The Effects of Photobioreactor Average Shear Rate on Chitin Nanofiber Production Characteristics of the Diatom Cyclotella Cryptica

Abstract

Kitin biyomedikal uygulamalar açsıından çok yüksek potansiyelli doğal bir biyopolimerdir. Halihazırda, ticari kitin üretiminin çoğunluğu deniz ürünleri endüstrisi tarafından işlenen kabuklu deniz canlılarının atıkları kullanılarak yapılmaktadır. Diatom cinslerinden Cyclotella ve Thalassiosira kitin nanofiberlerini direkt olarak hücre duvarları üzerinde bulunan fultoportula adı verilen açıklıklardan dış ortama sentezleyebildikleri için kitin hasatı için sert ektraksiyon koşulları uygulanması gerekliliğini ortadan kaldırmaktadır. Bu çalışmada, Cyclotella cryptica CCMP 333 hücrelerinin kitin üretkenliğinin kabarcık kolon fotobiyoreaktörün havalandırma hızındaki farklılıktan kaynaklı maruz kaldıkları hidrolik kesme kuvvetinden nasıl etkilendiği iki aşamalı bir kültivasyon protokolü (birinci aşamada 0,020 mM silikon takviyesini müteakiben ikinci aşamada 1,80 mM silikon takviyesi) uygulanarak araştırılmıştır. Hücrelerin silikon starvasyonuna maruz bırakıldığı birinci aşamada havalandırma hızı 0,5 vvm olarak sabit tutulmuştur, 1,80 mM silikon takviyesinin ardından havalandırma hızlarının 0,25 vvm, 1 vvm ve 1,5 vvm olarak değiştirildiği 3 ayrı fotobiyoreaktör düzeneği kurulmuştur. Bu çalışma kapsamında ulaşılan maksimum kitin üretkenliği 852 mg/L olmuştur ve bu konsantrasyona silikon starvasyon aşamasında 0,5 vvm ile havalandırılan ve ardından 1,8 mM silikon takviyesi ile eş zamanlı olarak havalandırma hızının 1 vvm olarak değiştirildiği deney grubunda saptanmıştır. Cyclotella cryptica CCMP 333 hücre süspansiyonlarında serbest olarak ve hücreye bağlı olarak buluna kitin konsantrasyonları durağan faz sürecinde toplanan numuneler kullanılarak belirlenmiştir. Hücreye bağlı kitin nanofiberlerin konsantrasyonu ile havalandırma akış hızları arasında ters orantı olduğuna dair elde edilen sonuçlar büyük ölçekli diatom üretim tesislerinde hasatlanacak kitin nanofiberi miktarının maksimizasyonu için geliştirilecek stratejilere katkı sağlayacaktır.

Chitin is a natural biopolymer with significant potential for use in biomedical applications. Currently, majority of the commercially available chitin is based on crustacean shell waste generated by seafood industry. Diatoms belonging to Cyclotella and Thalassiosira genera have the unique ability to extrude the chitin nanofibers out of their cell walls through the tubular openings, called fultoportulae and thus eliminate the üzneed for application of harsh extraction methods for chitin harvesting. In this study, the effects of variation in aeration-induced shear rate have on the chitin nanofiber productivity of diatom Cyclotella cryptica CCMP 333 were investigated by following a two-stage silicon addition protocol (0.20 mM in first stage and 1.80 mM in second stage) in a bubble column photobioreactor. During the first stage, the aeration flow rate was 0.5 vvm and during the second stage, Cyclotella cryptica cells were exposed to different gas aeration flow rates, 0. 25 vvm, 1 vvm and 1.5 vvm. The highest chitin concentration of 852 mg/L was obtained following the combined effects of silicon deplete growth conditions and a second stage aeration rate of 1 vvm. The concentrations of free chitin and cell bound chitin in suspensions were determined on samples collected during the stationary phase from all cell suspensions started with the same initial cell densities. The results showed an inversely proportional relation between the ratio of cell-bound chitin nanofibers and increased aeration flow rate. Further studies addressing yield enhancement are required for ensuring the viability of commercial scale diatom-based chitin production facilities.