Master's Thesis

Utilization of lignocellulosic hydrolysates for polyhydroxyalkanoate production by thermophilic bacteria

Final Thesis 1.57 MB

Author of thesis: Bc. Zuzana Fajtová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Xenie Hájková, Ph.D.

Reviewer: Ing. Vendula Hrabalová, Ph.D.

Abstract:

The thesis deals with the use of lignocellulosic hydrolysates for PHA production. The theoretical part examines PHA production using waste substrates. It also explores the ability of thermophilic microorganisms to produce PHA, with a focus on Caldimonas thermodepolymerans. The experimental part focuses on the production of PHB by two strains (DSM 15344 and GLF3) cultivated on hydrolysates provided by Fibers365 and on a wheat straw hydrolysate prepared in-house. Both strains were capable of growth and PHB production on lignocellulosic hydrolysates. However, the production was significantly affected by the presence of inhibitory compounds. Hydrolysates with a lower concentration of phenolic compounds resulted in higher PHB production, particularly in the case of hydrolysates H95 and H96. To improve PHB production, several detoxification methods were applied to the wheat straw hydrolysate. Adsorption on activated carbon was identified as the most suitable method, enabling a reduction of inhibitory compounds while maintaining a sufficient concentration of fermentable sugars. Using the detoxified hydrolysate, PHB concentrations of 3.08 ± 0.10 g/L for strain DSM 15344 and 2.11 ± 0.09 g/L for strain GLF3 were achieved. The results confirm that lignocellulosic hydrolysates represent a promising substrate for PHA production, with detoxification being a key step for their efficient utilisation.

Keywords:

Polyhydroxyalkanoates, thermophilic bacteria, Caldimonas thermodepolymerans, lignocellulose hydrolysate, detoxification

Date of defence

25.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Studentka seznámila členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Studentka akceptovala všechny připomínky oponentky a na všechny otázky odpověděla v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Zmiňujete detoxifikační metody, jaké další by bylo možné využít? Zmínila jste, že jste používala modelové hydrolyzáty, můžete to objasnit? Jednalo se o komerční hydrolyzáty? Jak je to z hlediska ceny? Jak odhadujete cenu přečištění hydrolyzátů? doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. Prezentujete kontrolu ve dvou různých experimentech, která se ale výrazně liší, můžete tento rozdíl vysvětlit? Může to být citlivostí toho mutatního kmene? Zmínila jste, že používáte hydrolyzáty připravené explozí, můžete to prosím objasnit? Jaký byl postup přípravy hydrolyzátu? prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. Měřili jste koncentraci sacharidů po odstranění inhibitorů? Jaký byl pokles sacharidů? Studentka odpověděla na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi studentka prokázala výbornou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomantka prokázala nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Chemistry of Bioactive Substances (CHBL)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
Mgr. Ondřej Vašíček, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Xenie Hájková, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Zuzany Fajtové se zabývá využitím lignocelulózových hydrolyzátů pro produkci polyhydroxyalkanoátů pomocí termofilních bakterií, konkrétně Caldimonas thermodepolymerans DSM 15344 a upraveného kmene s glukózovým transportérem. Práce je zaměřena na velmi aktuální problematiku využití odpadních substrátů v biotechnologiích a zapadá do konceptu cirkulární ekonomiky a udržitelných výrobních procesů. Studentka při řešení práce prokázala schopnost samostatné experimentální práce, kritického myšlení i velmi dobrou orientaci v řešené problematice.
Teoretická část práce má skutečně rešeršní charakter a je zpracována na velmi dobré odborné úrovni. Studentka pracovala s rozsáhlým množstvím aktuálních literárních zdrojů, které vhodně propojila a kriticky zhodnotila. Oceňuji zejména komplexní zpracování problematiky produkce PHA z odpadních substrátů, včetně přehledného shrnutí možností předúpravy lignocelulózové biomasy a využití extremofilních producentů PHA.
Experimentální část je zpracována přehledně a systematicky. Studentka se aktivně podílela na návrhu experimentů a při řešení dílčích problémů přicházela s vlastními návrhy možných řešení. Velmi pozitivně hodnotím její schopnost kriticky interpretovat získané výsledky a diskutovat jejich souvislosti s publikovanými studiemi. Výsledky práce ukazují, že lignocelulózové hydrolyzáty mohou představovat perspektivní substrát pro produkci PHB pomocí termofilních bakterií, přičemž důležitým faktorem je zejména zpracování lignocelulózy a případná optimalizace detoxifikace získaných hydrolyzátů.
Studentka během řešení práce pravidelně konzultovala postup experimentů, na konzultace byla vždy pečlivě připravena a projevovala aktivní zájem o řešenou problematiku. Velice oceňuji její odhodlaný přístup. K řešení zadaných úkolů přistupovala zodpovědně, samostatně a velmi svědomitě.
Předložená diplomová práce splňuje všechny požadavky kladené na tento typ kvalifikační práce, a proto ji doporučuji k obhajobě s hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Vendula Hrabalová, Ph.D.

