AbstractSimultaneous saccharificati

Abstract
Simultaneous saccharification and acetone–ethanol–butanol (ABE) fermentation was conducted in order to reduce the number of steps involved in the conversion of lignocellulosic biomass into butanol. Enzymatic saccharification of pretreated oil palm empty fruit bunch (OPEFB) by cellulase produced 31.58 g/l of fermentable sugar. This saccharification was conducted at conditions similar to the conditions required for ABE fermentation. The simultaneous process by Clostridium acetobutylicum ATCC 824 produced 4.45 g/l of ABE with butanol concentration of 2.75 g/l. The butanol yield of 0.11 g/g and ABE yield of 0.18 g/g were obtained from this simultaneous process as compared to the two-step process (0.10 g/g of butanol yield and 0.14 g/g of ABE yield). In addition, the simultaneous process also produced higher cumulative hydrogen (282.42 ml) than to the two-step process (222.02 ml) after 96 h of fermentation time. This study suggested that the simultaneous process has the potential to be implemented for the integrated production of butanol and hydrogen from lignocellulosic biomass.

Keywords
Biobutanol; Biohydrogen; Clostridium acetobutylicum; Saccharification; Lignocellulosic biomass; Simultaneous saccharification fermentation
Abbreviations
ABE, acetone–butanol–ethanol; DCW, dry cell weight; DNS, dinitrosalicylic acid; GHG, greenhouse gasses; OD, optical density; OPEFB, oil palm empty fruit bunch; RCM, Reinforced Clostridial Medium
1. Introduction
Renewable biofuel is now attracting many researchers to focus on producing butanol through acetone–butanol–ethanol (ABE) fermentation. The advantages of butanol over other alcoholic fuels (methanol and ethanol) have been discussed in many articles [1], [2] and [3] and have strengthened the reason why butanol production has attracted much attention. One of the best advantages is butanol's similarity in characteristics to gasoline, making it one of the best candidates to replace our demand on petrol fuels. Butanol can be produced from cellulosic material, usually lignocellulosic biomass generated by the agricultural industry [4]. This biomass is the most abundant material on Earth that can serve as fermentation feedstock due to its chemical compositions. It is composed of cellulose and hemicellulose, which can be converted into sugar monomers (hexoses and pentoses sugar) [5].

However, utilization of lignocellulosic biomass as fermentation feedstock (in this case for ABE fermentation) faces several challenges. For instance, it involves many steps or processes, which include substrate pretreatment, saccharification, sugar recovery, ABE fermentation and product recovery [6] and [7]. Pretreatment is a procedure required to remove or to alter the lignin structure, so that the internal part of cellulose and hemicellulose can be accessed by cellulase for the saccharification process [8]. Pretreatment methods for lignocellulosic biomass have been extensively studied using mechanical, chemical and biological means, with the aim of improving the efficiency of hydrolysis into fermentable sugar [9]. Saccharification is a process to hydrolyze the cellulose and hemicellulose into sugar monomers using either acid or enzyme called cellulase [10], and sugar recovery is a separation process of the remaining solid biomass left after saccharification before the sugar can be used as carbon source for ABE fermentation [7] and [11]. Each of the processes contributes to time consumption and the cost for materials and apparatus. Any combinations of these processes into a single step or step that can be carried out simultaneously can reduce the production cost and time. Therefore, this study was performed to investigate the potential of the simultaneous enzymatic saccharification and ABE fermentation (simultaneous process) to be compared with the separate enzymatic saccharification and ABE fermentation (two-step process) using pretreated oil palm empty fruit bunch (OPEFB) as a substrate model.

Clostridia are the most common microorganisms employed for ABE fermentation. These species are able to consume both hexose and pentose sugars released from lignocellulosic biomass. In previous findings, strain Clostridium acetobutylicum ATCC 824 was able to convert 60 g/l of glucose into 15 g/l of ABE [12] and 60 g/l of xylose into 12 g/l of ABE. Many other lignocellulosic biomass has been tested for ABE fermentation using several species of Clostridia. For example, C. acetobutylicum, Clostridium beijerinckii and Clostridium saccharoperbutylicum were employed to produce butanol using sago pith residue, OPEFB, oil palm decanter cake, corn fibre and many others [4], [11] and [13], while Clostridium butyricum EB6 was once tested for ABE fermentation using pretreated OPEFB [7]. Clostridia with the ability to produce cellulase were previously isolated [14], however, the capability of this species to conduct simultaneous degradation of lignocellulosic biomass into ABE is not known yet. In fact, very little work has been performed on simultaneous process, including by adding cellulase into the ABE fermentation system as presented in this study.

In addition, the utilization of pretreated OPEFB as a substrate also provides some advantages to the industry. Not only is it helping the industry to manage their abundant lignocellulosic waste, but it also helps in generating extra profit and at the same time reducing the release of greenhouse gases (GHG) into the atmosphere [15]. It should be noted that OPEFB is one of the most abundant lignocellulosic biomass generated by the palm oil industry. At present, this biomass is either burnt in the incinerator or left at the mill without any proper treatments. As of now, only few palm oil industries are converting this biomass into compost, while many of them still have difficulties in managing this waste. Thus, research towards the utilization of oil palm biomass including OPEFB into valuable products is necessary to provide subsequent improvements for lignocellulosic waste management that will contribute to a greener environmental solution in the future. In addition, this study also investigated hydrogen production because hydrogen is also produced from ABE fermentation as a by-product which adds another advantage to this simultaneous fermentation system as our future renewable biofuel production.

2. Materials and methods
2.1. Experimental design

Two types of ABE fermentation were tested in this study (1) separate enzymatic saccharification and ABE fermentation (two-step process) and (2) simultaneous enzymatic saccharification and ABE fermentation (simultaneous process) as shown in Fig. 1. Both processes use pretreated OPEFB as substrate. In the two-step process, pretreated OPEFB was first converted into fermentable sugar by commercial cellulase (Celluclast 1.5 L) before this fermentable sugar was supplied as carbon source for ABE fermentation by employing C. acetobutylicum ATCC 824. In the simultaneous process, pretreated OPEFB was directly converted into ABE by adding together the Celluclast and C. acetobutylicum ATCC 824 into the flask containing pretreated OPEFB. Results from these two processes were compared for the ABE yield and concentration. Since hydrogen was also produced from these processes, an analysis to determine hydrogen production has also been conducted.

Experimental design for ABE fermentation using pretreated OPEFB as substrate ...
Fig. 1.
Experimental design for ABE fermentation using pretreated OPEFB as substrate through (1) separate enzymatic saccharification and ABE fermentation (two-step process) and (2) simultaneous enzymatic saccharification and ABE fermentation (simultaneous process).
Figure options
2.2. Substrate preparation

Pressed and shredded OPEFB was obtained from Dengkil Palm Oil Mill, Hulu Langat, Selangor, Malaysia. The shredded OPEFB with a size of 3–5 mm was soaked overnight in a commercial dish washing detergent before it was washed with tap water to remove oil and dust. Then, the washed OPEFB was dried in an oven at 60 °C for 24 h. A 100 g of washed OPEFB was soaked in 2 L of 2% NaOH for 4 h followed by autoclaving at 121 °C, for 5 min before it was washed again with tap water to remove the alkali until almost neutral pH was obtained, as mentioned by Umi Kalsom et al. [16]. The pretreated OPEFB was dried in an oven at 60 °C for 24 h and stored in a sealed plastic container prior to the saccharification and fermentation process.

2.3. Enzymatic saccharification of pretreated OPEFB for ABE fermentation

Commercial cellulase (Celluclast 1.5 L, Novozyme, Denmark) was used for the saccharification of pretreated OPEFB into fermentable sugar. The cellulase stock was diluted in 0.1 M of phosphate buffer, pH 5.5 to give an initial β-glucosidase activity of 5.0 U/ml before it was filtered through 0.45 μm of membrane filter (Millipore, Denmark) using a vacuum pump to remove the remaining debris from the cellulase solution.

In this study, five different conditions of enzymatic saccharification by cellulase were performed. This experimental design was conducted to investigate the suitability of enzymatic saccharification by cellulase when performed at conditions similar to the ABE fermentation. All the saccharification processes were performed at 100 ml working volume using 5% (w/v) of pretreated OPEFB and cellulase with initial β-glucosidase activity of 5.0 U/ml. β-Glucosidase was chosen as a cellulase indicator because it is a rate limiting-enzyme as mentioned by Ibrahim et al. [17]. The saccharification was conducted in a shaker incubator (Labwit, China) with an agitation speed of 150 rpm, temperature at 37 °C for 144 h. The five different conditions for enzymatic saccharification of pretreated OPEFB were as follows:

C1 – Sterile saccharification in shake flask without sodium azide. A 5% of pretreated OPEFB was weighted into 250-ml shake flask and autoclaved at 121 °C for 15 min. A 100 ml of prepared cellulase was st

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

บทคัดย่อพร้อม saccharification และอะซีโตนเอทานอลบิวทานอ (อะเบะ) วิธีการหมักเพื่อลดจำนวนขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับการแปลง lignocellulosic ชีวมวลเป็นบิวทานอ Saccharification เอนไซม์ในระบบของปาล์มน้ำมัน pretreated ว่างผลไม้พวง (OPEFB) โดย cellulase ผลิต 31.58 บัญชี fermentable น้ำตาล Saccharification นี้ได้ดำเนินการในเงื่อนไขที่เหมือนกับเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับหมักอะเบะ กระบวนการเกิดจากเชื้อ Clostridium acetobutylicum ATCC 824 ผลิต 4.45 g/l ของอะเบะกับบิวทานอความเข้มข้นของ 2.75 g/l ผลผลิตบิวทานอของ 0.11 g/g และผลผลิตอะเบะของ 0.18 g/g ได้รับมาจากกระบวนการนี้เกิดขึ้นพร้อมกันเมื่อเทียบกับสองขั้นตอน (0.10 g/g ของผลผลิตบิวทานอและ 0.14 g/g ของอะเบะผลตอบแทน) กระบวนการพร้อมยังผลิตไฮโดรเจนสะสมสูง (มล 282.42) มากกว่ากระบวนการสองขั้นตอน (222.02 ml) หลัง h 96 เวลาหมัก การศึกษานี้แนะนำว่า การพร้อมมีศักยภาพในการนำมาใช้ในการผลิตรวมของบิวทานอและไฮโดรเจนจากชีวมวล lignocellulosicคำสำคัญBiobutanol Biohydrogen เชื้อ clostridium acetobutylicum Saccharification ชีวมวล lignocellulosic หมัก saccharification พร้อมคำย่ออะเบะ อะซิโตนบิวทานอเอทานอล DCW น้ำหนักเซลล์แห้ง DNS กรด dinitrosalicylic ปริมาณ เรือนกระจก gasses OD ความหนาแน่นออปติคอล OPEFB ปาล์มเปล่าผลไม้พวง RCM เสริมกลาง Clostridial1. บทนำเชื้อเพลิงชีวภาพทดแทนตอนนี้จะดึงดูดนักวิจัยจำนวนมากให้ความสำคัญกับการผลิตบิวทานอผ่านการหมักอะซิโตนบิวทานอเอทานอล (อะเบะ) ข้อดีของบิวทานอกว่าเชื้ออื่น ๆ แอลกอฮอล์ (เมทานอลและเอทานอล) ได้กล่าวถึงในบทความมากมาย [1], [2] [3] และมีความเข้มแข็งเหตุผลทำไมผลิตบิวทานอได้ดึงดูดความสนใจมาก หนึ่งข้อดีสุดของบิวทานอความคล้ายคลึงกันในลักษณะการน้ำมัน ให้ผู้สมัครที่ดีที่สุดเพื่อทดแทนความต้องการของเราในน้ำมันเชื้อเพลิงได้ สามารถผลิตบิวทานอจาก cellulosic วัสดุ ชีวมวลมักจะ lignocellulosic ที่สร้างขึ้น โดยอุตสาหกรรมเกษตร [4] ชีวมวลนี้เป็นวัสดุอุดมสมบูรณ์ที่สุดในโลกที่สามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการหมักเนื่องจากองค์ของเคมี ประกอบด้วยเซลลูโลสและ hemicellulose ซึ่งสามารถแปลงเป็น monomers น้ำตาล (น้ำตาล hexoses และ pentoses) [5]อย่างไรก็ตาม การใช้ประโยชน์ของชีวมวล lignocellulosic เป็นวัตถุดิบหมัก (ในกรณีนี้สำหรับหมักอะเบะ) ใบหน้าท้าทายหลาย ตัวอย่าง เกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอนหรือกระบวนการต่าง ๆ ซึ่งรวมถึงพื้นผิว pretreatment, saccharification กู้คืนน้ำตาล หมักอะเบะ และกู้คืนผลิตภัณฑ์ [6] และ [7] Pretreatment เป็นกระบวนงานที่ต้อง การเอาออก หรือปรับเปลี่ยนโครงสร้าง lignin เพื่อให้สามารถเข้าถึงส่วนภายในของเซลลูโลสและ hemicellulose cellulase กระบวน saccharification [8] ชีวมวล lignocellulosic pretreatment วิธีมีการอย่างกว้างขวางศึกษาด้วยวิธีการทางกล ทางเคมี และชีวภาพ จุดมุ่งหมายของการพัฒนาประสิทธิภาพของไฮโตรไลซ์เป็นน้ำตาล fermentable [9] Saccharification กระบวนการ hydrolyze เซลลูโลสและ hemicellulose ในน้ำตาล monomers โดยใช้กรดหรือเอนไซม์ cellulase [10] ที่เรียกว่าการ และกู้คืนน้ำตาลเป็นกระบวนการแยกชีวมวลของแข็งเหลือทิ้งหลังจาก saccharification ก่อนสามารถใช้น้ำตาลเป็นแหล่งคาร์บอนสำหรับหมักอะเบะ [7] และ [11] แต่ละกระบวนรวมปริมาณการใช้เวลาและต้นทุนสำหรับวัสดุและเครื่องมือ การรวมของกระบวนการเหล่านี้ในขั้นตอนเดียวหรือขั้นตอนที่สามารถทำพร้อมกันสามารถลดต้นทุนการผลิตและเวลา ดังนั้น ศึกษานี้ได้ทำการตรวจสอบศักยภาพของ saccharification พร้อมเอนไซม์ในระบบการหมักอะเบะ (พร้อมกระบวนการ) ที่จะเปรียบเทียบกับ saccharification แยกเอนไซม์ในระบบการหมักอะเบะ (สองขั้นตอน) โดยใช้ปาล์มน้ำมัน pretreated พวงผลไม้ที่ว่างเปล่า (OPEFB) เป็นแบบจำลองพื้นผิวClostridia เป็นจุลินทรีย์พบมากที่สุดจ้างสำหรับหมักอะเบะ พันธุ์เหล่านี้จะใช้น้ำตาลเฮกโซสและ pentose ออกจากชีวมวล lignocellulosic ในการค้นพบก่อนหน้านี้ ต้องใช้เชื้อ Clostridium acetobutylicum ATCC 824 ก็สามารถแปลง 60 g/l ของกลูโคสเป็น 15 g/l ของอะเบะ [12] และ 60 g/l ของ xylose เป็น 12 g/l ของอะเบะ ชีวมวล lignocellulosic อื่น ๆ จำนวนมากได้รับการทดสอบสำหรับใช้หลายพันธุ์ Clostridia หมักอะเบะ ตัวอย่าง acetobutylicum ซี เชื้อ Clostridium beijerinckii และเชื้อ Clostridium saccharoperbutylicum ถูกจ้างผลิตบิวทานอใช้สาคูใสสารตกค้าง OPEFB เค้กเป่าน้ำมันปาล์ม เส้นใยข้าวโพด และอื่น ๆ อีกมากมาย [4], [11] [13], ในขณะที่เชื้อ Clostridium butyricum EB6 ครั้งทดสอบสำหรับหมักอะเบะใช้ OPEFB pretreated [7] และ Clostridia สามารถผลิต cellulase ที่แยกไว้ก่อนหน้านี้ [14] อย่างไรก็ตาม ความสามารถของนกชนิดนี้ทำพร้อมย่อยสลายของชีวมวล lignocellulosic เป็นอะเบะไม่ทราบได้ ในความเป็นจริง ได้ทำงานน้อยมากในกระบวนการเกิดขึ้นพร้อมกัน รวมถึงเพิ่ม cellulase ในระบบหมักอะเบะที่นำเสนอในการศึกษานี้ใช้ pretreated OPEFB เป็นพื้นผิวยังมีข้อได้เปรียบกับอุตสาหกรรมด้วย ไม่เพียงแต่จะช่วยอุตสาหกรรมจัดการเสีย lignocellulosic อุดมสมบูรณ์ แต่ยังช่วย ในการสร้างกำไรเพิ่ม และ ในเวลาเดียวกันลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (GHG) บรรยากาศ [15] ก็ควรจดบันทึกว่า OPEFB เป็นหนึ่งของชีวมวล lignocellulosic มากที่สุดที่สร้างขึ้น โดยอุตสาหกรรมปาล์มน้ำมัน ปัจจุบัน ชีวมวลนี้จะเผาในเตา หรือโรงสีโดยไม่มีการรักษาที่เหมาะสม ณ ตอนนี้ เพียงไม่กี่น้ำมันปาล์มอุตสาหกรรมกำลังแปลงชีวมวลนี้เป็นปุ๋ย ในขณะที่พวกเขายังคงมีความยากลำบากในการจัดการขยะนี้ งานวิจัยไปใช้ประโยชน์ของชีวมวลน้ำมันปาล์มรวมทั้ง OPEFB เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีคุณค่าจึงจำเป็นต้องให้ต่อมาปรับปรุงการจัดการของเสีย lignocellulosic ที่จะนำไปสู่การแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมสีเขียวในอนาคต นอกจากนี้ การศึกษานี้ยังตรวจสอบผลิตไฮโดรเจนเนื่องจากยังมีผลิตไฮโดรเจนจากหมักอะเบะเป็นผลพลอยได้ซึ่งจะได้เปรียบกับระบบหมักพร้อมกันนี้เป็นการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพทดแทนในอนาคตของเรา2. วัสดุและวิธีการ2.1 การทดลองออกแบบTwo types of ABE fermentation were tested in this study (1) separate enzymatic saccharification and ABE fermentation (two-step process) and (2) simultaneous enzymatic saccharification and ABE fermentation (simultaneous process) as shown in Fig. 1. Both processes use pretreated OPEFB as substrate. In the two-step process, pretreated OPEFB was first converted into fermentable sugar by commercial cellulase (Celluclast 1.5 L) before this fermentable sugar was supplied as carbon source for ABE fermentation by employing C. acetobutylicum ATCC 824. In the simultaneous process, pretreated OPEFB was directly converted into ABE by adding together the Celluclast and C. acetobutylicum ATCC 824 into the flask containing pretreated OPEFB. Results from these two processes were compared for the ABE yield and concentration. Since hydrogen was also produced from these processes, an analysis to determine hydrogen production has also been conducted.Experimental design for ABE fermentation using pretreated OPEFB as substrate ...Fig. 1. Experimental design for ABE fermentation using pretreated OPEFB as substrate through (1) separate enzymatic saccharification and ABE fermentation (two-step process) and (2) simultaneous enzymatic saccharification and ABE fermentation (simultaneous process).Figure options2.2. Substrate preparationPressed and shredded OPEFB was obtained from Dengkil Palm Oil Mill, Hulu Langat, Selangor, Malaysia. The shredded OPEFB with a size of 3–5 mm was soaked overnight in a commercial dish washing detergent before it was washed with tap water to remove oil and dust. Then, the washed OPEFB was dried in an oven at 60 °C for 24 h. A 100 g of washed OPEFB was soaked in 2 L of 2% NaOH for 4 h followed by autoclaving at 121 °C, for 5 min before it was washed again with tap water to remove the alkali until almost neutral pH was obtained, as mentioned by Umi Kalsom et al. [16]. The pretreated OPEFB was dried in an oven at 60 °C for 24 h and stored in a sealed plastic container prior to the saccharification and fermentation process.2.3. Enzymatic saccharification of pretreated OPEFB for ABE fermentationCommercial cellulase (Celluclast 1.5 L, Novozyme, Denmark) was used for the saccharification of pretreated OPEFB into fermentable sugar. The cellulase stock was diluted in 0.1 M of phosphate buffer, pH 5.5 to give an initial β-glucosidase activity of 5.0 U/ml before it was filtered through 0.45 μm of membrane filter (Millipore, Denmark) using a vacuum pump to remove the remaining debris from the cellulase solution.In this study, five different conditions of enzymatic saccharification by cellulase were performed. This experimental design was conducted to investigate the suitability of enzymatic saccharification by cellulase when performed at conditions similar to the ABE fermentation. All the saccharification processes were performed at 100 ml working volume using 5% (w/v) of pretreated OPEFB and cellulase with initial β-glucosidase activity of 5.0 U/ml. β-Glucosidase was chosen as a cellulase indicator because it is a rate limiting-enzyme as mentioned by Ibrahim et al. [17]. The saccharification was conducted in a shaker incubator (Labwit, China) with an agitation speed of 150 rpm, temperature at 37 °C for 144 h. The five different conditions for enzymatic saccharification of pretreated OPEFB were as follows:C1 – Sterile saccharification in shake flask without sodium azide. A 5% of pretreated OPEFB was weighted into 250-ml shake flask and autoclaved at 121 °C for 15 min. A 100 ml of prepared cellulase was st

