Vetyä hapettavien bakteerien tuottamat arvotuotteet

• Main Author: Perätalo, M. (Merja)
• Format: Bachelor Thesis
• Language: Finnish
• Published: University of Oulu 2020
• Subjects: Jota; Ocean acidification
• Online Access: http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfioulu-202005091659

Tiivistelmä. Ilmastonmuutos ja ravinnon puute ovat suuria ongelmia maailmanlaajuisesti. Fossiilisten polttoaineiden käyttäminen lisää hiilidioksidipäästöjä ilmakehään, ja siten nopeuttaa ilmastonmuutosta. Ruoantuotanto pohjautuu vahvasti maanviljelyyn, joka kuluttaa maaperää. Eläinperäinen proteiinituotanto lisäksi lisää hiilidioksidipäästöjä. Näitä ongelmia voidaan mahdollisesti lieventää vetyä hapettavien bakteerien tuottamien tuotteiden avulla. Vetyä hapettavat bakteerit sitovat ilmakehästä hiilidioksidia, jota ne voivat käyttää ainoana hiililähteenään. Energiansa ne saavat hapettamalla vetyä. Vetyä hapettavat bakteerit tarvitsevat aineenvaihduntaansa yksinkertaisia yhdisteitä, kuten vetyä ja hiilidioksidia. Bakteerien avulla yhdisteiden tuotanto onnistuu ilman fossiilisia polttoaineita, joten tuotanto voi vähentää hiilidioksidipäästöjä. Tämän työn tavoitteena oli saada selville mitä tuotteita vetyä hapettavat bakteerit tuottavat, miten tuotanto tapahtuu ja kuinka tehokasta se on. Vetyä hapettavien bakteerien tuotteet on jaettu neljään ryhmään: biomuovit, poly-3-hydroksibutyraatin johdannaiset, kemikaalit ja yksisoluproteiinit. Näiden kaikkien tuotantoprosesseja on mahdollista kehittää siten, että teollinen tuotanto on kannattavaa. Vetyä hapettavilla bakteereilla tuotetut biomuovit ovat biohajoavia ja bioyhteensopivia kestomuoveja, joiden ominaisuudet ovat hyvin samankaltaisia kuin fossiilisesta öljystä valmistettujen muovien. Nämä biomuovit voisivat korvata öljyyn pohjautuvia muoveja. Lisäksi biomuovista saadaan katalyyttisellä jalostuksella tuotettua hiilivetyöljyä, josta voidaan valmistaa nestemäistä biopolttoainetta. Nestemäiset biopolttoaineet kuuluvat poly-3-hydroksibutyraatin johdannaisiin. Niillä voitaisiin suoraan korvata fossiilisia polttoaineita. Fossiilisten polttoaineiden käyttämisestä aiheutuvien hiilidioksidipäästöjen tiedetään kiihdyttävän ilmastonmuutosta ja merten happamoitumista. Vetyä hapettavien bakteerien avulla valmistetut arvotuotteet voisivat olla yksi ratkaisu ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi. Vetyä hapettavien bakteerien avulla voidaan tuottaa useita kemikaaleja. Tällaisia kemikaaleja ovat esimerkiksi asetoiini, isobutanoli, isopropanoli, 2-hydroksibutyraattihappo ja metyyliketonit. Näistä erityisesti asetoiini on merkittävä tuote, koska se toimii lähtömateriaalina useiden muiden kemikaalien tuotannolle. Joidenkin kemikaalien biotuotannossa ongelmana on syntyvän kemikaalin myrkyllisyys. Myrkyllisillä kemikaaleilla on inhiboiva vaikutus tuottaville mikrobeille, jolloin mikrobien tuottavuus laskee. Biomuovien ja kemikaalien lisäksi vetyä hapettavat bakteerit tuottavat yksisoluproteiinia. Bakteerit omaavat korkeamman proteiinipitoisuuden kuin muut mikro-organismit, jonka vuoksi niitä käytetään yksisoluproteiinin tuottamiseen. Yksisoluproteiinia voidaan käyttää ravinnon proteiinilähteenä. Yksisoluproteiinituotanto voi siten olla maailmanlaajuisen ruoantuotannon ongelmien osaratkaisu. Tällä hetkellä rehun kasvatukseen käytettäviä maa-alueita olisi mahdollista vapauttaa esimerkiksi ruokakasvien ja biotuotannon raaka-aineiden viljelyyn tai metsittää hiilinieluiksi, jos osa proteiinituotannosta tapahtuisi bakteereita hyödyntämällä.Value-added products produced by hydrogen oxidizing bacteria. Abstract. Climate change and lack of nutrition are large and global problems. The use of fossil fuels increases carbon dioxide emissions to the atmosphere and thus accelerates climate change. The food production is strongly based on agriculture, which erodes soil. In addition, animal protein production increases carbon dioxide emissions. It is possible that these problems can be reduced with the products produced by hydrogen oxidizing bacteria. The hydrogen oxidizing bacteria fix carbon dioxide from atmosphere and can utilize it as their sole carbon source. They gain energy by oxidizing hydrogen. The hydrogen oxidizing bacteria use simple compounds for their metabolism, such as hydrogen and carbon dioxide. Production of value-added products is possible without fossil fuels with help of these bacteria. This kind of production can decrease carbon dioxide emissions. The objective of this work was to investigate what products the hydrogen oxidizing bacteria produce, how does the production take place and how high is the production efficiency. The products produced by the bacteria have been divided into four groups: bioplastics, derivatives of poly-3-hydroxybutyrates, chemicals and single cell proteins. These production processes can be developed to make them more suitable for industrial production. Bioplastics produced by bacteria are biodegradable and biocompatible thermoplastics, and their properties are similar with the oil-based plastics. Bioplastics could replace part of the oil-based plastics. In addition, bioplastics can be refined catalytically, resulting in hydrocarbon oil. Hydrocarbon oil is raw material for liquid biofuels. With biofuel it is possible to replace fossil fuels. It is known that the use of fossil fuels accelerates climate change and ocean acidification. Industrial production of value-added products from carbon dioxide could decrease the amount of greenhouse emissions. Multiple chemicals can be produced with hydrogen oxidizing bacteria. For example, acetoin, isobutanol, isopropanol, 2-hydroxybutanoic acid and methyl ketones are this kind of chemicals. Acetoin is a significant product because it is a platform chemical for production of several other chemicals. Some bio-produced chemicals are toxic and these toxic products act as an inhibitor for microbes. This causes decrease in productivity of microbes. In addition to bioplastics and chemicals, the hydrogen oxidizing bacteria produce single cell protein. Bacteria have higher protein concentration than other microorganisms. Therefore, they are used for production of single cell proteins. Single cell protein can be used as a protein source of nutrition. The production of single cell proteins by hydrogen oxidizing bacteria can be the partial solution in global food production. If a part of protein production were executed with bacteria, it would be possible to free land from feed cultivation to food plant cultivation. It would also be possible to transform fields to forests, which act as carbon sinks.