IMPROVEMENT OF BIOBUTANOL PRODUCTION OF PARACLOSTRIDIUM BIFERMENTANS COMBINED WITH AGRICULTURAL WASTE AS SUBSTRATE AND THE DEVELOPMENT OF AN AUTO BIOREACTOR SAMPLE COLLECTING SYSTEM CONTROLLED VIA THE INTERNET OF THINGS.

Abstract

This research aims to improve biobutanol production of Paraclostridium bifermentans combined with agricultural waste (sugarcane bagasse, pineapple peels, and watermelon peels) as substrate, develop an auto bioreactor sample collecting system and develop an anaerobic condition controlling system controlled via the Internet of Things. It was found that treating bagasse with a sodium hydroxide solution reduced the lignin content from 19.78 ± 0.48% to 9.44 ± 0.54%. This treatment also transformed the bagasse into amorphous cellulose, which can be easily converted to reducing sugar. Using the steam hydrolysis method for 6 cycles, the concentrations of reducing sugar obtained were 23.20, 25.32, 22.92, 22.16, 19.00, and 16.55 g/L, respectively. Hydrolysis of pineapple and watermelon peels yielded reducing sugar concentrations of 23.74 and 30.19 g/L, respectively, when fermented in an Erlenmeyer flask with a working volume of 500 mL by using Paraclostridium bifermentans cultures. Wildtype (WT) and mutant strains 45-20, 45-21, 60-12, 60-17, and 60-25 were tested in 5 days under anaerobic conditions, the temperature was 30 °C, and the pH was controlled between 6.5 to 7.5, the results show that mutant strains 45-20. The fermentation of reducing sugars from pineapple peels with the mutant strain produced acetone, butanol and ethanol being 4.1989, 19.0010, and 13.8005 g/L, respectively. The acetone, butanol, and ethanol yields were 0.2160, 0.9774, and 0.7099, respectively.

The development of an automatic sampler and an anaerobic control system, when used with a bioreactor, proved to be efficient. The systems collect samples every hour during fermentation, notify users through the Line Notify system, record fermentation conditions on Google Sheets via the IFTTT platform, and show these data on NETPIE2020. The anaerobic conditions in the bioreactor were always maintained for a 16-day fermentation period.

When the mutant strain 45-20 was scaled up to 10 litres of fermentation in a bioreactor under anaerobic conditions, the temperature was 30 °C, the pH was controlled between 6.5 to 7.5, and it produced the highest concentrations of butanol, followed by ethanol and acetone. The concentrations were 30.0680, 10.9794, and 10.2913 g/L. At 120, 318, and 318 hours, respectively. The acetone, butanol, and ethanol yields were 8.6993, 25.4167, and 9.2810, respectively.

งานวิจัยฉบับนี้จัดทำขึ้นเพื่อพัฒนากระบวนการผลิตบิวทานอลทางชีวภาพด้วยเชื้อ Paraclostridium bifermentans ร่วมกับการใช้สารตั้งต้นจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรทั้ง 3 ชนิด คือ ชานอ้อย เปลือกสับปะรด และเปลือกแตงโม และพัฒนาเครื่องเก็บตัวอย่างอัตโนมัติรวมทั้งระบบควบคุมสภาวะไร้ออกซิเจนเพื่อนำมาใช้งานร่วมกับเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพโดยควบคุมผ่านอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง พบว่า ชานอ้อยที่ถูกปรับสภาพด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ มีปริมาณลิกนินก่อนและหลังปรับสภาพเท่ากับ 19.78 ± 0.48% และ 9.44 ± 0.54% อีกทั้งยังส่งผลให้ชานอ้อยเกิดเป็น amorphous cellulose ที่สามารถเปลี่ยนไปเป็นน้ำตาลรีดิวซ์ได้ง่าย เมื่อนำเข้าสู่กระบวนการไฮโดรไลซิสด้วยวิธี steam hydrolysis จำนวน 6 รอบ พบว่า มีปริมาณความเข้มข้นของน้ำตาลรีดิวซ์เท่ากับ 23.20, 25.32, 22.92, 22.16, 19.00 และ 16.55 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ ในส่วนของการไฮโดรไลซิสเปลือกสับปะรดและเปลือกแตงโม มีความเข้มข้นของน้ำตาลรีดิวซ์เท่ากับ 23.74 และ 30.19 กรัมต่อลิตร เมื่อนำไปหมักในขวดรูปชมพู่ เพื่อทดสอบความสามารถในการผลิตอะซิโตน บิวทานอล และเอทานอลด้วยเชื้อ Paraclostridium bifermentans ทั้งสายพันธุ์ดั้งเดิม และเชื้อกลายพันธุ์รหัส 45-20, 45-21, 60-12, 60-17 และ 60-25 จากน้ำตาลรีดิวซ์ที่แตกต่างกันทั้ง 3 ชนิด และใช้เชื้อสายพันธุ์ดั้งเดิมซึ่งหมักด้วยน้ำตาลกลูโคสชนิดผงเป็นตัวควบคุม ดำเนินการหมักภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส และควบคุมค่าความเป็นกรด - ด่างระหว่าง 6.5 ถึง 7.5 เวลาในการหมัก 5 วัน พบว่า เชื้อกลายพันธุ์รหัส 45-20 จากการหมักด้วยน้ำตาลรีดิวซ์จากเปลือกสับปะรด มีความสามารถผลิตอะซิโตน บิวทานอล และเอทานอลได้สูงที่สุด คือ 4.1989, 19.0010 และ 13.8005 กรัมต่อลิตร มีผลได้ของอะซิโตน บิวทานอล และเอทานอล เท่ากับ 0.2160, 0.9774 และ 0.7099 ตามลำดับ

การพัฒนาเครื่องเก็บตัวอย่างอัตโนมัติและระบบควบคุมสภาวะไร้ออกซิเจน เมื่อนำมาใช้งานร่วมกับถังปฏิกรณ์ชีวภาพ พบว่า สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพทั้งสองระบบ ทั้งในส่วนการเก็บตัวอย่างทุก 1 ชั่วโมงตลอดเวลาการหมัก แจ้งเตือนผู้ใช้งานผ่านระบบ Line notify การบันทึกสภาวะการหมักบน Google sheets ผ่าน IFTTT Platform และการแสดงข้อมูลบน NETPIE2020 อีกทั้งยังสามารถควบคุมให้เกิดสภาวะไร้ออกซิเจนในถังปฏิกรณ์ชีวภาพได้ตลอดระยะเวลาการหมัก 16 วัน

เมื่อนำเชื้อกลายพันธุ์รหัส 45-20 เพิ่มขนาดการหมักในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ 10 ลิตร ในสภาวะไร้ออกซิเจน อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส ควบคุมค่าความเป็นกรด - ด่างระหว่าง 6.5 ถึง 7.5 เวลาในการหมัก 16 วัน พบว่า ผลิตบิวทานอลได้ความเข้มข้นสูงที่สุด รองลงมา คือ สารละลายเอทานอล และสารละลายอะซิโตน มีความเข้มข้นเท่ากับ 30.0680, 10.9794 และ 10.2913 กรัมต่อลิตร ณ ชั่วโมงที่ 120, 318 และ 318 มีผลได้ (yield) ของอะซิโตน บิวทานอล และเอทานอล เท่ากับ 8.6993, 25.4167 และ 9.2810 ตามลำดับ