Kinetic Modeling ofHydrolysis for Anaerobic Digestion from Cellulosic Waste

การพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในขั้นตอน Hydrolysis ของกระบวนการย่อยสลายแบบไร้อากาศจากของเสียที่มีเซลลูโลสเป็นองค์ประกอบ

Name: Angsana Romsaiyud

keyword: Bacillus coagulans

Abstract: It is estimated that of the 48111illion tons ofind.ustrialand domestic waste generated in Thailand each year, approximated 40 million tons are biodegradable (DEDE, . 2001/2002); Cellulose? is a main polymer of these biodegradable organic wastes, in the order of 35-50% (Alagappan arid Cowan, 2001; Bames 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 aI., 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, KMUTT. 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 ofenzyme as a function ofpH. 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 c ontent ofcellulase 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 ofa cellulose-cellulase system. The effect of cellulose and acetic acid concentration was investigated. For a given concentration, the rate ofreaction increases with increasing substrate concentration up to 4 gil ofcellulose. 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 n.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 ferinentation of glucose to VFAs.The best results was observed that acetic acid in the culture medium had? effect to cellulase production (KaiT 49.50mM,?and n2= 1.7) more than cellulase reaction (KaiJ= 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 erihance 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 ofthe model is its ability to predict semi-continuous operation.

