PRETREATMENT OF RICE STRAW WITH ACID AND ALKALINE TO ENHANCE ENZYMATIC SACCHARIFICATION FOR ETHANOL PRODUCTION BY SEPARATION HYDROLYSIS AND FERMENTATION

Abstract

Rice straw is a lignocellulosic from agriculture waste, which is interesting to be used as a raw material for ethanol production. Since these materials are plentiful, cost effective and source of sugar, they can be used to produce sugar as substrate for ethanol production by Saccharomyces cerevisiae. The aim of this research were selection of pretreatment conditions of rice straw and enhancing sugar production from rice straw with enzymatic hydrolysis. The composition of rice straw before pretreatment contains cellulose 43.21%, hemicellulose 23.00% and lignin 4.30%. The study was carried out to compare two acid pretreatments, acetic acid and sulfuric acid were used 0.5, 1.0, 2.5 and 5.0% (v/v) of both acid at 120 oC for 120 min by hot air oven and at 121 oC, 15 lb/in2 for 15 min by autoclave. The results showed that the rice straw pretreatment with 2.5% (v/v) of sulfuric acid by autoclave produced the highest amount of total sugars and reducing sugars showing 20.11 g/L of total sugar and reducing sugar 9.50 g/L. These had glucose and xylose at 3.70 and 4.21 g/L respective. After that, pretreated rice straw at 2.5% (v/v) of sulfuric acid were used for alkaline pretreatment by using sodium hydroxide, calcium hydroxide and sodium chloride at of 5, 10, 15 and 20% (w/v) at 121 oC, 15 lb/in2 for 15 min by autoclave. Sodium hydroxide pretreatment at 15% (w/v) showed the highest sugar amount when compared with other alkaline solutions. The pretreatment gave total sugar concentration at 40.61 g/L and reducing sugar at 20.11 g/L. These were gave glucose and xylose at 20.10 and 0.15 g/L respective. After that the composition of two steps pretreated rice straw result of cellulose increased 90.29% and lignin decreased 1.83%. After that the optimum condition of rice straw pretreatment with the commercial enzyme cellulase is at 20 FPU/g substrate hydrolyzed at 42 oC, 200 rpm for 16 hrs. The results showed total sugar was 202.11 g/L, which was 29.94 times more than untreated rice straw. After determining the optimal condition for immobilization of S. cerevisiae on pretreated rice straw, the result showed that immobilization of yeast cell on the pretreated rice straw of 3 g at 37 oC for 24 hrs exhibited the ability to promote cell binding up to 2.97x107 cell/ml. After that the ethanol production by yeast cells immobilized compared with free cell at initial infection of 1.8x106 cell/ml incubation at 37 oC for 24 hrs showed that the Immobilized yeast cells can be reused 11 times by repeated batch fermentation and higher ethanol concentration than free cells fermentation for the same length of time. Repeated batch fermentation was 14.23% (v/v) or ethanol yield 0.56 g/g and the remaining yeast cells averaged 1.90x107 cell/ml. However, from preliminary cost estimates based on fermentation showed that the production of ethanol by yeast cells immobilized on rice straw pretreatment is economically more worthwhile to produce ethanol than the free cells. Because it can reduce the cost of microorganism production that is used in ethanol fermentation with the estimated quantity of rice straw found in Thailand, it has the potential to produced ethanol from rice straw about 24.54 million-liters per day. Which is according to the expectations of the Alternative Energy and Alternative Energy Developmet Plan for 2015-2036. Therefore, the production of ethanol from rice straw by using immobilized cells can be applied and developed to increase the production of ethanol for sustainable alternative energy in Thailand.

