การผลิตบิวทานอลจากแหล่งอาหารเลี้ยงเชื้อราคาถูกโดยใช้เชื้อ <I>Clostridium</I>

บทคัดย่อ

ในงานวิจัยนี้ เป็นการศึกษาถึงการเจริญเติบโต การใช้สารตั้งต้น และการสร้างผลิตภัณฑ์ของ เชื้อ Clostridium acetobutylicum และ Clostridium beijerinckii โดยการนำสารอาหารราคาถูก มาใช้เป็นแหล่งคาร์บอนในอาหารเลี้ยงเชื้อจุลินทรีย์อย่างเดียว หรือผสมกับกลูโคส ให้ได้ความเข้มข้น น้ำตาลรีดิวซ์ที่ต้องการในสูตรอาหารต่างๆกัน เพื่อการผลิตบิวทานอล ซึ่งสามารถนำมาใช้เป็นพลังงาน ทดแทนได้ นอกจากเอาไปใช้เป็นตัวทำละลาย ยังสามารถใช้แทนดีเซลและคีโรซีน แล้วเอาไปทำเป็น สารรักษาอาหารสัตว์ สารฆ่าเชื้อ และสารตั้งต้นเพื่อผลิตสารคาร์บอน 4 ตัวในอุตสาหกรรมเคมี ในขั้นแรก ได้ทำการศึกษาการเจริญเติบโตและการสร้างสารผลิตภัณฑ์ของเชื้อแบคทีเรีย Clostridium acetobutylicum ในอาหารเลี้ยงเชื้อสูตร GYCC ภายใต้สภาวะนิ่งและไร้ออกซิเจนโดย เปรียบเทียบแหล่งน้ำตาลราคาถูกสามชนิดแทนกลูโคสได้แก่ กากน้ำตาล น้ำมะพร้าวที่เหลือจากการ ผลิตกะทิ และน้ำจากเนื้อติดเปลือกรวมถึงแกนสับปะรด โดยมีความเข้มข้นน้ำตาลรีดิวซ์เริ่มต้นเท่ากับ 20 กรัมต่อลิตร พบว่าเชื้อสามารถเจริญเติบโตได้ดีที่สุดเมื่อใช้กลูโคสเป็นแหล่งน้ำตาล และเติมอาหาร GYCC ที่มีแหล่งน้ำตาลทุกครั้ง โดยมีจำนวนจุลินทรีย์ที่มีชีวิตสูงสุดเท่ากับ 1.70 ? 106 CFU ต่อ มิลลิลิตรซึ่งแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญกับการทดลองชุดอื่น และการใช้น้ำมะพร้าวที่เหลือจากการผลิต กะทิแทนกลูโคสเป็นแหล่งน้ำตาล คือชุดการทดลองที่มีจำนวนเชื้อสูงเท่ากับ 1.30 ? 106 CFU ต่อ มิลลิลิตร แต่ไม่มีความแตกต่างกับชุดการทดลองที่เป็นแหล่งน้ำตาลราคาถูกชนิดอื่นอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อนำน้ำหมักมาวิเคราะห์ด้วยเครื่อง HPLC สารผลิตภัณฑ์ที่พบในชุดควบคุมกลูโคสที่มีการเติมอาหาร GYCC ที่มีกลูโคสเป็นแหล่งน้ำตาลทุกครั้งที่มีการเก็บตัวอย่างคือ กรดอะซิติก กรดบิวทิริก เอ ทานอล และบิวทานอลความเข้มข้นสูงสุดเท่ากับ 4.95 0.60 1.00 และ 0.13 กรัมต่อลิตรตามลำดับ ในขณะที่ผลิตภัณฑ์ของชุดการทดลองที่ใช้แหล่งน้ำตาลราคาถูกทุกการทดลองจะพบเฉพาะกรดอะซิ ติก และกรดบิวทิริก โดยจะพบกรดบิวทิริกได้ตั้งแต่ในชั่วโมงที่ 48 ของชุดการทดลองที่ใช้น้ำมะพร้าว ที่เหลือจากการผลิตกะทิ และน้ำจากเนื้อติดเปลือกรวมถึงแกนสับปะรด ความเข้มข้นสูงสุดเท่ากับ 0.94 กรัมต่อลิตรและ 0.79 กรัมต่อลิตรตามลำดับ และมีความเข้มข้นของกรดอะซิติกสูงสุด 3.48 กรัมต่อลิตรและ 4.62 กรัมต่อลิตร ในขณะที่อาหารที่ใช้กากน้ำตาลจะมีกรดอะซิติกตั้งแต่เริ่มจนจบ การทดลอง และมีความเข้มข้นสูงสุดของกรดบิวทิริกคือ 0.98 กรัมต่อลิตรในชั่วโมงที่ 96 ของการ เพาะเลี้ยง ต่อมา