توصيفگر ها :
تخمير ABE , هيدروليز پايدار , ارزش گذاري همي سلولزها , تثبيت سلول , خودكافت , توليد مواد مغذي
چكيده فارسي :
زيست توده ليگنوسلولزي، به عنوان يك منبع تجديدپذير ارزان و فراوان، يك ماده اوليه مناسب براي توليد سوخت زيستي است. بخش هميسلولز اين زيستتوده، با وجود آنكه منبعي غني از كربن قابلتخمير است، معمولاً در فرايندهاي متداول توليد سوختهاي زيستي بهطور مؤثر مورد استفاده قرار نميگيرد و همين امر موجب كاهش راندمان تبديل زيستتودههاي ليگنوسلولزي داراي هميسلولز، از جمله باگاس نيشكر، شده است. در اين مطالعه، يك فرايند يكپارچه براي تبديل مؤثر همي¬سلولز و سلولز باگاس به استون، بوتانول و اتانول، با استفاده از باكتري كلستريديوم استوبوتيليكوم توسعه داده شد. اين فرايند شامل هيدروليز اسيد رقيق، پيش-فراوري حلال آلي، هيدروليز آنزيمي و تخمير بود. براي اطمينان از يك فرايند پايدار، محصولات فرعي تخمير اوليه (مانند اسيد استيك و اسيد بوتيريك) به عنوان عوامل اسيدي در هيدروليز اسيد رقيق همي¬سلولز براي استخراج زايلوز استفاده شد. بازده بازيابي زايلوز در دماي ℃ 180، % 3/22 و به طور قابل توجهي بالاتر از دماي ℃ 150، (% 6/7) بود. اسيدهاي آلي باقيمانده بر سوبسترا حاصل از مرحله هيدروليز اسيد رقيق در مرحله بعدي (پيش¬فراوري حلال آلي) به عنوان كاتاليست عمل نمود و فرايند جداسازي ليگنين را بهبود بخشيد. هيدروليز آنزيمي جامد پيشفراوريشده در شرايط بهينه (℃ 180 و %10 اسيد آلي) به توليد g/l 1/34 قند قابل تخمير و بازده % 7/88 منجر شد. تخمير مخلوط هيدروليزيت اسيد رقيق سم¬زدايي شده و هيدروليزيت آنزيمي نشان داد كه تركيب مكمل اين دو جريان منجر به افزايش توليد ABE مي¬شود، به طوري كه مقدار كل حلال¬ها از g/l 9/9 در حالت مرجع به g/l 2/12 در بهترين شرايط رسيد. در ادامه اين تحقيق، باگاس به عنوان پايه براي تثبيت سلول¬ها در فرايند تخمير ناپيوسته تكراري استفاده شد. اين روش سبب افزايش 9-15 درصدي توليد حلال¬ها شد. در راستاي تقويت جنبههاي پايداري فرايند، بقاياي سلولي حاصل از خودكافت باكتري بهعنوان منبع طبيعي مواد معدني مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه مواد معدني نقش كليدي و تعيينكنندهاي در هدايت متابوليسم باكتري از فاز اسيدزايي به فاز حلالزايي ايفا ميكنند. افزودن ml 5/0 از محلول خودكافت به محيط كشت فاقد مواد معدني خارجي، توليد بوتانول را به سطح معادل از محيط شاهد حاوي مواد معدني شيميايي رساند. اين جايگزيني نهتنها نياز به تأمين مواد معدني گرانقيمت را حذف كرد، بلكه با استفاده مجدد از ضايعات همان فرايند، گامي مهم در جهت توسعه يك فرايند پايدار برداشته شد.
چكيده انگليسي :
Lignocellulosic biomass, as an inexpensive, abundant, and renewable raw material, is a highly promising feedstock for biofuel production. The hemicellulose fraction of biomass as a fermentable carbon source is typically discarded in the most common biofuel production processes, directly impacting the overall conversion efficiency of hemicellulose-containing lignocelluloses, such as sugarcane bagasse (SB). In this study, an integrated process was developed to efficiently convert both the hemicellulose and cellulose content of SB into acetone, butanol, and ethanol (ABE), employing Clostridium acetobutylicum. The process comprised dilute acid hydrolysis, organosolv pretreatment, enzymatic hydrolysis, and fermentation. To ensure a sustainable process, the primary fermentation byproducts (i.e., acetic acid and butyric acid) were utilized as the acidic agents in the dilute acid hydrolysis of hemicellulose for xylose recovery. The amount of xylose obtained at 180 °C was 22.3 %, significantly higher than that at 150 °C, which was 7.6 %. Furthermore, purified lignin was obtained as a byproduct through ethanolic delignification, where trace acids remaining on the substrate from the dilute acid hydrolysis step enhance the delignification process. Enzymatic hydrolysis of the pretreated solids under optimal conditions (180 °C and 10 % organic acid) produced 34.1 g/L of fermentable sugars with a yield of 88.7 %. Fermentation of mixed detoxified dilute acid hydrolysate and enzymatic hydrolysate resulted in a significant increase in ABE production, elevating it from 9.9 to 12.23 g/L in the best case. This integrated process suggests a promising approach for the efficient valorization of xylose-rich lignocellulosic materials such as SB. Moreover, sugarcane bagasse was employed as a carrier for cell immobilization in repeated-batch fermentation, enhancing product formation by 9-15 %. To further enhance the sustainability of the process, we explored the use of bacterial autolysate, which is obtained through the natural autolysis of cells, as a substitute for costly mineral supplements. The results showed that minerals play a crucial role in shifting bacterium from acid production to solvent production, and the autolysate naturally contains enough minerals to support this metabolic transition. Remarkably, adding only 0.5 ml of autolysate to a mineral deficient medium restored butanol production to levels comparable to those achieved with conventional chemical supplements. This substitution not only removes the need for expensive mineral nutrients but also recycles internal process residues, marking an important step toward creating a more circular and sustainable bioprocess.