ฟางข้าวเป็นวัสดุประเภทลิกโนเซลลูโลสที่เหลือทิ้งทางการเกษตรที่สามารถนำมาใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตเอทานอล เนื่องจากวัสดุเหล่านี้หาได้ง่าย ราคาถูก และมีศักยภาพในการผลิต เอทานอลด้วยยีสต์ Saccharomyces cerevisiae โดยงานวิจัยนี้มุ่งศึกษาคัดเลือกสภาวะที่เหมาะสมในการปรับสภาพฟางข้าว เพื่อเพิ่มการผลิตน้ำตาลจากการย่อยฟางข้าวด้วยเอนไซม์ ซึ่งองค์ประกอบของฟางข้าวที่ใช้ประกอบด้วยเซลลูโลส 43.21% เฮมิเซลลูโลส 23.00% และลิกนิน 4.30% ในการศึกษาจะเปรียบเทียบการปรับสภาพฟางข้าวในกรดอะซิติก และกรดซัลฟูริกที่ความเข้มข้น 0.5, 1.0, 2.5 และ 5.0% (v/v) โดยผ่านการให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 120 oC เป็นเวลา 120 min ด้วย ตู้อบลมร้อน และที่อุณหภูมิ 121 oC ความดัน 15 lb/in2 เป็นเวลา 15 min ด้วยหม้อนึ่งฆ่าเชื้อ ความดันไอน้ำ พบว่า การปรับสภาพฟางข้าวด้วยกรดซัลฟูริกเข้มข้น 2.5% (v/v) ด้วยหม้อนึ่งฆ่าเชื้อ ความดันไอน้ำ ให้ความเข้มข้นน้ำตาลทั้งหมดสูงสุดเท่ากับ 20.11 g/L น้ำตาลรีดิวซ์เท่ากับ 9.50 g/L ซึ่งเป็นความเข้มข้นของน้ำตาลกลูโคสและไซโลสเท่ากับ 3.70 และ 4.21 g/L ตามลำดับ จากนั้นศึกษาการปรับสภาพฟางข้าวที่ผ่านกรดในสภาวะด่างด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ แคลเซียมไฮดรอกไซด์ และโซเดียมคลอไรด์ที่ความเข้มข้น คือ 5, 10, 15 และ 20% (w/v) ที่อุณหภูมิ 121 oC ความดัน 15 lb/in2 เป็นเวลา15 min ด้วยหม้อนึ่งฆ่าเชื้อความดันไอน้ำ พบว่า โซเดียมไฮดรอกไซด์เข้มข้น 15% (w/v) ให้ความเข้มข้นน้ำตาลทั้งหมดสูงสุดเท่ากับ 40.61 g/L น้ำตาลรีดิวซ์เท่ากับ 23.11 g/L ซึ่งมีความเข้มข้มของน้ำตาลกลูโคสและไซโลสเท่ากับ 20.10 และ 0.15 g/L ตามลำดับ โดยหลัง การปรับสภาพด้วยสารละลายกรดและด่าง พบว่า เซลลูโลสเพิ่มขึ้นสูงถึง 90.92% ขณะที่ลิกนิน ลดลงเหลือ 1.83% จากนั้นนำฟางข้าวที่ผ่านการปรับสภาพด้วยสารละลายกรดและด่างย่อยด้วยเอนไซม์เซลลูเลส Trichoderma reesei มีปริมาณการโหลดเอนไซม์เท่ากับ 20 FPU/g substrate ที่อุณหภูมิ 42 oC อัตราการเขย่า 200 rpm เวลา 16 hrs พบว่า ความเข้มข้นน้ำตาลทั้งหมดหลัง การย่อยด้วยเอนไซม์เท่ากับ 202.11 g/L ซึ่งมีปริมาณน้ำตาลที่ได้มากกว่า 29.94 เท่าของฟางข้าว ที่ไม่ได้ผ่านการปรับสภาพ ทั้งนี้ หลังจากการศึกษาการตรึงรูปเซลล์ยีสต์ S. cerevisiae บนฟางข้าวที่ผ่านการปรับสภาพ พบว่า การตรึงรูปเซลล์ยีตส์ด้วยเทคนิค Adsorption บนฟางข้าวปริมาณ 3 g ที่อุณหภูมิ 37 oC เวลา 24 hrs ให้ผลการเกาะติดของเซลล์ดีที่สุด โดยมีจำนวนเซลล์ที่ถูกตรึงเท่ากับ 2.97x107 cell/ml จากนั้นทำการหมักเอทานอลแบบ repeated batch เทียบกับการหมักเอทานอลแบบอิสระ ที่จำนวนเซลล์ยีสต์เริ้มต้นเท่ากับ 1.8x106 cell/ml บ่มที่อุณหภูมิ 37 oC เวลา 24 hrs พบว่า การหมักเอทานอลแบบ repeated batch ที่ใช้เซลล์ยีสต์ตรึงรูปสามารถหมักซ้ำเป็นจำนวน 11 รอบ มีความเข้มข้นเอทานอลที่เกิดขึ้นเฉลี่ยโดยรวม 14.23% (v/v) คิดเป็นผลได้เอทานอลเท่ากับ 0.56 g/g และจำนวนเซลล์ยีสต์ที่เหลือหลังการหมักเอทานอลเฉลี่ยโดยรวม 1.90x107 cell/ml จากการประเมินต้นทุนเบื้องต้น พบว่า การผลิตเอทานอลด้วยการตรึงรูปเซลล์ยีสต์บนฟางข้าวที่ผ่านการปรับสภาพด้วยสารกรดและด่าง จะส่งผลในเชิงเศรษฐศาสตร์ที่คุ้มค่ากว่าการผลิตเอทานอล แบบเซลล์อิสระ เนื่องจากสามารถช่วยลดค่าใช้จ่ายในกระบวนการผลิตของส่วนจุลินทรีย์ที่ใช้เตรียมในการหมักเอทานอล และเมื่อประเมินปริมาณชีวมวลของฟางข้าวในประเทศไทย พบว่า ประเทศไทยจะมีศักยภาพในการผลิตเอทานอลจากฟางข้าวได้ประมาณ 24.54 ล้านลิตรต่อวัน ซึ่งมีปริมาณ มากพอและเป็นไปตามที่คาดการณ์สำหรับแผนพัฒนาพลังงานทดแทนและพลังงานทางเลือกใน พ.ศ. 2558 – 2579 ดังนั้น การผลิตเอทานอลจากฟางข้าวด้วยเทคนิคการตรึงรูปเซลล์ จึงเป็นอีกแนวทางหนึ่งที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้และพัฒนาต่อยอดเพื่อเพิ่มผลได้ในการผลิตเอทานอล สำหรับพัฒนาพลังงานทดแทนที่ยั่งยืนในประเทศไทย