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

บทคัดย่อ
saccharification พร้อมกันอะซีโตนและเอทานอลบิวทานอ-(ABE) หมักได้ดำเนินการเพื่อที่จะลดจำนวนของขั้นตอนที่เกี่ยวข้องในการแปลงพลังงานชีวมวลลิกโนเซลลูโลสเข้าบิวทานอ saccharification เอนไซม์ปรับสภาพของน้ำมันปาล์มทะลายว่างเปล่า (OPEFB) โดยผลิตเซลลูเลส 31.58 กรัม / ลิตรของน้ำตาลที่ย่อย saccharification นี้ได้ดำเนินการที่สภาวะคล้ายกับเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการหมัก ABE กระบวนการพร้อมกันโดย Clostridium acetobutylicum ATCC 824 ผลิต 4.45 กรัม / ลิตร ABE ที่มีความเข้มข้นของบิวทานอ 2.75 กรัม / ลิตร อัตราผลตอบแทนของบิวทานอ 0.11 กรัม / กรัมและผลผลิต ABE 0.18 กรัม / กรัมที่ได้รับจากกระบวนการพร้อมกันนี้เมื่อเทียบกับกระบวนการสองขั้นตอน (0.10 กรัม / กรัมของบิวทานอผลผลิตและ 0.14 กรัม / กรัมของผลผลิต ABE) นอกจากนี้กระบวนการพร้อมกันยังผลิตไฮโดรเจนสะสมสูงกว่า (282.42 มล.) มากกว่ากระบวนการสองขั้นตอน (222.02 มล.) หลังจาก 96 ชั่วโมงของเวลาในการหมัก การศึกษาครั้งนี้ชี้ให้เห็นว่ากระบวนการพร้อมกันมีศักยภาพที่จะนำมาใช้สำหรับการผลิตแบบบูรณาการและบิวทานอไฮโดรเจนจากชีวมวลลิกโนเซลลูโลสได้. คำbiobutanol; ไฮโดรเจน; Clostridium acetobutylicum; saccharification; ชีวมวลลิกโนเซลลูโลส; หมักพร้อมกัน saccharification ย่อABE, อะซิโตนบิวทานอ-เอทานอล; DCW น้ำหนักเซลล์แห้ง; DNS กรด dinitrosalicylic; ก๊าซเรือนกระจก, ก๊าซเรือนกระจก; OD ความหนาแน่นของแสง OPEFB น้ำมันปาล์มทะลายเปล่า RCM, เสริม Clostridial กลาง1 บทนำเชื้อเพลิงชีวภาพทดแทนขณะนี้ดึงดูดความสนใจของนักวิจัยหลายคนให้ความสำคัญกับการผลิตบิวทานอ-ผ่านอะซิโตนบิวทานอเอทานอล (ABE) การหมัก ข้อดีของบิวทานอกว่าเชื้อเพลิงอื่น ๆ ที่มีแอลกอฮอล์ (เอทานอลเมทานอลและ) ได้รับการกล่าวถึงในบทความจำนวนมาก [1], [2] [3] และมีความเข้มแข็งเหตุผลว่าทำไมการผลิตบิวทานอได้รับความสนใจมาก หนึ่งในข้อได้เปรียบที่ดีที่สุดคือความคล้ายคลึงกันบิวทานอในลักษณะกับน้ำมันเบนซินทำให้มันเป็นหนึ่งของผู้สมัครที่ดีที่สุดที่จะเข้ามาแทนที่ความต้องการของเราเกี่ยวกับน้ำมันเชื้อเพลิง บิวทานอสามารถผลิตได้จากวัสดุเซลลูโลสชีวมวลลิกโนเซลลูโลสมักจะสร้างขึ้นโดยอุตสาหกรรมเกษตร [4] ชีวมวลนี้เป็นวัสดุที่อุดมสมบูรณ์มากที่สุดในโลกที่สามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการหมักเนื่องจากองค์ประกอบทางเคมีของ มันประกอบด้วยเซลลูโลสเฮมิเซลลูโลสและซึ่งสามารถแปลงเป็นโมโนเมอร์น้ำตาล (hexoses และนํ้าตาลแพนโตน้ำตาล) [5]. อย่างไรก็ตามการใช้ประโยชน์จากชีวมวลลิกโนเซลลูโลสเป็นวัตถุดิบการหมัก (ในกรณีนี้สำหรับการหมัก ABE) เผชิญกับความท้าทายหลาย ยกตัวอย่างเช่นมันเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอนหรือกระบวนการซึ่งรวมถึงการปรับสภาพพื้นผิว, saccharification กู้น้ำตาลหมัก ABE และการกู้คืนสินค้า [6] [7] ปรับสภาพเป็นขั้นตอนที่จำเป็นที่จะลบหรือจะปรับเปลี่ยนโครงสร้างของลิกนินเพื่อให้เป็นส่วนหนึ่งภายในของเซลลูโลสเฮมิเซลลูโลสและสามารถเข้าถึงได้โดยเซลลูเลสสำหรับกระบวนการ saccharification [8] วิธีการปรับสภาพสำหรับพลังงานชีวมวลลิกโนเซลลูโลสที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางโดยใช้เครื่องจักรกลทางเคมีและวิธีการทางชีวภาพโดยมีจุดประสงค์ของการปรับปรุงประสิทธิภาพในการย่อยสลายเป็นน้ำตาลที่ย่อยเมื่อ [9] saccharification เป็นกระบวนการที่จะย่อยสลายเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลสออกเป็นโมโนเมอร์น้ำตาลโดยใช้กรดหรือเอนไซม์ที่เรียกว่าเซลลูเลส [10] และการกู้คืนน้ำตาลเป็นกระบวนการแยกของชีวมวลของแข็งที่เหลือหลัง saccharification ก่อนน้ำตาลสามารถใช้เป็นแหล่งคาร์บอนสำหรับ ABE หมัก [7] และ [11] แต่ละกระบวนการที่ก่อให้เกิดการสิ้นเปลืองเวลาและค่าใช้จ่ายสำหรับวัสดุและอุปกรณ์ รวมกันใด ๆ ของกระบวนการเหล่านี้เป็นขั้นตอนเดียวหรือขั้นตอนที่สามารถดำเนินการพร้อมกันสามารถลดต้นทุนการผลิตและเวลา ดังนั้นการศึกษาครั้งนี้ได้ดำเนินการในการตรวจสอบศักยภาพของ saccharification เอนไซม์พร้อมกันและหมัก ABE (ที่กระบวนการพร้อมกัน) ที่จะเทียบกับ saccharification เอนไซม์แยกต่างหากและหมัก ABE (กระบวนการสองขั้นตอน) โดยใช้น้ำมันปรับสภาพปาล์มทะลายว่างเปล่า (OPEFB) เช่น รูปแบบพื้นผิว. Clostridia เป็นจุลินทรีย์ที่พบมากที่สุดที่ใช้ในการหมัก ABE สายพันธุ์เหล่านี้จะสามารถใช้ทั้ง hexose และน้ำตาล pentose ปล่อยออกมาจากชีวมวลลิกโนเซลลูโลส ในผลการวิจัยก่อนหน้านี้สายพันธุ์เชื้อ Clostridium acetobutylicum ATCC 824 ก็สามารถที่จะแปลง 60 g / l ของน้ำตาลกลูโคสเป็น 15 กรัม / ลิตร ABE [12] และ 60 กรัม / ลิตรของไซโลสเป็น 12 กรัม / ลิตร ABE หลายชีวมวลลิกโนเซลลูโลสอื่น ๆ ที่ได้รับการทดสอบสำหรับการหมัก ABE ใช้หลายชนิด Clostridia ยกตัวอย่างเช่นซี acetobutylicum, Clostridium beijerinckii และ Clostridium saccharoperbutylicum ถูกว่าจ้างในการผลิตบิวทานอใช้สารตกค้างแก่นสาคู OPEFB น้ำมันปาล์มขวดเหล้าเค้กเส้นใยข้าวโพดและอื่น ๆ อีกมากมาย [4] [11] และ [13] ในขณะที่ Clostridium butyricum EB6 ได้รับการทดสอบครั้งเดียวสำหรับการหมัก ABE ใช้ปรับสภาพ OPEFB [7] clostridia ที่มีความสามารถในการผลิตเซลลูเลสที่แยกได้ก่อนหน้านี้ [14] แต่ความสามารถของสายพันธุ์นี้ในการดำเนินการพร้อมกันของการย่อยสลายชีวมวลลิกโนเซลลูโลสเข้า ABE ยังไม่ทราบ ในความเป็นจริงการทำงานน้อยมากได้รับการดำเนินการในขั้นตอนพร้อมกันรวมทั้งโดยการเพิ่มเซลลูเลสเข้าสู่ระบบหมัก ABE ตามที่นำเสนอในการศึกษานี้. นอกจากนี้ยังมีการใช้ประโยชน์จาก OPEFB ก่อนได้รับรังสีเป็นสารตั้งต้นยังมีข้อได้เปรียบบางอย่างให้กับอุตสาหกรรม ไม่เพียง แต่มันช่วยให้อุตสาหกรรมการจัดการของเสียของพวกเขาที่อุดมสมบูรณ์ลิกโนเซลลูโลส แต่ก็ยังช่วยในการสร้างกำไรพิเศษและในเวลาเดียวกันการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (GHG) ในบรรยากาศ [15] มันควรจะตั้งข้อสังเกตว่า OPEFB เป็นหนึ่งในชีวมวลลิกโนเซลลูโลสที่มีมากที่สุดที่เกิดจากอุตสาหกรรมน้ำมันปาล์ม ปัจจุบันชีวมวลนี้เป็นทั้งการเผาในเตาเผาหรือทิ้งไว้ที่โรงสีโดยไม่มีการรักษาที่เหมาะสมใด ๆ ณ ตอนนี้เพียงไม่กี่อุตสาหกรรมน้ำมันปาล์มมีการแปลงเป็นปุ๋ยหมักชีวมวลนี้ในขณะที่หลายคนยังคงมีความยากลำบากในการจัดการของเสียนี้ ดังนั้นการวิจัยไปสู่การใช้ประโยชน์จากชีวมวลปาล์มน้ำมันรวมทั้ง OPEFB เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีคุณค่ามีความจำเป็นที่จะต้องให้การปรับปรุงตามมาสำหรับการจัดการของเสียลิกโนเซลลูโลสที่จะนำไปสู่การแก้ปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในอนาคต นอกจากนี้การศึกษานี้ยังตรวจสอบการผลิตไฮโดรเจนเพราะไฮโดรเจนยังผลิตจากการหมัก ABE เป็นผลพลอยได้ซึ่งจะเพิ่มความได้เปรียบอีกครั้งเพื่อให้ระบบการหมักพร้อมกันนี้ในขณะที่การผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพของเราในอนาคตทดแทน. 2 วัสดุและวิธีการ2.1 การออกแบบการทดลองทั้งสองประเภทของการหมัก ABE ได้รับการทดสอบในการศึกษานี้ (1) saccharification เอนไซม์แยกต่างหากและหมัก ABE (กระบวนการสองขั้นตอน) และ (2) saccharification เอนไซม์พร้อมกันและหมัก ABE (กระบวนการพร้อมกัน) ดังแสดงในรูป 1. ทั้งสองกระบวนการใช้ OPEFB ก่อนได้รับรังสีเป็นสารตั้งต้น ในขั้นตอนสองขั้นตอน OPEFB ปรับสภาพถูกแปลงแรกเป็นน้ำตาลที่ย่อยโดยเซลลูเลสในเชิงพาณิชย์ (Celluclast 1.5 ลิตร) ก่อนที่จะย่อยน้ำตาลนี้ได้รับการจัดเป็นแหล่งคาร์บอนสำหรับการหมัก ABE โดยการค acetobutylicum ATCC 824 ในกระบวนการพร้อมกันปรับสภาพ OPEFB ถูกดัดแปลงโดยตรงใน ABE โดยการเพิ่มร่วมกัน Celluclast และ C acetobutylicum ATCC 824 ลงในขวดที่มีการปรับสภาพ OPEFB ผลลัพธ์ที่ได้จากทั้งสองกระบวนการเปรียบเทียบผลผลิต ABE และความเข้มข้น ตั้งแต่ไฮโดรเจนก็ยังผลิตจากกระบวนการเหล่านี้การวิเคราะห์เพื่อตรวจสอบการผลิตไฮโดรเจนได้รับการดำเนินการ. การออกแบบการทดลองสำหรับการหมัก ABE ใช้ OPEFB ปรับสภาพพื้นผิวเป็น ... รูป 1. การออกแบบการทดลองสำหรับการหมัก ABE ใช้ปรับสภาพ OPEFB เป็นพื้นผิวที่ผ่านการ (1) saccharification เอนไซม์แยกต่างหากและหมัก ABE (กระบวนการสองขั้นตอน) และ (2) saccharification เอนไซม์พร้อมกันและหมัก ABE (กระบวนการพร้อมกัน). เลือกรูปที่2.2 การเตรียมพื้นผิวอัดและ OPEFB ฝอยที่ได้รับจากโรงสี Dengkil ปาล์มน้ำมัน, Hulu Langat, ลังงอร์มาเลเซีย OPEFB ฝอยที่มีขนาด 3-5 มิลลิเมตรของแช่ค้างคืนในเชิงพาณิชย์จานน้ำยาล้างจานก่อนที่จะถูกล้างด้วยน้ำประปาเพื่อเอาน้ำมันและฝุ่นละออง จากนั้น OPEFB ล้างแห้งในเตาอบที่ 60 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 24 ชั่วโมง 100 กรัม OPEFB ล้างถูกแช่ใน 2 NaOH L 2% เป็นเวลา 4 ชั่วโมงตามด้วยการนึ่งฆ่าเชื้อที่ 121 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 5 นาทีก่อนที่จะถูกล้างอีกครั้งด้วยน้ำประปาที่จะเอาด่างจนค่า pH เป็นกลางเกือบได้เป็นที่กล่าวถึง โดย Umi Kalsom et al, [16] OPEFB ปรับสภาพแห้งในเตาอบที่ 60 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 24 ชั่วโมงและเก็บไว้ในภาชนะพลาสติกที่ปิดสนิทก่อนที่จะ saccharification และกระบวนการหมัก. 2.3 saccharification เอนไซม์ OPEFB ปรับสภาพสำหรับการหมัก ABE พาณิชย์เซลลูเลส (Celluclast 1.5 ลิตร, Novozyme, เดนมาร์ก) ที่ใช้สำหรับ saccharification ของ OPEFB ปรับสภาพเป็นน้ำตาลที่ย่อย หุ้นเซลลูเลสถูกเจือจางใน 0.1 M ของฟอสเฟตบัฟเฟอร์ค่า pH 5.5 ที่จะให้เป็นกิจกรรมβ-glucosidase เริ่มต้นของ 5.0 U / ml ก่อนที่จะถูกกรองผ่าน 0.45 ไมโครเมตรของเมมเบรนกรอง (ค, เดนมาร์ก) โดยใช้ปั๊มสุญญากาศในการลบส่วนที่เหลืออีก เศษซากจากการแก้ปัญหาเซลลูเลส. ในการศึกษานี้ห้าเงื่อนไขที่แตกต่างของ saccharification เอนไซม์เซลลูเลสโดยได้ดำเนินการ การออกแบบการทดลองนี้ได้ดำเนินการในการตรวจสอบความเหมาะสมของ saccharification เอนไซม์เซลลูเลสโดยเมื่อดำเนินการในสภาพคล้ายกับการหมัก ABE ทุกกระบวนการ saccharification ได้ดำเนินการใน 100 มล. ปริมาณการทำงานโดยใช้ 5% (w / v) OPEFB ก่อนได้รับรังสีและเซลลูเลสกับกิจกรรมβ-glucosidase เริ่มต้นของ 5.0 U / ml เบต้ากลูโคได้รับเลือกให้เป็นตัวบ่งชี้เซลลูเลสเพราะมันเป็นอัตรา จำกัด เอนไซม์ดังกล่าวโดยอิบราฮิมอัลเอต [17] saccharification ได้ดำเนินการในศูนย์บ่มเพาะปั่น (Labwit, จีน) ที่มีความเร็วในการกวน 150 รอบต่อนาทีของอุณหภูมิที่ 37 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 144 ชั่วโมง ห้าเงื่อนไขที่แตกต่างกันสำหรับ saccharification เอนไซม์ OPEFB ปรับสภาพมีดังนี้C1 - saccharification หมันในขวดโดยไม่ต้องสั่น azide โซเดียม 5% ของ OPEFB ปรับสภาพได้รับการถ่วงน้ำหนักลงไปในขวดเขย่า 250 มล. และเบาที่ 121 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 15 นาที 100 มล. ของเซลลูเลสที่เตรียมไว้เป็นเซนต์

