Kinetic Modeling of Hydrolysis for Anaerobic Digestion from Cellulosic Waste

การพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในขั้นตอน Hydrolysis ของกระบวนการย่อยสลายแบบไร้อากาศจากของเสียที่มีเซลลูโลสเป็นองค์ประกอบ

Name: Angsana Romsaiyud

Name: อังสนา ร่มสายหยุด

keyword: Bacillus coagulans

Abstract: It is estimated that of the 48 million tons of industrial and domestic waste generated in Thailand each year, approximated 40 million tons are biodegradable (DEDE, 200112002). Cellulose is a main polymer of these biodegradable organic wastes, in the order of 35-50% (Alagappan and Cowan, 2001; Barnes and Keller, 2003) and a good source for renewable energy (Tanticharoen, 1996). Anaerobic digestion of organic waste is becoming favorable as a sustainable technology which promotes energy recovery from waste. These anaerobic processes are complex, with a consortium of microorganisms responsible for the production of specific enzyme mixture necessary for effective breakdown of the polymeric substrates. Hydrolysis of cellulose, however, is generally considered as the rate-limiting step in the overall anaerobic degradation. In addition, enzymetic cellulose hydrolysis is generally a slow and incomplete process. Therefore cellulose degradation would be depends on the cellulase productivity and/or the rate of cellulase reaction (Lee and Fan, 1982; Vavilin et al., 1996). Various strategies have been used to try to increase the efficiency and reduce the cost of this component of the overall process. One very successful approach has been to increase the productivity of cellulase production by optimizing culture conditions. This study aims to increase the rate of hydrolysis step in order to increase the efficiency of biogas production by increased cellulolytic enzyme production. Based on the hypothesis as follow: the rates of cellulase production are relied on cellulose concentration, pH and acetic acid. The cellulose hydrolysis by Bacillus coagulans was investigated in this study. B. coagulans is the dominant of hydrolytic fermentative bacteria in mesophilic digester treated pineapple peel. The strain was obtained from Excellent Center of Waste Utilization and Management, KMUTI. The experiments were carried out to evaluate and determine the suitable working condition for enchance of cellulose hydrolysis by cellulolytic enzyme. The present work is divided into four parts. In part I was investigated into activity and stability of enzyme as a function of pH. The topics include the major enzymatic hydrolysis properties and observation time for produced maximum cellulase yield. In this study, the effect of initial pH for an optimized cellulase activity from B.coagulans was pH 7, there is a pH at which its activity is greatest, and works within quite a small pH range. The optimum time of cellulase production of cellulose have been obtained. Under the optimal time, the content of cellulase can reach to 6.0 lUll at 8th hr, the percentage of cellulose conversion is about 18.6% based on the amount of consumed sugar. Part II, experiments were carried out to determine kinetic parameters of a cellulose-cellulase system. The effect of cellulose and acetic acid concentration was investigated. For a given concentration, the rate of reaction increases with increasing substrate concentration up to 4 gil of cellulose. When increased cellulose concentration higher than 4 gil, cellulose productivity was no significant changed. In case of acetic acid concentration variation (0, 10, 30, 40 and 60 mM) experiment, the rate of cellulase production decreased while acetic acid concentration was increased from 0 to 60 mM. At lower acetic acid concentration, the cellulase productivity was higher than high concentration of acetic acid. Therefore cellulose removal had decreased when acetic acid concentration increased. The results illustrated that the cellulase production was affected by acetic acid concentration in solution. In both set of experiments, three main products namely, lactic acid, acetic acid and ethanol were found. Part III, the kinetic modeling was considered as a tool to design and control anaerobic cellulose hydrolysis process. In this study, the kinetic model of this process was developed based on experimental data from part I and II. The inhibition effects of the product (acetic acid) and pH were taken into account. The model algorithm included a simultaneous cellulose hydrolysis by the enzyme cellulase to glucose, and a fermentation of glucose to VFAs. The best results was observed that acetic acid in the culture medium had effect to cellulase production (Kai2= 49.50 roM, and n2 = 1.7) more than cellulase reaction (Kail= 37.85 mM, and nl = 2.0). The suitable pH for cellulase production was pH 5.3-8.3, and range of pH on cellulase reaction was 2.6-7.2. The results shown that both of suspension pH and acidogenic products influence on microbial activity in an anaerobic environment. To enhance the cellulose hydrolysis rate, accumulated acetic acid could control not over 25 mM and pH should maintained at 7. Part IV, to validate the kinetic model from Part III with semi-continuous feed system. The proposed kinetic model incorporates the enzyme reaction, product inhibition, and substrate system. Preliminary assessment indicates good agreement with the experiment data. An especially important feature of the model is its ability to predict semi-continuous operation.

