Fed-Batch Production of Citric Acid from Screening Fungi

Abstract

This research investigates the production of citric acid from Aspergillus niger TISTR 3063 and Aspergillus luchuensis SK01 using liquid fermentation, both in batch and fed-batch processes in a 5-liter bioreactor, to determine the optimal fermentation conditions for citric acid production. The experiment was designed using a Box-Behnken design, with three factors investigated: carbon-to-nitrogen ratio (70, 85, 100 g/g), shaking speed (200, 250, 300 rpm), and calcium chloride concentration (0.01, 0.055, 0.1 g/L), all of which were tested for their effects on citric acid production and yield. Citric acid was extracted using a precipitation method and identified using FTIR analysis. The results revealed that the optimal conditions for citric acid production were a carbon-to-nitrogen ratio of 97.93 g/g, shaking speed of 300 rpm, and calcium chloride concentration of 0.1 g/L. Under these conditions, A. niger TISTR 3063 produced 26.88 ± 0.01 g/L, and A. luchuensis SK01 produced 28.47 ± 0.01 g/L. When comparing the citric acid production capacities, A. luchuensis SK01 exhibited a higher yield, producing a maximum of 36.16 g/L at 96 hours in the fed-batch fermentation. Mathematical models, including Monod, Logistic, and Gompertz models, were used to describe citric acid production by the fungi. The study showed that both the Logistic and Gompertz models provided high accuracy in predicting citric acid production. Furthermore, the study demonstrated that fed-batch fermentation outperformed batch fermentation in both strains of fungi for citric acid production. Chemical property analysis of the citric acid produced using HPLC and FTIR revealed that the citric acid produced from both fermentation processes had chemical properties similar to commercially available citric acid. This research highlights the potential of fed-batch fermentation in enhancing citric acid production.

งานวิจัยนี้ศึกษาการผลิตกรดซิตริกจาก Aspergillus niger TISTR 3063 และ Aspergillus luchuensis SK01 โดยใช้กระบวนการหมักในอาหารเหลว การหมักแบบเบ็ดเสร็จ และแบบป้อนในถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 5 ลิตร เพื่อหาสภาวะการหมักที่เหมาะสมในการผลิตกรดซิตริก จากการออกแบบการทดลองแบบบ็อก-เบห์นเคน โดยมีสามปัจจัยในการศึกษา ได้แก่ อัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจน (70, 85, 100 กรัมต่อกรัม) ความเร็วในการเขย่า (200, 250, 300 รอบต่อนาที) และปริมาณแคลเซียมคลอไรด์ (0.01, 0.055, 0.1 กรัมต่อลิตร) ต่อการผลิตกรดซิตริกและผลผลิตของกรดซิตริกที่ได้ (Yields) และการจัดแยกกรดซิตริกด้วยวิธีการตกตะกอน พร้อมตรวจพิสูจน์เอกลักษณ์ของกรดซิตริกด้วยเทคนิค FTIR ผลการทดลองพบว่าสภาวะที่เหมาะสมสูงสุดในการผลิตกรดซิตริกคือ อัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจน 97.93 กรัมต่อกรัม ความเร็วในการเขย่า 300 rpm และปริมาณแคลเซียมคลอไรด์ 0.1 กรัมต่อลิตร ซึ่งทำให้ A. niger TISTR 3063 สามารถผลิตกรดซิตริกได้ 26.88 ± 0.01 กรัมต่อลิตร และ A. luchuensis SK01 ผลิตได้ 28.47 ± 0.01 กรัมต่อลิตร เมื่อเปรียบเทียบความสามารถในการผลิตกรดซิตริก พบว่า A. luchuensis SK01 มีผลผลิตกรดซิตริกสูงกว่า A. niger TISTR 3063 โดย A. luchuensis SK01 ผลิตกรดซิตริกได้สูงสุด 36.16 กรัมต่อลิตร ที่ 96 ชั่วโมง ในการหมักแบบป้อน มีการใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ แบบจำลองโมโนด โลจิสติก และกอมเพิร์ตซ์ ในการอธิบายการผลิตกรดซิตริกจากเชื้อรา ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าแบบจำลองโลจิสติกและกอมเพิร์ตซ์มีความแม่นยำสูงในการทำนายการผลิตกรดซิตริก การศึกษาแสดงให้เห็นว่า การหมักแบบป้อนเป็นสภาวะการผลิตกรดซิตริกที่ดีกว่าแบบเบ็ดเสร็จจากทั้งสองเชื้อรา การวิเคราะห์คุณสมบัติทางเคมีของกรดซิตริกที่ได้จากการหมักโดยใช้เทคนิค HPLC และ FTIR พบว่า กรดซิตริกที่ผลิตจากทั้งสองกระบวนการมีคุณสมบัติทางเคมีใกล้เคียง งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของการหมักแบบป้อนในการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตกรดซิตริก