Butanol Production from Two-Stage ABE Fermentation of Food Waste

Abstract

In this study, food waste was used as substrate to feasibly investigate simultaneous hydrogen and butyric acid production from dark fermentation by using enriched mixed-cultures in laboratory scale batch reactor and continuous stirred tank reactor (CSTR) under thermophilic conditions (55 °C). The batch experimental results show that satisfied hydrogen production yield of 135.2 mL H2/g-VSadded was achieved by using initial food waste concentration5.8 g-VS/L. Butyric acid with concentration of 34.57 mM is dominant metabolic product, while other metabolic products of lactic acid, acetic acid and propionic acid were found at more than 5 times lower concentrations of 7.62, 5.76 and 2.30 mM, respectively. The CSTR fed with food waste was operated at 4 day HRT, corresponding to organic loading rate (OLR) of 10 g-VS/Lreactor could produce highest hydrogen production yield of 100 mL H2/g-VSadded, gathering with 6.14 g/L butyric acid. Butyric acid rich solution could be potentially converted to butanol by using Clostridium sp. In the second stage (ABE production), batch experiments under mesophilic conditions (37oC) were set up to investigate the effect on ABE fermentation by using different bacteria strains (Clostridium beijerinckii ATCC 55025 and Clostridium butylicum TISTR 1032), various initial inoculums concentration (5%, 10% and 15% by volume), different ABE fermentation mediums (Tryptone Yeast extract Acetate, TYA medium and Free-N medium),various initial sugar concentration (20-60 g/L), and different butyric acid to glucose (B/G) ratios (0/20. 1/20, 5/20, 10/20 and 15/20 g/L basis). The highest butanol concentration of 7.93 g/L was achieved from batch fermentation at initial 30 g/L sugar, 10% Clostridium beijerinckii ATCC 55025, and supplemented with TYA medium.

The continuous ABE production under temperature 37 oC was studied by using Packed Bed Reactor (PBR) having 2.5- L working volume. Glucose (30 g/L) supplemented with TYA at flow rate of 500 mL/d. Meanwhile, pH in the reactor was maintained in range of 4.0-6.5. The results show that the main products were butyric acid with concentration of 3-5 g/L and butanol was not detected ในงานวิจัยนี้ใช้เศษอาหารเป็นซับสเตรทสำหรับการผลิตไฮโดรเจนและกรดบิวทิริกจากการหมักไร้แสงโดยใช้เชื้อผสมในระดับห้องปฏิบัติการแบบแบทช์และแบบถังปฎิกรณ์ชนิดถังกวนแบบต่อเนื่อง (continuous stirred tank reactor: CSTR) ภายใต้สภาวะเทอร์โมฟิลิก (55°C) จากการทดลองในระบบแบบแบทช์ให้ศักยภาพการผลิตไฮโดรเจนที่ 135.2 mL H2/g-VSadded ที่ความเข้มข้นเริ่มต้นของเศษอาหารที่ 5.8 g-VS/L กรดบิวทิริกที่ความเข้มข้น 34.57 mM ซึ่งเป็นกรดหลักที่ผลิตได้ นอกจากนี้ยังพบกรดแลกติก กรดอะซิติก และกรดโพรพิโอนิก ความเข้มข้นน้อยกว่า 5 เท่า ที่ 7.62, 5.76 และ 2.30 mM ตามลำดับ การหมักกรดบิวทิริกในถังปฎิกรณ์ชนิดถังกวนแบบต่อเนื่องใช้เศษอาหารเป็นซับสเตรทดำเนินระยะเวลาการกักเก็บของเหลวในระบบเท่ากับ4 วัน และอัตราการป้อนที่ 10 g-VS/Lreactor สามารถผลิตแก๊สไฮโดรเจนดีที่สุดคือ 100 mL H2/g-VSaddedและสามารถผลิตกรดบิวทิริกได้ที่ 6.14 g/L สารละลายที่มีกรดบิวทิริกมากมีศักยภาพในการเปลี่ยนไปเป็นบิวทานอลโดยใช้เชื้อ Clostridium sp. ในขั้นที่สอง (การผลิตเอบีอี) ทดลองแบบแบทช์ควบคุมอุณหภูมิ 37 °C ศึกษาผลของเชื้อแบคทีเรียต่างชนิดกัน (Clostridium beijerinckii ATCC 55025 และ Clostridium butylicum TISTR 1032) ศึกษาผลความเข้มข้นเชื้อเริ่มต้น (5%, 10% และ 15% เชื้อ) ศึกษาผลของอาหารต่างกัน (อาหาร Tryptone Yeast extract Acetate (TYA) และอาหาร Free-N) ศึกษาผลความเข้มข้นน้ำตาลเริ่มต้น (20-60 g/L) และศึกษาผลของอัตราส่วนกรดบิวทิริกต่อกลูโคส (0/20. 1/20, 5/20, 10/20 และ 15/20 g/L) ความเข้มข้นบิวทานอลที่ผลิตได้สูงสุด 7.93 g/Lจากการหมักของความเข้มข้นน้ำตาลเริ่มต้น 30 g/L เชื้อ 10% ของ Clostridium beijerinckii ATCC 55025 ที่เสริมด้วยอาหาร TYA ศึกษาการผลิตเอบีอีแบบป้อนต่อเนื่องภายใต้อุณหภูมิ 37 °C โดยใช้ถังปฎิกรณ์แพคเบด (Packed Bed Reactor: PBR) ปริมาตรการทำงาน 2.5 L ใช้กลูโคส (30 g/L) เสริมด้วยอาหาร TYA โดยมีอัตราการป้อน 500 mL/d ค่าpH ในระบบควบคุมอยู่ในช่วง4.0-6.5 ผลการทดลองพบผลิตภัณฑ์หลักคือกรดบิวทิริกที่ความเข้มข้น 3-5 g/L