Please use this identifier to cite or link to this item: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/70155
Title: Butanol fermentation process from sugarcane juice by clostridium acetobutylicum immobilized on silk cocoons
Other Titles: กระบวนการหมักบิวทานอลจากน้ำอ้อยโดย Clostridium acetobutylicum ที่ถูกตรึงบนรังไหมบาง
Authors: Nutshera Kittithanesuan
Advisors: Muenduen Phisalaphong
Other author: Chulalongkorn University. Faculty of Engineering
Advisor's Email: Muenduen.P@Chula.ac.th
Issue Date: 2014
Publisher: Chulalongkorn University
Abstract: Butanol, a kind of alcohol, can be used as a fuel oil in forms of gasoline-alcohol blend (gasohol) for automobiles and other vehicles. The gasohol basically demotes gasoline usage, but promotes the efficiency of the combustion engine. Besides butanol is recently derived from petroleum, it is obtained from fermenting with Clostridium strain as butanol-producing bacteria in the presence of sugar or starch as a carbon source. Butanol produced from the fermentation generally presents in the mixture of acetone, butanol, and ethanol (ABE). However, currently, the particular ABE fermentation yields low butanol productivity. Therefore, this study aimed to improve the butanol production to achieve higher productivity in the industrial scale, and to reduce the production cost by using the sucrose-rich sugarcane juice as a cheaper carbon source. In the present study, the batch fermentation was performed using Clostridium acetobutylicum (ATCC824). In addition, thin shell silk cocoon (TSC), a residual from the silk industry, was used as a nitrogen source as well as a support material for the immobilization of C. acetobutylicum. The ABE fermentations were operated under an anaerobic condition at the controlled temperature of 35 °C, pH of 4.5-5.0, and the rotational speed of 200 rpm in all batches. In the study of effect of nitrogen sources which were yeast extract and thin-shell silk cocoon fragment on the fermentation, it was found that those nitrogen sources were a great combined nitrogen source providing ABE products at the highest concentrations of approximately 8.03, 12.72, and 1.50 g/L, respectively. Furthermore, in the immobilized culture (IC-TSC), the initial concentration of sugarcane juice (80, 90, 100 g/L) affected the ABE concentrations. The optimum initial sugar concentration and fermentation period were 80 g/L and 132 h yielding ABE at the greatest concentrations of 4.2, 15, and 1.6 g/L, respectively (productivity based on the total ABE concentration of 0.15 g/L/h). As compared the IC-TSC to the suspended culture (SC) under the identical condition, SC provided the lower contents of acetone and butanol (3.46 and 14.03 g/L, respectively). Whereas, the similar concentration (1.4-1.6 g/L) of ethanol in both culture systems was shown. In the repeated batch of IC-TSC, butanol at 5.8 g/L was appeared in the first cycle at 72 h of fermentation period, but 13.0, 12.7 and 12.8 g/L were obtained in the second, third and fourth cycle, respectively after 48 h of the fermentation (productivity based on the total ABE concentration of 0.43 g/L/h). In addition, the evaluation of the environmental impact, in terms of CO2 emissions was performed associated with three processes: raw material preparation, fermentation process, and electric utility in the production. A Life Cycle Assessment (LCA) based on the Ecoinvent database was utilized as a tool for this study. According to the information from the experimental data, 1000 g of the main product (butanol) operated in batch and repeated batch systems were set as the basis of the LCA. Since butanol and acetone productivities are considerably enhanced by using immobilized culture (IC) on TSC in repeated batch fermentation, the total CO2 emissions per butanol production significantly decreased. The evaluation reveals that the total CO2 emissions from batch and repeated batch systems are 32.07 and 3.36 kg CO2/kg butanol, respectively.