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

บทคัดย่อเส้นและอะซิโตน เอทานอล
พร้อมกัน ) และบิวทานอล ( ABE ) โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อลดจำนวนของขั้นตอนที่เกี่ยวข้องในการแปลงชีวมวล lignocellulosic เป็นบิวทานอล . เอนไซม์ที่ผ่านเส้นของปาล์มน้ํามันว่างเปล่าผลไม้พวง ( opefb ) โดยเอนไซม์ที่ผลิต 31.58 กรัม / ลิตรกรัมน้ำตาลเส้นนี้ดำเนินการที่สภาวะคล้ายกับเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับอาเบะ การหมัก พร้อมกันโดยกระบวนการ Clostridium acetobutylicum ATCC 824 ผลิต 4.45 กรัม / ลิตร ของ อาเบะ กับความเข้มข้นของบิวทานอล 2.75 กรัม / ลิตร บิวทานอลน้ำหนัก 0.11 กรัม / กรัม และจากผลผลิตของ 0.18 กรัม / กรัม ได้จากกระบวนการพร้อมกันนี้เมื่อเทียบกับกระบวนการสองขั้นตอน ( 010 กรัม / กรัมให้ผลผลิตบิวทานอลและ 0.14 กรัม / กรัมของอาเบะ ผลผลิต ) นอกจากนี้กระบวนการผลิตยังสูงกว่าพร้อมกันสะสมไฮโดรเจน ( 282.42 มิลลิลิตร ) กว่ากระบวนการสองขั้นตอน ( 222.02 มิลลิลิตร ) หลังจากเวลา 96 ชั่วโมงของการหมัก การศึกษานี้ชี้ให้เห็นว่า กระบวนการพร้อมกันมีศักยภาพที่จะดำเนินการเพื่อบูรณาการการผลิตบิวทานอลและไฮโดรเจนจากชีวมวล lignocellulosic


คำสำคัญไบโอบิวทาน ; ไบโอไฮโดรเจน ; Clostridium acetobutylicum ; ถูก ; มวลชีวภาพ lignocellulosic ; พร้อมกันที่ถูกหมัก
อักษรย่อ
อาเบะ อะซิโตน และบิวทานอลและเอทานอล dcw น้ำหนักเซลล์แห้ง dinitrosalicylic DNS , กรด ; GHG เรือนกระจก gasses ; OD , ความหนาแน่นของแสง opefb ปาล์มน้ํามันว่างเปล่าผลไม้พวง ; จำนวน เสริมแรง ปานกลาง clostridial
1 บทนำ
พลังงานทดแทนเชื้อเพลิงชีวภาพ คือตอนนี้ดึงดูดนักวิจัยหลายคนที่จะมุ่งเน้นการผลิตบิวทานอลอะซิโตน - บิวทานอลและเอทานอลผ่าน ( ABE ) หมัก ข้อดีของบิวทานอลกว่าเชื้อเพลิงแอลกอฮอล์ ( เมทานอลและเอทานอล ) ได้รับการกล่าวถึงในหลายบทความ [ 1 ] , [ 2 ] และ [ 3 ] และมีความเข้มแข็ง เหตุผลผลิตบิวทานอลได้ดึงดูดความสนใจมากหนึ่งในประโยชน์ที่ดีที่สุดคือความเหมือนบิวทานอลเป็นลักษณะน้ำมันที่ทำให้หนึ่งในผู้สมัครที่ดีที่สุดเพื่อแทนที่ความต้องการของเราในเชื้อเพลิงเบนซิน . บิวทานอลสามารถผลิตได้จากวัสดุชีวมวล cellulosic , มักจะ lignocellulosic ที่สร้างขึ้นโดยอุตสาหกรรมการเกษตร [ 4 ]ชีวมวลนี้ที่มีมากที่สุดบนโลกใบนี้ที่สามารถใช้เป็นวัสดุหมักวัตถุดิบเนื่องจากมีองค์ประกอบทางเคมี . มันประกอบด้วยเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลส ซึ่งสามารถแปลงเป็นโมโนเมอร์ ( hexoses น้ำตาลและน้ำตาลเพนโทส ) [ 5 ] .

แต่การใช้ชีวมวล lignocellulosic เป็นวัตถุดิบในการหมัก ( ในกรณีนี้จากการหมัก ) เผชิญกับความท้าทายหลายตัวอย่าง มันเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอนหรือกระบวนการซึ่งรวมถึงการบำบัดเส้นพื้นผิว , การกู้คืนการกู้คืนจากการหมักน้ำตาลและผลิตภัณฑ์ [ 6 ] [ 7 ] การเป็นขั้นตอนที่จำเป็นเพื่อลบหรือปรับเปลี่ยนโครงสร้างของลิกนิน ดังนั้นส่วนภายในของเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลส สามารถเข้าถึงได้โดยเอนไซม์ในกระบวนการ saccharification [ 8 ]วิธีการหามวลชีวภาพ lignocellulosic ได้รับอย่างกว้างขวาง การเปลี่ยนแปลงทาง เคมี และชีววิทยา หมายถึงมีวัตถุประสงค์ของการปรับปรุงประสิทธิภาพของการย่อยน้ำตาลเป็นกรัม [ 9 ] ที่ถูกคือ กระบวนการย่อยสลายเซลลูโลส และเฮมิเซลลูโลสในน้ำตาลมอนอเมอร์ใช้กรดหรือเอนไซม์ที่เรียกว่า เซลลูเลส [ 10 ]และการกู้คืนน้ำตาลคือกระบวนการแยกที่เหลือแข็งชีวมวลที่เหลือหลังจากถูกก่อน น้ำตาล สามารถใช้เป็นแหล่งคาร์บอนสำหรับอาเบะหมัก [ 7 ] และ [ 11 ] ของแต่ละกระบวนการเพื่อการจัดสรรเวลาและค่าใช้จ่ายของวัสดุและอุปกรณ์ชุดใด ๆของกระบวนการเหล่านี้เป็นขั้นตอนเดียวหรือขั้นตอนที่สามารถดำเนินการพร้อมกันสามารถลดต้นทุนการผลิตและเวลา ดังนั้น