Dipotassium Phosphate Enhances Ethanol Tolerance, Production, and Cell Viability of Saccharomyces cerevisiae in Batch Fermentation

Abstract

This study evaluated ethanol production and cell viability in Saccharomyces cerevisiae cultures under different concentrations of dipotassium phosphate (K₂HPO₄). Batch fermentations were carried out in shake flasks using an orbital thermostatic incubator at 30 °C, with an initial pH of 5.80. The K₂HPO₄ concentration in the culture medium was adjusted to 1.50, 2.70, and 3.20 g L⁻¹. Cultures supplemented with 3.20 g L⁻¹ K₂HPO₄ achieved the highest biomass concentration (12.10 ± 0.30 g L⁻¹). Moreover, ethanol production reached 16% (v/v) under this condition, whereas only 9% (v/v) was obtained at 1.50 g L⁻¹. Regarding volumetric ethanol productivity, a 1.6-fold increase was estimated when the K₂HPO₄ concentration was increased from 1.50 to 3.20 g L⁻¹. Additionally, under the 3.20 g L⁻¹ condition, cell viability remained above 90%, reaching a maximum of 97%, even when ethanol concentration in the broth reached 16% (v/v). In contrast, cell viability decreased by 10% and 7% at 1.50 and 2.70 g L⁻¹, respectively, when ethanol concentrations exceeded 7% (v/v). Overall, the results demonstrated that kinetic parameters such as cell viability, volumetric productivity, and ethanol concentration were positively affected by increasing K₂HPO₄ concentration, supporting its use as a nutritional strategy in the culture medium to enhance ethanol biosynthesis. These findings are particularly relevant as they highlight the potential of K₂HPO₄ as a strategic and economical nutrient to optimize ethanolic fermentations on an industrial scale, contributing to the design of bioprocesses with improvements in metabolic efficiency and prolonged productive capacity throughout the fermentation cycles.

Este estudio evaluó la producción de etanol y la viabilidad celular en cultivos de Saccharomyces cerevisiae bajo diferentes concentraciones de fosfato dipotásico (K₂HPO₄). Las fermentaciones por lote se realizaron en matraces agitados utilizando una incubadora orbital termostático a 30 °C, con un pH inicial de 5,80. La concentración de K₂HPO₄ en el medio de cultivo se ajustó a 1,50, 2,70 y 3,20 g L⁻¹. Los cultivos suplementados con 3,20 g L⁻¹ de K₂HPO₄ alcanzaron la mayor concentración de biomasa (12,10 ± 0,30 g L⁻¹). Además, la producción de etanol alcanzó 16 % (v/v) bajo esta condición, mientras que solo se obtuvo 9 % (v/v) a 1,50 g L⁻¹. En cuanto a la productividad volumétrica de etanol, se estimó un incremento de 1.6 veces al aumentar la concentración de K₂HPO₄ de 1,50 a 3,20 g L⁻¹. Adicionalmente, bajo la condición de 3,20 g L⁻¹, la viabilidad celular se mantuvo por encima de 90 %, alcanzando un máximo de 97 %, incluso cuando la concentración de etanol en el caldo llegó a 16 % (v/v). En contraste, la viabilidad celular disminuyó en 10 % y 7 % a 1,50 y 2,70 g L⁻¹, respectivamente, cuando las concentraciones de etanol superaron 7 % (v/v). En conjunto, los resultados demostraron que parámetros cinéticos como la viabilidad celular, la productividad volumétrica y la concentración de etanol se vieron positivamente afectados por el incremento en la concentración de K₂HPO₄, apoyando su uso como estrategia nutricional en el medio de cultivo para mejorar la biosíntesis de etanol. Estos hallazgos son particularmente relevantes ya que resaltan el potencial del K₂HPO₄ como nutriente estratégico y económico para optimizar fermentaciones etanólicas a escala industrial, contribuyendo al diseño de bioprocesos con mejoras de eficiencia metabólica y capacidad productiva prolongada a lo largo de los ciclos de fermentación.

Este estudo avaliou a produção de etanol e a viabilidade celular em culturas de Saccharomyces cerevisiae sob diferentes concentrações de fosfato dipotássico (K₂HPO₄). As fermentações em batelada foram realizadas em frascos agitados utilizando um incubador orbital termostatizado a 30 °C, com pH inicial de 5,80. A concentração de K₂HPO₄ no meio de cultura foi ajustada para 1,50, 2,70 e 3,20 g L⁻¹. As culturas suplementadas com 3,20 g L⁻¹ de K₂HPO₄ alcançaram a maior concentração de biomassa (12,10 ± 0,30 g L⁻¹). Além disso, a produção de etanol atingiu 16 % (v/v) nessa condição, enquanto apenas 9 % (v/v) foram obtidos a 1,50 g L⁻¹. Quanto à produtividade volumétrica de etanol, estimou-se um aumento de 1,6 vez ao elevar a concentração de K₂HPO₄ de 1,50 para 3,20 g L⁻¹. Adicionalmente, na condição de 3,20 g L⁻¹, a viabilidade celular permaneceu acima de 90 %, alcançando um máximo de 97 %, mesmo quando a concentração de etanol no meio atingiu 16 % (v/v). Em contraste, a viabilidade celular diminuiu 10 % e 7 % nas concentrações de 1,50 e 2,70 g L⁻¹, respectivamente, quando as concentrações de etanol excederam 7 % (v/v). No geral, os resultados demonstraram que parâmetros cinéticos, como viabilidade celular, produtividade volumétrica e concentração de etanol, foram positivamente afetados pelo aumento da concentração de K₂HPO₄, apoiando seu uso como estratégia nutricional no meio de cultura para melhorar a biossíntese de etanol. Essas descobertas são particularmente relevantes, pois destacam o potencial do K₂HPO₄ como um nutriente estratégico e econômico para otimizar as fermentações etanólicas em escala industrial, contribuindo para o desenvolvimento de bioprocessos com melhorias na eficiência metabólica e capacidade produtiva prolongada ao longo dos ciclos de fermentação.