Abstract: ในแต่ละปีของเสียที่เกิดขึ้นจากกระบวนการผลิตระดับอุตสาหกรรมและระดับครัวเรือนในประเทศ ไทยมีประมาณ 48 ล้านตัน ในจำนวนนี้ประมาณ 40 ล้านตัน เป็นของเสียที่สามารถย่อยสลายทาง ชีวภาพได้(DEDE,2001/2002) ซึ่งของเสียเหล่านี้มีองค์ประกอบหลักเป็นเซลลูโลสในปริมาณร้อยละ 35-50 ของน้ำหนักแห้ง (Alagappan and Cowan, 2001; Barnes and Keller, 2003) และมีคุณสมบัติที่ดี ในการนำมาผลิตเป็นพลังงานทดแทน (Tanticharoen,1996) โดยกระบวนการที่เหมาะสมต่อการย่อย สลายของเสียนี้คือกระบวนการย่อยสลายในสภาวะไร้อากาศ ทั้งนี้การย่อยสลายสารอินทรีย์ในสภาวะ ไร้อากาศเป็นกระบวนการที่มีความซับซ้อนประกอบด้วยการทำงานของจุลินทรีย์หลายกลุ่มทำงาน ร่วมกัน เมื่อทำการพิจารณาถึงการย่อยสลายเซลลูโลสโดยทั่วไปพบว่าเป็น rate-limiting step ของ กระบวนการย่อยสลายในสภาวะไร้อากาศเนื่องจากการย่อยสลายเซลลูโลสเกิดจากการทำงานของ เอนไซม์ซึ่งโดยส่วนใหญ่ใช้เวลานานและเป็นกระบวนการที่ไม่สมบูรณ์ ดังนั้นการย่อยสลาย เซลลูโลสจึงขึ้นอยู่กับอัตราการผลิตและกิจกรรมของเซลลูเลส ซึ่งได้มีการศึกษาและพยายามที่จะเพิ่ม ประสิทธิภาพของการย่อยสลายเซลลูเลสและลดค่าใช้จ่ายของกระบวนการ ดังนั้นการเพิ่มการอัตรา การผลิตเซลลูเลสโดยการหาสภาวะที่เหมาะสมเป็นวิธีหนึ่งที่น่าสนใจ การศึกษานี่มีวัตถุประสงค์ประสงค์เพื่อเพิ่มอัตราเร็วในขั้นตอนไฮโดรไลซิสโดยการเพิ่มการผลิตเอนไซม์ อันจะส่งผลให้การผลิตก๊าซชีวภาพมีประสิทธิภาพสูงขึ้น โดยมีสมมุติฐานคืออัตราการผลิตเซลลูเลส ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเซลลูโลส pH และกรดอะซิติก โดยทำการศึกษากับ Bacillus coagulans ซึ่ง B. coagulans เป็นจุลินทรีย์หลักที่พบในถังหมักก๊าซชีวภาพจากเปลือกสับปะรดที่อุรหภูมิปาน กลางที่คัดแยกได้จากศูนยืความเป้นเลิศเฉพาะทางด้านการจัดการและใช้ประโยชน์จากของเสีย อุตสาหกรรมเกษตร(ECoWaste) การศึกษานี้เป็นการหาสภาวะที่เหมาะสมต่อการทำงานของเอนไซม์ เพื่อส่งเสริมให้เกิดการไฮโดรไลซิสเซลลูโลสโดยแบ่งการศึกษาทดลองออกเป็น 4 ส่วน ส่วนแรกเป็น การศึกษาถึงคุณสมบัติของเอนไซม์เพื่อผลิตเซลลูเลสให้ได้ปริมาณที่สูงสุด ทั้งนี้พบว่า B. coagulans ผลิตเซลลูเลสสูงที่สุดได้ 6.0 IU/1 ที่ pH 7 และทำงานได้ดีในช่วง pH ที่แคบ เมื่อทำการศึกษาถึง ช่วงเวลาที่เหมาะสมต่อการผลิตเซลลูเลสและมีความสามารถในการย่อยสลายเซลลูโลสได้ถึงร้อยละ 18.6 ส่วนที่สองเป็นการทดลองศึกษาเพื่อหาตัวแปรทางคณิตศาสตร์ของระบบของการย่อยสลาย เซลลูโลสโดยเซลลูเลส โดยศึกษาถึงอิทธิพลของความเข้มข้นของเซลลูดลสและกรดอะซิติก พบว่า อัตราเร็วของปฏิกิริยาเอนไซม์ขึ้นกับความเข้มข้นของเอนไซม์และสับเสตรท อัตราการผลิตเซลลูเลส สูงขึ้นเมื่อความเข้มข้นของเซลลูโลสสูงขึ้น แต่เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของเซลลูโลสมากกว่า 4 กรัม/ ลิตร พบว่าไม่มีผลต่อการเพิ่มอัตราการผลิตเอนไซม์ ในกรณีศึกษาผลของความเข้มข้นของกรดอะ ซิติกที่ความเข้มข้น 0, 10, 30, 40 และ 60 มิลลิโมลลาร์ พบว่าอัตราการผลิตเซลลูเลส และการย่อย สลายเซลลูโลสลดลงเมื่อเพิ่มความเข้มข้นของกรดอะซิติก จากผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าความ เข้มข้นของเซลลูโลสที่มากเกินพอไม่มีผลต่อการผลิตเซลลูเลส แต่ความเข้มข้นของกรดอะซิติกที่ เพิ่มขึ้นมีผลทำให้การผลิตเซลลูเลสลดลง โดยพบว่าได้กรดแลคติค กรดอะซิติก และเอธานอลเป็น ผลิตภัณฑ์หลักที่ได้จากการย่อยสลายเซลลูโลส ส่วนที่ 3 เนื่องจากแบบจำลองจลศาสตร์ของการหมักเป็นเครื่องมือสำคัญ ที่สามารถนำไปประยุกต์เพื่อ ใช้ในการออกแบบและควบคุมระบบการย่อยสลายเซลลูโลสได้ ในการศึกษานี้ได้สร้างแบบจำลอง ของการย่อยสลายเซลลูโลสโคส โดยอ้างอิงกับผลที่ได้จากการศึกษาทดลองในส่วนที่ 1 และ 2 โย การเพิ่มพจน์การยับยั้งของผลิตภัณฑ์ (กรดอะซิติก) และ pH เข้าไปในแบบจำลอง แบบจำลองที่ได้ สามารถทำนายการไฮโดรไลซิสเซลลูโลสโดยเซลลูเลสเอผลิตเป็นกลูโคส และการเปลี่ยนกลูโคสเป็น กรดอินทรย์ได้ ซึ่งผลจากการศึกษาพบว่ากรดอะซิติกที่พบในสารอาหารมีผลต่อการผลิตเซลลูเลสโดย มีค่าคงที่ในการยับยั้งการผลิตเซลลูเลส (Kai2) ที่ 49.50 มิลลิโมลลาร์ และมีดีกรีของการยับยั้ง (n2) เท่ากับ 1.7 มากกว่ามีผลต่อปฏิกิริยาของเซลลูเลสโดยพบว่ามีค่าคงที่ในการยับยั้งการผลิตเซลลูเลส (Kai1) ที่ 37.85 มิลลิโมลลาร์ และมีดีกรีของการยับยั้ง (n1) เท่ากับ 2.0 และ pH ที่เหมาะสมต่อการผลิต เซลลูเลสคือ pH 5.3 ถึง 8.3 ในขณะที่ pH ที่เหมาะสมต่อกิจกรรมของเซลลูเลสคืออยู่ระหว่าง pH 2.6 ถึง 7.2 นั้นคือในการส่งเสริมให้เกิดการไฮโดรไลซิสเซลลูโลสควรควบคุมไม่ให้มีกรดอะซิติกมากกว่า 25 มิลลิโมลลาร์ และการรักษา pH ไว้ที่ pH 7 ส่วนที่ 4 ของการศึกาาเป็นการทดสอบแบบจำลองทางจล ศาสตร์ที่ได้จากส่วนที่ 3 กับระบบบำบัดที่มีการป้อนสารอาหารแบบกึ่งต่อเนื่อง โดยพบว่าแบบจำลอง ที่ได้ให้ผลเช่นเดียวกับผลที่ได้จากการทดลอง

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

Address: BANGKOK

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

Name: Pawinee Chaiprasert

Role: Advisor

Created: 2552-12-13

Modified: 2009-12-20

Issued: 2009-12-13

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	BIT548.pdf	6.27 MB	110	2021-10-13 17:06:23
2	BIT548ab.pdf	443.29 KB	41	2019-11-12 21:44:58

ใช้เวลา

0.036872 วินาที