Assessment of Nitrogen Sources for Xanthobacter sp. SoF1

Abstract

Työssä tarkasteltiin Xanthobacter sp. SoF1 -bakteerin kasvua eri typenlähteillä, tavoitteena löytää turvallinen, taloudellinen ja ympäristöystävällinen vaihtoehto ammoniumhydroksidille Solein®-proteiinin tuotannossa. Kyseinen mikrobi kasvaa autotrofisesti käyttäen hiilidioksidia hiilenlähteenä ja vetykaasua energialähteenä mikroaerobisissa olosuhteissa. Teoriaosuudessa vertailtiin ammoniumhydroksidia, typpikaasua, ureaa sekä nitraattia ja näiden vertailujen perusteella urea valittiin kokeelliseen osioon typenlähteeksi.

Kokeellisessa osassa suoritettiin kolme kasvatusta 10 litran bioreaktorilla. Ensimmäinen kasvatus oli panossyöttöprosessi, jossa typenlähteenä käytettiin 24,5 m-% ammoniumhydroksidia. Tästä kasvatuksesta saatiin vertailuarvot seuraaviin kasvatuksiin. Toinen kasvatus oli panosprosessi, jossa urea lisättiin kerralla reaktoriin kasvatusalustan mukana. Kolmas kasvatus oli panossyöttöprosessi, jossa ureaa syötettiin reaktoriin manuaalisesti kasvatuksen aikana. Mikrobin kasvua seurattiin reaktorinäytteistä mitattavan optisen tiheyden (OD600), kokonaiskuivamassan ja solukuivapainon avulla sekä online-mittauksilla. Ammoniumin määrää mitattiin pikatestillä sekä analyysillä ulkoisessa laboratoriossa.

Panoskasvatus urealla epäonnistui, ja tulosten perusteella päätettiin kokeilla panossyöttökasvatusta urealla. Panossyöttökasvatuksessa urealla saavutettiin paras spesifinen kasvunopeus (0,037 h-1) ja korkein solukuivapaino (21,9 g/l).

Tulokset osoittavat, että urea on potentiaalinen vaihtoehto ammoniumhydroksidille Solein®-proteiinin tuotannossa, mutta lisätutkimuksia tarvitaan tulosten varmistamiseksi ja lopputuotteen turvallisuuden arvioimiseksi. Tämän opinnäytetyön toimeksiantajana toimi Solar Foods Oyj, ja työ oli osa Europan innovaationeuvoston (EIC) rahoittamaa Hydrocow-projektia.

This study investigated different nitrogen sources for the cultivation of Xanthobacter sp. SoF1, which grows autotrophically with CO2 as the carbon source and hydrogen gas as the energy source under microaerobic conditions. The theory section compared ammonium hydroxide, nitrogen gas, urea, and nitrate to identify a safe, economical, and environmentally friendly nitrogen source alternative to ammonium hydroxide in the production of Solein® protein. On the basis of these comparisons, urea was selected as the nitrogen source for the experimental phase.

Three cultivations of Xanthobacter sp. SoF1 were conducted using a 10 L bioreactor. The first cultivation was a fed-batch process with 24.5 m-% ammonium hydroxide, providing reference data for the following experiments. The second cultivation was a batch process, in which urea was added to the reactor mixed with the cultivation medium. The third cultivation was a fed-batch process with urea. Microbial growth was monitored by measuring optical density, total dry mass and cell dry weight from bioreactor samples along with online measurements. Ammonium concentration was followed using rapid assays and external laboratory analysis.

The batch cultivation with urea was unsuccessful; therefore, urea was decided to be applied in a fed-batch cultivation. The fed-batch cultivation with urea showed a slight improvement compared to the reference cultivation with ammonium hydroxide, achieving the highest specific growth rate (0.037 h-1) and cell dry weight (21.9 g/L). The results indicate that urea is a potential alternative to ammonia for Solein® protein production. However, further research is required to confirm the results and assess the safety of the final product. This thesis was commissioned by Solar Foods Oyj as part of Hydrocow project funded by the European Innovation Counsil (EIC).