Optimization of keratinolytic protease production by Purpureocillium lilacinum LPS # 876 as a sustainable management of tannery hair waste

Abstract

El residuo pelo es conocido como un residuo sólido que es generado luego de un proceso de pelambre con recupero de pelo en la tecnología del cuero, y es producido en grandes cantidades en la provincia de Buenos Aires, Argentina. El método actual de tratamiento de este residuo es la disposición del mismo, lo que es problemático para el medio ambiente y costoso para las curtiembres. Su biodegradación por microorganismos queratinolíticos representa una alternativa para el tratamiento del mismo. En el presente trabajo se presenta la optimización de la producción de queratinasas por Purpureocillium lilacinum LPS # 876. En primer lugar, se utilizó el método de un factor a la vez, para investigar el efecto de las fuentes de nitrógeno, la concentración de iones metálicos en el medio mineral basal, así como, el pH inicial y la temperatura en la producción de la enzima. La composición del medio de cultivo para la producción de queratinasas por P. lilacinum se optimizó por el uso de dos métodos estadísticos: el diseño Plackett-Burman y el diseño central compuesto -combinado con metodologia de superficies de respuestautilizada para optimizar las tres variables estadísticamente representativas: pH inicial, glucosa y CaCl2 . Se determinaron las condiciones óptimas como 7.10 g l-1 de glucosa; 0.0065 mg l -1 de CaCl2 y pH inicial de 5,60; en esta condición, el rendimiento máximo predecible en actividad queratinolítica fue 26.7 U ml-1. La validación del modelo mostró que el modelo propuesto describe adecuadamente la influencia de la concentración de glucosa y el calcio y el pH inicial en la producción de enzimas queratinoliticas. La producción de queratinasas por P. lilacinum es un campo poco explotado que podría representar una nueva y prometedora aplicación biotecnológica para este microorganismo

Hair waste is recognized as a solid waste generated after a hair-saving unhairing process in leather technology, and it is produced in large amounts in Buenos Aires province, Argentine. The present method for this solid waste is disposal, which is environmentally troublesome and costly for the tanneries. Biodegradation of hair waste by keratinolytic microorganisms represents an alternative for bioconversion of keratin waste. This paper reports the optimization of keratinases production by Purpureocillium lilacinum LPS # 876. Firstly, one factor-at-a-time method was used to investigate the effect of nitrogen-sources, metal ions concentration in the basal mineral medium, as well as, initial pH and temperature on enzyme production. Medium composition for the keratinases production by P. lilacinum was optimized using two statistical methods: Plackett-Burman design and central composite design -combined with response surface methodology- used to optimize three significant variables: initial pH, glucose and CaCl2 . The optimal conditions were determined as 7.10 g l-1 of glucose; 0.0065 mg l -1 of CaCl2 and initial pH of 5.60; at this condition the maximum keratinase yield predicted was 26.7 U ml-1. The model validation showed that it described adequately the influence of glucose and calcium concentration and initial pH on enzyme production. Production of keratinases by P. lilacinum is a less-exploited field that might represent a novel and promising biotechnological application for this microorganism.