Optimizing continuous gas fermentation of thermoanaerobacter kivui : from gasses to acetate

Abstract

Da die Welt mit den drängenden Herausforderungen des Klimawandels und der Überschreitung planetarer Belastungsgrenzen konfrontiert ist, werden innovative Ansätze zum Kohlenstoffrecycling immer wichtiger. Diese Studie untersucht das Potenzial von Thermoanaerobacter kivui, einem acetogenen Bakterium, das gasförmige Kohlenstoffsubstrate durch Gasfermentation effizient in organische Verbindungen umwandeln kann. Das Hauptziel dieser Forschung ist die Optimierung des kontinuierlichen Gasfermentationsprozesses durch Fokussierung auf kritische Betriebsparameter und den Einfluss verschiedener Substratzuführungsstrategien.In dieser Studie wurde ein CO-adaptierter T. kivui-Stamm (CO1), der zuvor von der Forschungsgruppe entwickelt wurde, in einer Reihe von Experimenten eingesetzt. Die Auswirkungen der Nährmediumzusammensetzung, der Rührerdrehzahl und der Substrattypen wurden evaluiert. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Erhöhung der FeSO4∙7H2O-Konzentration auf 33 mg/L im Moon-Medium den Übergang zum kontinuierlichen Betrieb erleichterte. Die etablierten kontinuierlichen Kulturen zeigten eine maximale Wachstumsrate (μMax) von 0,143 h−1, sowie CO2-Verbrauchsraten (CO2UR) und H2-Verbrauchsraten (HUR) von 62,1 und 43,29 mmol g−1 CDM h−1 unter autotrophen Bedingungen.Während kontinuierliche Fermentationsdaten für T. kivui in der Fachliteratur selten sind, liegen diese Raten etwa 1,5-fach höher als die für das vergleichbare Acetogen Acetobacterium woodii in kontinuierlichen Kulturen im stationären Zustand, wie von Novak et al. (2021) berichtet. Darüber hinaus wurde für T. kivui eine spezifische Acetatproduktivität von 43,29 mmol g−1 CDM h−1 festgestellt, verglichen mit 21,1 ± 2 mmol g−1 CDM h−1 für A. woodii. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass T. kivui großes Potenzial besitzt, um Kohlenstoffrecycling-Bemühungen in praktischen Anwendungen zu fördern. Durch die Bewältigung von Herausforderungen im Zusammenhang mit der Skalierbarkeit und Reaktorleistung kann T. kivui als geeigneter Kandidat für nachhaltige Kohlenstoffmanagementstrategien dienen. Die in dieser Studie vorgestellten Erkenntnisse könnten weitere Forschungen unter Einsatz von Omics-Daten fördern, um das Verständnis der Stoffwechselwege zu erweitern und die Entwicklung wertschöpfender Produkte sowie robuster Stämme für industrielle Anwendungen voranzutreiben.

As the world grapples with the pressing challenges of climate change and exceeding planetaryboundaries, innovative approaches to carbon recycling are becoming increasingly relevant. Thisstudy investigates the potential of Thermoanaerobacter kivui, an acetogenic bacterium, to efficientlyconvert gaseous carbon substrates into organic compounds through gas fermentation. The primaryaim of this research is to optimize the continuous gas fermentation process by focusing on criticaloperational parameters and the influence of various feeding strategies.In this study, a CO-adapted T. kivui strain (CO1), previously developed by the research group, wasemployed in a series of experiments. The effects of medium composition, stirrer speed, andsubstrate types were evaluated. Results demonstrated that increasing the FeSO4 7H2Oconcentration to 33 mg/L in Moon Medium facilitated the transition to continuous operation. Theestablished continuous cultures exhibited a maximum growth rate (μMax) of 0.143 h−1, with CO2utilization rates (CO2UR) and H2 utilization rates (HUR) of 62.1 and 43.29 mmol g−1CDM h−1,respectively, under autotrophic conditions.While continuous fermentation data for T. kivui is scarce in the literature, these rates areapproximately 1.5 times higher than those reported for the comparable acetogen Acetobacteriumwoodii in steady-state continuous cultures, as reported by Novak et al. (2021). Furthermore, specificacetate productivities for T. kivui were found to be 43.29 mmol g−1CDM h−1, compared to 21.1 ± 2 mmolg−1CDM h−1 for A. woodii.The results indicate that T. kivui holds significant promise for advancing carbon recycling efforts inpractical applications. By addressing challenges related to scalability and reactor performance, T.kivui can serve as a viable candidate for sustainable carbon management strategies. The findings presented in this study could facilitate further research utilizing omics data to enhance ourunderstanding of metabolic pathways and promote the development of value-added products androbust strains for industrial applications.