Abstract: ในแต่ละปีของเสียที่เกิดจากกระบวนการผลิตระดับอุตสาหกรรมและระดับครัวเรือนในประเทศไทยมีประมาณ 48 ล้านตัน ในจำนวนนี้ประมาณ 40 ล้านตัน เป็นของเสียที่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้ ซึ่งของเสียเหล่านี้มีองค์ประกอบหลักเป็นเซลลูโลสในปริมาณร้อยละ 35-50 ของน้ำหนักแห้ง และมีคุณสมบัติที่ดีในการนำมาผลิตเป็นพลังงานทดแทน โดยกระบวนการที่เหมาะสมต่อการย่อยสลายของเสียนี้คือกระบวนการย่อยสลายในสภาวะไร้อากาศทั้งนี้การย่อยสลายสารอินทรีย์ในสภาวะไร้อากาศเป็นกระบวนการที่มีความซับซ้อนประกอบด้วยการทำงานของจุลินทรีย์หลายกลุ่มทำงานร่วมกันเมื่อทำการพิจารณาถึงการย่อยสลายเซลลูโลสโดยทั่วไปพบว่าเป็น rate-liming step ของกระบวนการย่อยสลายในสภาวะไร้อากาศเนื่องจากการย่อยสลายเซลลูโลสเกิดจากการทำงานของเอนไซม์ซึ่งโดยส่วนใหญ่ใช้เวลานานและเป็นกระบวนการที่ไม่สมบูรณ์ ดังนั้นการย่อยสลายเซลลูโลสจึงเกิดขึ้นอยู่กับอัตราการผลิตและกิจกรรมของเซลลูเลส ซึ่งได้มีการศึกษาและพยายามที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของการย่อยสลายเซลลูเลสและลดค่าใช้จ่ายของกระบวนการ ดังนั้นการเพิ่มการอัตราการผลิตเซลลูเลสโดยการหาสภาวะที่เหมาะสมเป็นวิธีหนึ่งที่น่าสนใจ การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มอัตราเร็วในขั้นตอนไฮโดรไลซิสโดยเพิ่มการผลิตเอนไซม์อันจะส่งผลให้การผลิตกาซชีวภาพมีประสิทธิภาพสูงขึ้น โดยมีสมมุติฐานคืออัตราการผลิตของเซลลูเลสขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเซลลูโลส PH และกรดอะซิติก โดยทำการศึกษากับ Bacillus Coagulans ซึ่ง B. coagulans เป็นจุลินทรีย์หลักที่พบในถึงหมักก๊าซชีวภาพจากเปลือกสัปปะรดที่อุณหภูมิปานกลางที่คัดแยกได้จากศูนย์ความเป็นเลิศเฉพาะด้านการจัดการและใช้ประโยชน์จากของเสียอัตสาหกรรมเกษตร การศึกษานี้เป็นการหาสภาวะที่เหมาะสมต่อการทำงานของเอนไซม์เพื่อส่งเสริมให้เกิดการไฮโดรไลซิสเซลลูโลส โดยแบ่งการศึกษาทดลองออกเป็น 4 ส่วน ส่วนแรกเป็นการศึกษาถึงคุณสมบัติของเอนไซม์เพื่อผลิตเซลลูเลสให้ได้ปริมาณสูงที่สุด ทั้งนี้พบว่า B. coagulans ผลิตเซลลูเลสสูงที่สุดได้ 6.0 iu/i ที่ PH 7 และทำงานได้ที่ในช่วง ph ที่แคบ เมื่อทำการศึกษาถึงช่วงเวลาที่เหมาะสมต่อการผลิตของเซลลูเลสและมีความสามารถในการย่อยสลายเซลลูโลสได้ถึงร้อยละ 18.6 ส่วนที่สองเป็นการทดลองศึกษาเพื่อหาค่าตัวแปรทางคณิตศาสตร์ของระบบการย่อยสลายเซลลูโลสโดยเซลลูเลส โดยศึกษาถึงอิทธิพลของความเข้มข้นของเซลลูโลสและกรดอะซิติก พบว่า อัตราเร็วของปฏิกิริยาเอนไซม์ขึ้นกับความเข้มข้นของเอนไซม์และสัปเสตรท อัตราการผลิตเซลลูเลสสูงจึ้นเมื่อความเข้มข้นของเซลลูโลสสูงขึ้นแต่เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของเซลลูโลสมากกว่า 4 กรัม/ลิตร พบว่าไม่มีผลต่อการเพิ่มอัตราการผลิตเอนไซม์ ในกระณีศึกษาผลของความเข้มข้นของกรดอะซิติกที่ความเข้มข้น 0 10 30 40 60 มิลลิโมลลาร์ พบว่าอัตราการผลิตเซลลูเลส และการย่อยสลายเซลลูโลสลดลงเมื่อเพิ่มความเข้มข้นของกรดอะซิติก จากผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าความเข้มข้นของเซลลูโลสที่มากเกินพอไม่มีผลต่อการผลิตเซลลูเลส แต่ความเข้นข้นของกรดอะซิติกที่เพิ่มขึ้นมีผลทำให้การผลิตเซลลูเลสลดลง โดยพบว่าได้กรดแลคติกกรดอะซิติก และเอธานอลเป็นผลิตภัณฑ์หลักที่ได้จากการย่อยสลายเซลลูโลส ส่วนที่ 3 เนื่องจากแบบจำลองจลศาสตร์ของการหมักเป็นเครื่องมือสำคัญที่สามารถนำไปประยุกต์เพื่อใช้ในการออกแบบและควบคุมระบบการย่อยสลายเซลลูโลสได้ ในการศึกษานี้ได้สร้างแบบจำลองของการย่อยสลายเซลลูโลสโคส โดยอ้างอิงกับผลที่ได้จากการศึกษาทดลองในส่วนที่ 1 และ 2 โดยการเพิ่มพจน์การยับยั้งของผลิตภัณฑ์ และ ph เข้าไปในแบบจำลอง แบบจำลองที่ได้สามารถทำนายการไฮโดรไลซิสเซลลูโลสโดยเซลลูเลสผลิตเป็นกลูโคสและการเปลี่ยนกลูโคสเป็นกรดอินทรีย์ได้ ซึ่งผลจากการศึกษาพบว่ากรดอะซิติกที่พบในสารอาหารที่มีผลต่อการผลิตเซลลูเลสโดยมีค่าคงที่ในการยับยั้งการผลิตเซลลูเลส ที่ 49.50 มิลลิโมลลาร์และมีดีกรีของการยับยั้งเท่ากับ 1.7 มากกว่ามีผลต่อปฏิกิริยาของเซลลูเลสโดยพบว่ามีค่าคงที่ในการยับยั้งการผลิตเซลลูเลสที่ 37.85 มิลลิโมลลาร์ และมีดีกรีของการยับยั้ง เท่ากับ 2.0 และ ph ที่เหมาะสมต่อการผลิตเซลลูเลสคือ PH 5.3 ถึง 8.3 ในขณะที่ ph ที่เหมาะสมต่อกิจกรรมของเซลลูเลสคืออยู่ระหว่าง ph 2.6 ถึง 7.2 นั้นคือในการส่งเสริมให้เกิดการไฮโดรไลซิสเซลลูโลสควรควบคุมไม่ให้มีกรดอะซิติกมากกว่า 25 มิลลิโมลลาร์และรักษา ph ไว้ที่ ph 7 ส่วนที่ 4 ของการศึกษาเป็นการทำแบบจำลองทางจลศาสตร์ที่ได้จากส่วนที่ 3 กับระบบบำบัดที่มีการป้อนสารอาหารแบบกึ่งต่อเนื่อง โดยพบว่าแบบจำลองที่ได้ให้ผลเช่นเดียวกับผลที่ได้จากการทดลอง

King Mongkut's University of Technology Thonburi. KMUTT Library.

Address: BANGKOK

Email: info.lib@mail.kmutt.ac.th

Name: Pawinee Chaiprasert

Role: Advisor

Created: 2552-11-07

Modified: 2025-01-23

Issued: 2009-11-07

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: BIT584

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Biotechnology

Grantor: King Mongkut's University of Technology Thonburi

©copyrights King Mongkut's University of Technology Thonburi

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	BIT584.pdf	1.33 MB	99	2021-04-22 05:24:27
2	BIT584ab.pdf	53.85 KB	43	2020-03-12 13:24:11

ใช้เวลา

0.030844 วินาที