توصيفگر ها :
سوكسينيك اسيد , پالايشگاه زيستي , ارزيابي چرخه حيات , ملاس نيشكر , باگاس نيشكر , ويناس نيشكر
چكيده فارسي :
در اين پژوهش، به بررسي تاثير گاز كربن دي اكسيد بر روي رشد باكتري اكتينوباسيلوس سوكسينوژنز، امكان جايگزيني با گاز ضايعاتي تخمير در گونه كلستريديا و ارزيابي چرخه حيات در پالايشگاه زيستي سوكسينيك اسيد با محوريت ملاس، ويناس و باگاس نيشكر پرداختهشد. ابتدا نرخهاي متفاوت گاز كربن دي اكسيد بر روي رشد محصولات اصلي در ظرف مجهز به كنترلكننده برخط pH بررسي شد. در نبود گاز گربن دي اكسيد در pH ثابت خنثي، متابوليسم توليد باكتري به سمت توليد لاكتيك اسيد به عنوان محصول اصلي و اتانول و استيك اسيد به عنوان متابوليتهاي فرعي پيش رفته و بازده توليد لاكتيك اسيد بين 3/1 تا 5/1 گرم منبع كربن آلي/گرم محصول، حاصل شد. با افزايش نرخ گاز كربن دي اكسيد، توليد لاكتيك اسيد كاهش يافته و توليد سوكسينيك اسيد، افزايش يافته و محصولات جانبي فرميك اسيد و استيك اسيد توليد شدند. به گونه اي كه غلظت توليدي سوكسينيك اسيد با نرخ گاز vvm 4/0، برابر با 59/15 گرم بر ليتر و غلظت لاكتيك اسيد 49/2 گرم بر ليتر به دست آمد. به منظور جايگزيني منبع گازي كربن دي اكسيد با كربن دي اكسيد توليدشده حين تخمير كلستريديا، كشتهاي همزمان دو گونه انجام شد كه نتيجهگيري شد با درصد تلقيح 10 درصد از كلستريديا و 5 درصد اكتينوباسيلوس سوكسينوژنز، مي توان به توليد سوكسينيك اسيد معادل با نرخ هوادهي پيوستهvvm 1/0 رسيد. در ادامه پالايشگاه زيستي سوكسينيك اسيد با محوريت ملاس نيشكر بررسي شد و غلظتهاي 20 الي 100 گرم بر ليتر ملاس نيشكر براي توليد سوكسينيك اسيد در كشت ناپيوسته بررسي و غلظت 60 گرم بر ليتر ملاس نيشكر براي بررسيهاي بيشتر انتخاب شد. به منظور جايگزيني عصاره مخمر با ويناس نيشكر، غلظت 60 گرم بر ليتر ملاس نيشكر به همراه نسبتهاي مختلف ويناس-عصاره مخمر (10 -5، 5/12-5/2، 0-15 و 15-0 گرم بر ليتر) مورد آزمايش قرار گرفتند و در نهايت مشخص شد كه ويناس نيشكر به صورت كامل نميتواند جايگزين عصاره مخمر شود و مقدار 5 يا 5/2 گرم بر ليتر عصاره مخمر در محيط كشت ضروري است. در ادامه توليد لاكتيك اسيد از ملاس نيشكر توسط اين گونه نيز بررسي شد. آزمايش هاي حاصل به عنوان سناريوهاي پالايشگاه زيستي تعريف شدند تا در ادامه توسط روش ارزيابي چرخه حيات براي زيستتودههاي نسل اول گلوكز و نسل دوم ملاس نيشكر و باگاس نيشكر با روش توليد شيميايي بر مبناي مالئيك انهيدريد مورد ارزيابي اثرات زيستمحيطي قرار بگيرند. نتايج حاصل به اين صورت بود كه در دسته اثر گرماي جهاني و كاهش منابع فسيلي، بهترين سناريو، توليد سوكسينيك اسيد از ملاس و ويناس نيشكر در روش جداسازي استخراج واكنشي با مقدار 3.61 با واحد Kg CO2 eq. به دستآمد و در مقايسه با توليد سوكسينيك اسيد به روش شيميايي با مقدار 3.9، از ديگر سناريوهاي زيستي عملكرد بهتري از خود نشان دادهاست.
كليدواژه: سوكسينيك اسيد، پالايشگاه زيستي، ارزيابي چرخه حيات، ملاس نيشكر، باگاس نيشكر.
چكيده انگليسي :
In this study, the effect of carbon dioxide gas on the growth of Actinobacillus succinogenes, the possibility of replacing waste gases that are produced during Clostridia fermentation, and the life cycle assessment of a succinic acid biorefinery based on sugarcane molasses and vinasse were investigated. Initially, different flow rates of carbon dioxide gas were examined for their effect on metabolite production in a vessel equipped with an online pH controller. In the absence of carbon dioxide gas in the culture medium under a constant neutral pH, the metabolic pathway of the bacterium shifted towards lactic acid as the main product, and ethanol and acetic acid as by-products. The yield of lactic acid production ranged between 1.3 and 1.5 g/g. With increasing carbon dioxide gas flow rates, the bacterium’s metabolism changed, leading to a decrease in lactic acid production and an increase in succinic acid production. Additionally, formic acid and acetic acid were produced as by-products. At a gas flow rate of 0.4 vvm, the concentration of succinic acid reached 15.59 g/L, and that of lactic acid was 2.49 g/L. To replace the external carbon dioxide gas source with carbon dioxide produced during Clostridia fermentation, co-cultures of the two species were performed. It was concluded that with a 10% inoculum of Clostridia and 5% of Actinobacillus succinogenes, succinic acid production equivalent to a continuous aeration rate of 0.1 vvm could be achieved. Furthermore, in line with the biorefinery concept, a succinic acid biorefinery based on sugarcane molasses was explored. Concentrations of 20 to 100 g/L sugarcane molasses were tested for succinic acid production in batch culture in flasks, and 60 g/L was selected as the optimal concentration for further investigations. To replace yeast extract with sugarcane vinasse, 60 g/L sugarcane molasses was tested along with different yeast extract–vinasse ratios (10–5, 12.5–2.5, 0–10, and 10–0 g/L). It was ultimately concluded that sugarcane vinasse cannot fully replace yeast extract, and 5 or 2.5 g/L of yeast extract is essential in the culture medium. Subsequently, lactic acid production from sugarcane molasses by this strain was also investigated. The obtained experimental setups were defined as biorefinery scenarios and were further assessed for environmental impact using life cycle assessment (LCA) methodology for first-generation glucose and second-generation sugarcane molasses biomass, sugarcane bagasse biomass, and the chemical production method based on maleic anhydride. The results showed that in the categories of global warming potential and fossil resource depletion, the best scenario was the production of succinic acid from sugarcane molasses and vinasse, with 3.61 kg CO₂ eq. Compared to the chemical production method with 3.9 kg CO₂ eq., the biological scenarios demonstrated superior performance.
Keywords: Succinic acid, Biorefinery, Life cycle assessment, Sugarcane molasses, Sugarcane bagasse.