate whey was tested under anaerobic conditions. The 2,3-BD yields under anaerobic conditions were lower compared to those obtained in flask of 0.5 L. On the other hand, the addition of air (2 L/min) in a 2 L bioreactor was tested in order to study its effect on 2,3-BD production fermenting whey. The 2,3-BD yield was 0.40 g 2,3-BD/g lactose at 24 h. Therefore, the fermentation was improved using 2 L/min of air in the bioreactor since a similar 2,3-BD yield was obtained in comparison to the one in 0.5 L flasks, reducing the fermentation time from 72 h to 24 h. The E. coli JFR12 strain is a suitable strain to valorize whey and permeate whey into 2,3-BD.