Other Abstract: บิวทานอลเป็นแอลกอฮอล์ชนิดหนึ่งที่สามารถนำมาใช้เป็นน้ำมันเชื้อเพลิงร่วมกับน้ำมันเบนซิน (แก๊สโซฮอล์) ให้กับรถยนต์และยานพาหนะอื่นๆ โดยแก๊สโซฮอล์จะช่วยลดการใช้น้ำมัน แต่เพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องยนต์ได้อีกด้วย นอกจากการแยกบิวทานอลออกมาจากน้ำมันปิโตรเลียมแล้ว การผลิตบิวทานอลยังทำได้โดยการใช้กระบวนการหมักด้วยจุลินทรีย์คลอสติเดียมซึ่งใช้น้ำตาลหรือแป้งเป็นแหล่งคาร์บอนทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ผสมของอะซีโตน-บิวทานอล-เอทานอล อย่างไรก็ตามในปัจจุบันกระบวนการหมักดังกล่าวยังมีกำลังการผลิตต่ำ ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงพยายามปรับปรุงกระบวนการผลิตเพื่อให้สามารถผลิตบิวทานอลได้ในเชิงพาณิชย์ในกำลังการผลิตที่สูงขึ้น รวมไปถึงการใช้วัตถุดิบที่มีราคาถูกแต่มีปริมาณน้ำตาลสูง เช่น น้ำอ้อย เป็นแหล่งคาร์บอนของจุลินทรีย์ เพื่อลดต้นทุนในกระบวนการหมัก งานวิจัยนี้มีการใช้กระบวนการหมักแบบกะด้วยจุลินทรีย์คลอสติเดียม อะซีโตบิวทีลิคัม (ATCC 824) นอกจากนี้ยังนำรังไหมบางซึ่งเป็นวัสดุเหลือใช้จากโรงงานไหมมาใช้เป็นแหล่งไนโตรเจนและใช้เป็นวัสดุตรึงเซลล์ในกระบวนการหมักอีกด้วย โดยในแต่ละรอบของกระบวนการหมักได้ดำเนินการภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจนและควบคุมอุณหภูมิที่ 35 องศาเซลเซียส ความเป็นกรด-ด่าง 4.5-5.0 และความเร็วในการปั่นกวน 200 รอบต่อนาที จากการศึกษาผลของแหล่งไนโตรเจนโดยใช้รังไหมบางร่วมกับสารสกัดยีสต์ในกระบวนการหมัก พบว่าการใช้รังไหมบางร่วมกับสารสกัดยีสต์สามารถเป็นแหล่งไนโตรเจนที่ดีให้กับจุลินทรีย์ได้ ซึ่งให้ผลิตภัณฑ์อะซิโตน บิวทานอล และ เอทานอลที่มีความเข้มข้นสูงสุดประมาณ 8.03, 12.72 และ 1.50 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ เมื่อศึกษาผลของความเข้มข้นของน้ำตาลเริ่มต้น (80, 90 และ 100 กรัมต่อลิตร) ที่มีผลต่อความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ผสมที่ได้ พบว่า สภาวะที่เหมาะสมที่สุดคือการใช้น้ำอ้อยที่มีความเข้มข้นของน้ำตาลเริ่มต้นเท่ากับ 80 กรัมต่อลิตรโดยใช้เวลาในการหมัก 132 ชั่วโมง ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์อะซิโตน บิวทานอล และ เอทานอลที่มีความเข้มข้นสูงสุดประมาณ 4.2, 15  และ 1.6 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ  โดยมีอัตราการผลิต 0.15 กรัมต่อลิตรต่อชั่วโมง เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการในระบบเซลล์อิสระที่สภาวะเดียวกัน พบว่า ระบบเซลล์อิสระสามารถผลิตอะซิโตนและบิวทานอลได้น้อยกว่าคือ 3.46 และ 14.03 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ ในขณะที่ทั้งสองระบบสามารถผลิตเอทานอลได้ใกล้เคียงกันคือ 1.4-1.6 กรัมต่อลิตร และอัตราการผลิตโดยรวมสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการหมักแบบกะที่มีการทำซ้ำโดยเซลล์ถูกตรึงบนรังไหมบาง พบว่าสามารถผลิตบิวทานอลได้ความเข้มข้น 5.8 กรัมต่อลิตรสำหรับการหมักรอบที่ 1 ที่เวลาในการหมัก 72 ชั่วโมง แต่การหมักรอบที่ 2, 3 และ 4 จะได้ความเข้มข้นของบิวทานอลเท่ากับ 13.0, 12.7 และ 12.8 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ ที่เวลาในการหมักแต่ละรอบเท่ากับ 48 ชั่วโมง ซึ่งคิดเป็นอัตราการผลิตเท่ากับ 0.43 กรัมต่อลิตรต่อชั่วโมง นอกจากนี้ได้ศึกษาการประเมินผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในแง่ของการปล่อย CO2 ที่เกี่ยวข้องกับสามกระบวนการได้แก่ การเตรียมวัตถุดิบ กระบวนการหมัก และ สาธารณูปโภคไฟฟ้า ใช้เครื่องมือการประเมินวัฏจักรชีวิต (LCA) ตามฐานข้อมูล Ecoinvent จากข้อมูลการทดลอง กำหนดให้ 1000 กรัมของผลิตภัณฑ์หลัก (บิวทานอล) ภายใต้การดำเนินการในกระบวนการหมักแบบกะและกระบวนการหมักแบบกะที่มีการทำซ้ำถูกใช้เป็นพื้นฐานในการประเมินผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากผลผลิตบิวทานอลและอะซีโตนจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อใช้ตรึงเซลล์บนรังไหมบาง ในกระบวนการหมักแบบกะที่มีการทำซ้ำปริมาณการปลดปล่อย CO2 รวมต่อการผลิตบิวทานอล 1 กิโลกรัมลดลงอย่างมาก การประเมินผลแสดงให้เห็นว่าการปล่อย CO2 ทั้งหมดจากกระบวนการหมักแบบกะและกระบวนการหมักแบบกะที่มีการทำซ้ำเป็น 32.07 และ 3.36 กิโลกรัม CO2 ต่อกิโลกรัมบิวทานอลตามลำดับ
Description: Thesis (Ph.D.)--Chulalongkorn University, 2014
Degree Name: Doctor of Engineering
Degree Level: Doctoral Degree
Degree Discipline: Chemical Engineering
URI: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/70155
Type: Thesis
Appears in Collections:Eng - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
5471405021.pdf4.27 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.