Studentka Bc. Zuzana Fajtová se ve své diplomové práci zabývala využitím lignocelulózových hydrolyzátů pro produkci polyhydroxyalkanoátů pomocí termofilních bakterií, konkrétně kmenů Caldimonas thermodepolymerans DSM 15344 a GLF3. Téma práce považuji za aktuální a přínosné, protože propojuje využití odpadních surovin s produkcí biologicky rozložitelných polymerů. Zadání práce bylo zaměřeno na literární rešerši, testování kultivačních podmínek s využitím lignocelulózových hydrolyzátů a sledování efektivity kultivačního procesu; všechny tyto body byly splněny.

Teoretická část práce je přehledně zpracovaná a čtivá, čtenáře uvádí do problematiky PHA, odpadních substrátů i termofilních producentů. Oceňuji, že studentka v rešeršní části neuvádí pouze obecný popis problematiky, ale zařazuje také aktuální poznatky jiných autorů a výzkumných skupin, které se věnují podobnému tématu. Teoretická část tak dobře zasazuje vlastní experimentální práci do širšího odborného kontextu.

Experimentální část je rozsáhlá a dobře navržená. Studentka pracovala nejen s modelovými roztoky sacharidů, ale také s reálnými lignocelulózovými hydrolyzáty a s hydrolyzátem z pšeničné slámy vlastní přípravy. Přínosné je také porovnání dvou kmenů Caldimonas thermodepolymerans a zařazení různých detoxifikačních postupů. Výsledky ukazují, že využití reálných hydrolyzátů je možné, avšak je významně ovlivněno jejich složením a přítomností inhibičních látek.

Velmi pozitivně hodnotím také výsledkovou část a diskusi. Studentka se nad získanými výsledky průběžně zamýšlí a nesnaží se pouze mechanicky popsat naměřená data. V případech, kdy výsledky nevycházely podle očekávání, se snaží hledat možné důvody a diskutovat, proč tomu tak mohlo být. Tuto schopnost kriticky interpretovat i méně jednoznačné nebo problematické výsledky považuji u experimentální diplomové práce za velmi důležitou.

K práci mám pouze dílčí připomínky. V textu se místy objevují formulační a jazykové nepřesnosti, např. drobné překlepy a chybné tvary slov na str. 7, 24, 40 nebo v závěru práce. Některé části diskuse by mohly být ještě podrobnější, například z hlediska konkrétního složení inhibičních látek v hydrolyzátech nebo praktického využití detoxifikačního kroku ve větším měřítku. Tyto nedostatky však nepovažuji za zásadní a nesnižují celkovou kvalitu práce.

Celkově hodnotím diplomovou práci jako kvalitní, experimentálně dobře zpracovanou a přínosnou. Studentka prokázala schopnost samostatné laboratorní práce, zpracování výsledků i jejich odborné interpretace. Diplomovou práci hodnotím stupněm A, a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování B
Formální úroveň práce – celkový dojem B
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. 1/ Detoxifikace aktivním uhlím se ukázala jako nejvhodnější z testovaných metod. Jaká by podle Vás mohla být hlavní omezení této metody při případném převodu do většího měřítka?
  2. 2/ U hydrolyzátů jste sledovala především celkový obsah fenolických látek spektrometricky pomocí metody Folin-Ciocalteu. Jaké konkrétní inhibitory byste v hydrolyzátu z pšeničné slámy očekávala, a jakými metodami byste je stanovila přesněji než pouze jako celkové fenolické látky?
  3. 3/ Kdybyste v navazující práci měla vybrat pouze jeden nejdůležitější parametr, který byste dále optimalizovala pro zvýšení produkce PHB z lignocelulózového hydrolyzátu, který by to byl a proč?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová