Please use this identifier to cite or link to this item:
http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17185
Title: | Production of Cellulase and Xylanase from Oil Palm Trunk and Frond and Their Applications |
Other Titles: | การผลิตเซลลูเลสและไซลาเนสจากลำต้นและทางใบปาล์มน้ำมันและการประยุกต์ใช้ |
Authors: | Poonsuk Prasertsan Tanawut Nutongkaew Faculty of Agro-Industry (Industrial Biotechnology) คณะอุตสาหกรรมเกษตร ภาควิชาเทคโนโลยีชีวภาพอุตสาหกรรม |
Keywords: | Plant biotechnology Thailand;Biomass energy Thailand |
Issue Date: | 2017 |
Publisher: | Prince of Songkla University |
Abstract: | Oil palm trunk (OPT) and oil palm frond (OPF) are abundant biomass in Southern Thailand. The major chemical composition of OPT varied along its height and found to accumulate starch along its height with the highest quantity at the top end part (1 m long) of 3.79% (w/w of the top end part). After extraction of sugars, the sap from the bottom part and middle part of OPT had the highest glucose (20.13 and 12.74 g/L, respectively) and fructose (3.04 and 6.02 g/L, respectively), respectively. The OPF sap contained the highest glucose concentration (25.42 g/L) followed by fructose (3.66 g/L). The ground OPT and OPF fibers were fermented at various temperatures for 15 days. The maximum carboxymethyl cellulase (CMCase) (0.48 Unit/gds) was obtained from fermentation of OPT at room temperature for 15 days while the maximum xylanase activity (0.44 Unit/gds) was achieved from fermentation of OPF at room temperature for 3 days (0.44 Unit/gds). There was no enzyme activity after fermentation of OPT and OPF at 50 °C. The microbial community analysis of the natural fermentation of OPT and OPF revealed high diversity of bacteria with low diversity of yeasts and fungi. The total of 20 fungal strains were isolated and only eight of them could grow on agar plate containing OPT and OPF residues (after sugar extraction). They were encoded as the isolate TT, TT2, TT3, TT4, TTS, TM1, TM2 and TM3. They were compared for their ability to produce cellulase and xylanase under SSF and SmF. The isolates TTI, TM3 and TT2 produced the highest enzyme activity and identified as Ceratocystis paradoxa, Trichoderma koningiopsis and Hypocrea nigricans, respectively. Time-courses of enzymes production from these strains were conducted. Oil palm trunk residues (OPTr) was a better substrate for enzymes production than oil palm frond residues (OPFr). C. paradoxa TTI gave the highest CMCase (18.16 Unit/gds) in SmF while T. koningiopsis TM3 exhibited the highest xylanase (56.46 Unit/gds) and FPase (2.13 Unit/gds) production in SSF. The inoculums of the two newly isolated strains C. paradoxa TTI and T. koningiopsis TM3 were prepared in packed dried form with the quantity. The inoculums contained of 1.2 x 10° and 1.6 x 10* CFU per g dry weight, respectively. After storage at room temperature and 4 °C for 6 months, only the inoculum of T. koningiopsis TM3 remained at the same level (approximately 10% CFU per g dry weight). In contrast, the survival of the formulated TTI decreased sharply to 30-45% of their original values. Lignocellulolytic enzymes production from the formulated inoculums and spore suspension inoculum of C. paradoxa TTI and T. koningiopsis TM3 (individual and mixed inoculum) were compared with the mixed cultures from the Land Development Department (Super LDD1). Results in SSF and SmF revealed that the formulated inoculums TM3 and TTI produced the lignocellulolytic enzymes higher than the Super LDDI and similar to that of the spore suspension form. The formulated inoculum TM3 produced the lignocellulolytic enzymes higher than the formulated inoculum TTI. Oil palm biomass (OPTr, OPFr, EFB, decanter cake and plam pressed fiber (PPF)) were used as substrates for production of enzymes under SSF and POME under SmF by the formulated inoculum T. koningiopsis TM3. The maximal CMCase and xylanase activities (4.44 and 63.17 Unit/gds, respectively) were obtained when OPTr was used as a carbon source. Characterization of the enzymes revealed the optimum temperature for CMCase and xylanase at 50 °C while the optimum pH of CMCase and xylanase were in the pH range of 4.4-4.8 and 4.8-5.6, respectively. Thermal stability study revealed that CMCase retained more than 75% of their activities after 5 h incubation at 40 °C and lower than 50% of its activity at room temperature (30÷2 °C), 50 and 60 °C. The xylanase exhibited lower thermal stability as it only preserved 75% of its activities at temperature below 40 °C and lost 73% and 79% of its activity within 1 h of incubation at 50 °C and 60 °C, respectively, while CMCase lost only 21% and 31% of its activities under the same condition. The crude enzyme obtained above from the formulated T, koningiopsis TM3 was precipitated by using acetone. The activity of CMCase and xylanase increased 6 and 6.8 fold, respectively (3.22 and 54.14 Unit/ml, respectively) with the recovery yields about 60 and 68%, respectively. The concentrated enzymes were used to hydrolyze OPTr by using the enzymes concentrations in the range of 0-40 Unit/g OPT and incubated at 50 °C for 24 h. Enzymatic hydrolysis of OPTr revealed that the maximum reducing sugars of 11.92 g/L with the yield of 0.48 g/g were obtained by hydrolyzing with 25 Unit/g of the enzymes at 50 °C for 15 h. For ethanol production from the OPTr hydrolysate (without nutrients added), Saccharomyces cerevisiae TISTR5055 was more efficient than Candida shehatae TISTR5843 and the co-cultures. Two-stage process and simultaneous fermentation using the co-cultures of S. cerevisiae and Acetobacter aceti were compared. Supplementation of YM nutrients to the OPTr hydrolysate exhibited strong influence on ethanol production (4.10 g/L at 12 h in two-stage process and 4.01 g/L at 18 h in simultaneous fermentation) but not acetic acid production. Without nutrients addition, the maximum acetic acid concentration and productivity (2.12 g/L at 24 h) were achieved from the simultaneous fermentation of the co-cultures which were 1.7 folds and 4 folds higher than those from the two-stage process (1.23 g/L at 54 h). The efficacy of concentrated enzymes in hydrolyzing sterilized POME and OPTr at 40 and 50 °C was evaluated prior to methane fermentation and its co-digestion. The maximum sugars concentrations of POME hydrolysate were obtained from enzymatic hydrolysis using 15 Unit/g TVS at 50 °C for 18 h incubation (glucose 16.69 g/l, xylose 4.39 g/l, cellobiose 3.49 g/l and arabinose 2.35 g/l) with the yield of 0.3521 g/g TVS. The OPTr hydrolysate had the total sugar concentration of 23.28 g/L (19.41 g/l glucose, 1.09 g/l xylose, 2.18 g/l cellobiose and 0.60 g/l arabinose) under the same condition. Methane potential of the POME hydrolysate (1,243 ml CH,/g VS-added) increased by 15.3% compared to the raw POME (1,078 ml CHug VS-added). Meanwhile, the methane potential of raw OPTr was slightly (3.7%) higher than that of OPTr hydrolysate (1,402 and 1,350 ml CH./g VS-added, respectively). Co-digestion of POME hydrolysate with OPTr gave the best result of methane yield (1,340 ml CHag VS-added). The dominant archaea that played an important role in methane production were Methanoculleus sp. and Methanosarcina sp.. These results indicated that enzymatic pretreatment and co-digestion of POME hydrolysate with OPTr could improve biogas yield from anaerobic fermentation. |
Abstract(Thai): | ลำต้นปาล์มน้ำมันและทางใบปาล์มน้ำมันจัดเป็นชีวมวลหลักอย่างหนึ่งในภาคใต้ ของประเทศไทย ลำต้นปาล์มน้ำมัน มีองค์ประกอบหลักเปลี่ยนแปลงตามความสูงของลำต้น และพบว่ามีการสะสมแป้งตามความสูงของลำต้น โดยมีปริมาณสูงสุดที่ส่วนยอด (ยาว 1 เมตร) คิดเป็น 3.79 เปอร์เซ็นต์ (น้ำหนัก/น้ำหนัก ของส่วนยอด) เมื่อสกัดน้ำตาล พบว่า น้ำคั้นจากส่วนล่างและ ส่วนกลางของลำต้นปาล์มน้ำมันมีปริมาณกลูโคส (20.13 และ 12.74 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ) และฟรุกโตส (3.04 และ 6.02 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ) สูงสุดตามลำดับ ส่วนน้ำคั้นทางใบปาล์มน้ำมันมีปริมาณกลูโคสสูงสุด (25.42 กรัมต่อลิตร) รองลงมาคือฟรุกโตส (3.66 กรัมต่อลิตร) เมื่อหมักเส้นใยของลำต้นและทางใบปาล์มน้ำมันที่บดแล้วที่อุณหภูมิต่างๆเป็น เวลา 15 วัน พบว่า การหมักเส้นใยของลำต้นปาล์มน้ำมันที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 15 วัน ให้ค่า กิจกรรมเอนไซม์ carboxymethyl cellulase (CMCase) สูงสุด (0.48 ยูนิตต่อกรัมสารตั้งต้นแห้ง)ในขณะที่ค่ากิจกรรมเอนไซม์ไซลาเนสสูงสุด (0.44 ยูนิตต่อกรัมสารตั้งต้นแห้ง) ได้จากการหมักทางใบปาล์มน้ำมัน ที่อุณหภูมิ 40 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 3 วัน และไม่พบค่ากิจกรรมเอนไซม์จากการหมักชีวมวลทั้ง 2 ชนิด ที่อุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส เมื่อศึกษาโครงสร้างประชากรของ จุลินทรีย์ด้วยเทคนิค PCR-DGGE จากตัวอย่างการหมักลำต้นและทางใบปาล์มน้ำมันดังกล่าวรวมทั้งตัวอย่างของแผ่นไม้ลำต้นปาล์มน้ำมันที่วางทิ้ง พบว่าตัวอย่างมีทั้งเชื้อแบคทีเรีย ยีสต์ และรากลุ่มประชากรแบคทีเรียมีความหลากหลายสูง ส่วนกลุ่มยีสต์และกลุ่มรามีความหลากหลายน้อยสามารถแยกเชื้อราได้ 20 สายพันธุ์ และมีเพียง 8 สายพันธุ์ที่สามารถเจริญบนอาหารที่มีกากลำต้นและกากทางใบปาล์มน้ำมัน (หลังการบีบอัดน้ำตาลออกแล้ว) เป็นสารตั้งต้น ได้แก่ สายพันธุ์ TTI, T72, TT3, TT4, TTS, TM1, TM2 และ TM3 เมื่อนำเชื้อรา 8 สายพันธุ์นี้มาทดสอบการผลิตเอนไซม์ เซลลูเลสและไซลาเนสในการหมักแบบอาหารแข็งและแบบอาหารเหลว พบว่าเชื้อราสายพันธุ์ TT1, TM3 และ TT2 ผลิตเอนไซม์ได้สูงสุด และจำแนกเชื้อรา ได้เป็น Ceraocystis paradoxa. Trichoderma koningiopsis และ Hypocrea nigricans ตามลำดับ ทำการศึกษาระยะเวลาในการผลิตเอนไซม์จากเชื้อราเหล่านี้ พบว่า กากลำต้นปาล์มน้ำมันเป็นสารตั้งต้นที่ดีกว่ากากทางใบปาล์ม น้ำมัน และเชื้อ C paradoxa TT1 ผลิตเอนไซม์ CMCase สูงสุด (18.16 ยูนิตต่อกรัมสารตั้งต้นแห้ง)ในการหมักแบบอาหารเหลว ขณะที่เชื้อ T. koningiopsis TM3 ผลิตเอนไซม์ไซลาเนสสูงสุด (56.46 ยูนิตต่อกรัมสารตั้งต้นแห้ง) และเอนไซม์ FPasc สูงสุด (2.13 ยูนิตต่อกรัมสารตั้งต้นแห้ง) ในการหมักแบบอาหารแข็งที่ใช้กากลำต้นปาล์มน้ำมันเป็นแหล่งคาร์บอน การเตรียมหัวเชื้อของเชื้อรา C paradoxa TTI และ T. koningiopsis TM3 ใน รูปแบบแห้ง พบว่า มีปริมาณเชื้อ 12x 10° และ 1.6 x 10° CFU ต่อกรัมน้ำหนักแห้ง ตามลำดับ เมื่อเก็บหัวเชื้อที่อุณหภูมิห้อง (3042 องศาเซลเซียส) และที่ 4 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 6 เดือน พบว่า หัวเชื้อ T. Koningiopsis TIM3 ยังคงมีปริมาณเชื้ออยู่เท่าเดิม (ประมาณ 10° CFU ต่อกรัมน้ำหนักแห้ง)ในขณะที่ปริมาณของหัวเชื้อ C paradosa TT1 ลดลงอย่างมาก 330-45 เปอร์เซ็นต์ ของค่าเดิม) เมื่อเปรียบเทียบการผลิตเอนไซม์แบบอาหารแข็งและอาหารเหลว จากหัวเชื้อในรูปแบบแห้ง สารละลายสปอร์ของเชื้อ C paradosa TTI และ T. Kontingiopsis TM3 (แบบเชื้อเดี่ยวและแบบเชื้อผสม) กับหัวเชื้อของกรมพัฒนาที่ดิน (ซุปเปอร์ พค. 1) พบว่า หัวเชื้อ TM3 และ TTI สามารถผลิตเอนไซม์ได้สูงกว่าหัวเชื้อซุปเปอร์ พด.1 และให้ค่าใกล้เคียงกับค่าที่ได้จากการใช้สารละลายสปอร์ของเชื้อ หัวเชื้อ TM3 มีศักยภาพในการผลิตเอนไซม์ได้สูงกว่าหัวเชื้อ TTI จากการเปรียบเทียบการผลิตเอนไซม์จากหัวเชื้อ 7. koningiopsis TM3 โดยการหมักแบบอาหารแข็งในกากลำต้นปาล์ม น้ำมัน กากทางใบปาล์มน้ำมัน ทะลายปาล์มเปล่า กากตะกอนดีแคนเตอร์ และเส้นใยปาล์ม และการหมักแบบอาหารเหลวในน้ำทิ้งโรงงานสกัดน้ำมันปาล์ม พบว่า ค่ากิจกรรมของเอนไซม์ CMCase และไซลาเนสสูงสุด (4.44 และ 63.17 ชูนิตต่อกรัมสารตั้งต้นแห้ง ตามลำดับ) เมื่อใช้กากลำต้นปาล์ม น้ำมันเป็นแหล่งคาร์บอน จากการศึกษาลักษณะของเอนไซม์ พบว่า ค่าที่เหมาะสมต่อกิจกรรมของเอนไซม์ CMCase และไซลาเนส คืออุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส ในช่วงพี่เอช 4.4-4.8 และ 4.8-5.6 ตามลำดับ ส่วนการทนต่อความร้อนของเอนไซม์ พบว่า CMCase ยังคงค่ากิจกรรมเอนไซม์มากกว่า 75 เปอร์เซ็นต์หลังการบ่มที่อุณหภูมิ 40 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 5 ชั่วโมง และมีค่ากิจกรรมเอนไซม์น้อยกว่า 50 เปอร์เซ็นต์ ในการบ่มที่อุณหภูมิห้อง 50 และ 60 องศาเซลเซียส ส่วนกิจกรรมของเอนไซม์ไซลาเนส สามารถทนต่อความร้อนได้ต่ำกว่า โดยให้ค่ากิจกรรมเอนไซม์ 75 เปอร์เซ็นต์ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 40 องศาเซลเซียส หลังการบ่ม 2 ชั่วโมง และสูญเสียกิจกรรมของเอนไซม์ 73 และ 79 เปอร์เซ็นต์ หลังจากบ่มเป็นเวลา 1 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิ 50 และ 60 องศาเซลเซียส ตามลำดับขณะที่กิจกรรมเอนไซม์ CMCase ลดลงเพียง 21 และ 31 เปอร์เซ็นต์ ภายใต้สภาวะเดียวกัน ทำการผลิตเอนไซม์จากหัวเชื้อ T. Koningiopsis TM3 ในอาหาร MMS โดยใช้กากลำต้นปาล์มน้ำมันเป็นแหล่งคาร์บอน ที่อุณหภูมิห้อง เป็นระยะเวลา 4 วัน เก็บเกี่ยวเอนไซม์โดยการตกตะกอนด้วยอะซิโตน พบว่า เอนไซม์เข้มข้นที่ได้ให้ค่ากิจกรรมเอนไซม์ CMCase และไซลาเนสเพิ่มขึ้น 6 เท่าและ 6.8 เท่า ตามลำดับ (3.22 และ 54.14 ยูนิตต่อมิลลิลิตร ตามลำดับ) ผลผลิตเอนไซม์ประมาณ 60และ 68 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ เมื่อใช้เอนไซม์เข้มข้นที่ผลิตได้ไปย่อยกากลำต้นปาล์มน้ำมัน โดยใช้ความเข้มข้น ของเอนไซม์ในช่วง 0-40 ยูนิตต่อกรัมกากลำต้นปาล์มน้ำมัน บ่มที่อุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 24 ชั่วโมง พบว่าค่าที่เหมาะสม คือ ความเข้มข้นของเอนไซม์ 25 ยูนิตต่อกรัมกากลำต้นปาล์ม น้ำมัน ระยะเวลาการย่อย 15 ชั่วโมง ได้ไฮโดรไลเสทที่มีปริมาณน้ำตาลรีดิวซ์สูงสุด 11.92 กรัมต่อ ลิตร คิดเป็น 0.48 กรัมต่อกรัมกากลำต้นปาล์ม เมื่อนำไฮโดรไลเสทจากกากลำต้นปาล์มน้ำมัน (ไม่มีการเติมสารอาหาร) ไปผลิตเอทานอล พบว่าเชื้อ Saccharomyces cerevisiae TISTR5055 มี ประสิทธิภาพในการผลิตสูงกว่าเชื้อ Candida shehatae TISTRS843 และการหมักร่วมของเชื้อทั้งสองสายพันธุ์ สำหรับการผลิตกรดอะซิติกแบบสองขั้นตอน (Iwo-stage fermentation) และการหมัก แบบร่วม (co-culture fementation) โดยเชื้อ S. cerevisiae TISTR5055 และ Acetobacter aceti ในไฮโดรไลเสตจากกากลำต้นปาล์มน้ำมัน พบว่า การเติมสารอาหาร (YM nutrients) มีผลต่อการผลิตเอทานอลทั้งการหมักแบบร่วม (4.01 กรัมต่อลิตร ที่ 12 ชั่วโมง) และการหมักแบบสองขั้นตอน (4.01 กรัมต่อลิตร ที่ 18 ชั่วโมง) แต่ไม่มีผลต่อการผลิตกรดอะซิติก และพบว่าการหมักไฮโดรไลเสทจากกากลำต้นปาล์มน้ำมันที่ไม่เติมสารอาหารแบบการหมักร่วม เชื้อผลิตกรดอะซิติกได้สูงสุด (2,12 กรัมต่อลิตร ที่ 24 ชั่วโมง) คิดเป็น 1.7 เท่า และ 4 เท่า เมื่อเทียบกับการหมักแบบสองขั้นตอน (1.13 กรัมต่อลิตร) เมื่อศึกษาผลของความเข้มข้นของเอนไซม์จากเชื้อ T. koningiopsis TM3 ต่อการ ย่อยน้ำทิ้งโรงงานสกัดน้ำมันปาล์ม (POME) และกากลำต้นปาล์มน้ำมัน ที่อุณหภูมิ 40 และ 50 องศาเซลเซียส ก่อนการนำไปผลิตก๊าซชีวภาพ และใช้เป็นสารหมักร่วม (co-substrate) พบว่า การใช้เอนไซม์ 15 ยูนิตต่อกรัมของแข็งระเหยได้ และบ่มที่อุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 18 ชั่วโมง POME ให้ปริมาณน้ำตาลทั้งหมดสูงสุด เท่ากับ 27.10 กรัมต่อลิตร (กลูโคส 16.69 กรัมต่อลิตร,ไซโลส 4.39 กรัมต่อลิตร, เซลโลไบโอส 3.49 กรัมต่อลิตร และอะราบิโนส 2.35 กรัมต่อลิตร) คิดเป็นผลผลิต 0.35 กรัมต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย ส่วนไฮโดรไลเสทจากกากลำต้นปาล์มน้ำมันมีปริมาณน้ำตาลทั้งหมด 23.28 กรัมต่อลิตร (กลูโคส 19.41 กรัมต่อลิตร ไซโลส 1.09 กรัมต่อลิตร เซลโลไบโอส 2.18 กรัมต่อลิตร และอะราบิโนส 0.60 กรัมต่อลิตร) ในสภาวะเดียวกัน เมื่อนำไฮโดรไลเสทจากน้ำทิ้งโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มไปผลิตก๊าซชีวภาพ พบว่า ศักยภาพการผลิตก๊าซมีเทน (1,243 มิลลิลิตรมีเทนต่อกรัมของแข็งระเหยได้) เพิ่มขึ้น 15.3 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับน้ำทิ้ง โรงงานสกัดน้ำมันปาล์ม (1,078 มิลลิลิตรมีเทนต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย) ในขณะที่ศักยภาพการผลิตก๊าซ มีเทนจากกากลำต้นปาล์มน้ำมันสูงกว่าการผลิตโดยใช้ไฮโดรไลเสทจากกากลำต้นปาล์มน้ำมันเล็กน้อย (3.7 เปอร์เซ็นต์) (1,402 และ 1,350 มิลลิลิตรมีเทนต่อกรัมของแข็งระเหยได้ ตามลำดับ) การหมักร่วมระหว่างไฮโดรไลเสตทั้งสองแหล่งให้ผลผลิตการผลิตก๊าซมีเทนดีที่สุด (1,340 มิลลิลิตรมีเทนต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย) และพบว่าเชื้ออาร์เคีย (archaea) เด่นที่มีบทบาทและสำคัญต่อการผลิตก๊าซมีเทน คือ Methanoculleus sp. และ Methanosarcina sp. ซึ่งผลการทดลองนี้ชี้ให้เห็นว่าการย่อยด้วยเอนไซม์และการหมักร่วมของน้ำทิ้งโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มกับกากลำต้นปาล์มน้ำมันสามารถปรับปรุงการผลิตก๊าซชีวภาพได้ |
Description: | Thesis (Ph.D., Biotechnology)--Prince of Songkla University, 2017 |
URI: | http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17185 |
Appears in Collections: | 853 Thesis |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
424463.pdf | 2.62 MB | Adobe PDF | View/Open |
This item is licensed under a Creative Commons License