ทำการศึกษาการเจริญเติบโตและการสร้างผลิตภัณฑ์ของเชื้อแบคทีเรีย Clostridium actobutylicum ในอาหารเลี้ยงเชื้อ GYCC อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส ภายใต้สภาวะนิ่งและไม่มี ออกซิเจน เพื่อเปรียบเทียบระหว่างการใช้กลูโคส ซึ่งเป็นชุดควบคุมเช่นเดียวกัน แต่ใช้แหล่งคาร์บอน ราคาถูกแทน ได้แก่ เปลือกมันเทศ และปลายข้าว ด้วยกระบวนการย่อยที่แตกต่างกัน พบจำนวน เชื้อจุลินทรีย์สูงสุดในชุดควบคุมที่ใช้กลูโคสเข้มข้น 20 กรัมต่อลิตร เป็นแหล่งคาร์บอน และมีการเติม อาหาร GYCC ซึ่งมีกลูโคสหลังการเก็บตัวอย่างเท่ากับ 1.54 ? 107 CFU ต่อมิลลิลิตร ซึ่งแบคทีเรียมี การใช้น้ำตาลส่งผลให้ค่าความเป็นกรดด่างในระบบมีค่าลดลงจาก 5.83 เหลือเพียง 4.88 และเข้าสู่ สภาวะคงที่หลังกระบวนการหมักดำเนินไป 48 ชั่วโมง ส่วนในอาหารที่เติมสารซึ่งได้จากการย่อย เปลือกมันเทศด้วยเอนไซม์พบจำนวนเซลล์ที่มีชีวิตสูงสุดเท่ากับ 2.74 ?106 CFU ต่อมิลลิลิตร โดยเชื้อ แบคทีเรียมีการใช้น้ำตาลส่งผลให้ค่าความเป็นกรดด่างในการหมักมีค่าลดลงจาก 5.84 เป็น 5.10 หลัง กระบวนการหมักดำเนินไป 69 ชั่วโมง ส่วนการสร้างผลิตภัณฑ์ของเชื้อแบคทีเรียในชุดควบคุมที่ใช้ กลูโคส 20 กรัมต่อลิตรและมีการเติมอาหาร GYCC ซึ่งไม่มีกลูโคสหลังการเก็บตัวอย่าง พบว่า มี ปริมาณบิวทานอลสูงสุดเท่ากับ 0.14 กรัมต่อลิตร ส่วนการวิเคราะห์สารผลิตภัณฑ์ในแหล่งคาร์บอน อื่นๆ พบเพียงกรดอะซิติกและกรดบิวทิริก โดยพบกรดอะซิติกเท่ากับ 0.767 กรัมต่อลิตร และกรด บิวทิริก 1.438 กรัมต่อลิตร ในอาหาร GYCC ที่มีการเติมสารที่ได้จากการย่อยเปลือกมันเทศด้วย เอนไซม์ ส่วนอาหาร GYCC ที่มีการเติมสารที่ได้จากการย่อยเปลือกมันเทศด้วยสารละลายกรด ซัลฟิวริกมีปริมาณกรดอะซิติกและกรดบิวทิริกเท่ากับ 1.793 และ 1.139 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ และพบปริมาณกรดบิวทิริกมีความเข้มข้น 1.694 กรัมต่อลิตร ในอาหาร GYCC ซึ่งใช้สารที่ได้จากการ ย่อยปลายข้าวด้วยเอนไซม์ ส่วนในการศึกษาความเป็นไปได้ที่จะใช้แหล่งน้ำตาลราคาถูก ได้แก่ กากน้ำตาล น้ำมะพร้าวที่ เหลือจากการผลิตกะทิ และน้ำจากเปลือกและแกนกลางสับปะรด โดยเตรียมให้น้ำตาลรีดิวซ์มีปริมาณ เริ่มต้น 60 กรัมต่อลิตร ในการเจริญเติบโต และการผลิตบิวทานอลจาก Clostridium beijerinckii โดยทำการศึกษาในระดับฟลาส์กขนาด 250 มิลลิลิตร ในสภาวะไร้ออกซิเจน ที่อุณหภูมิ 37 องศา เซลเซียส จากนั้นทำการเก็บตัวอย่างทุก 24 ชั่วโมง เพื่อศึกษาการเจริญเติบโตด้วยการนับจำนวน เชื้อจุลินทรีย์ที่มีชีวิต แล้วนำส่วนใสของตัวอย่างไปวิเคราะห์ด้วยเครื่อง HPLC เพื่อหาปริมาณสาร ผลิตภัณฑ์หลักที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการ พบว่าเมื่อใช้ชุดควบคุม ซึ่งใช้กลูโคสเป็นแหล่งน้ำตาล โดยมีการเติมอาหาร P2 ซึ่งไม่มีกลูโคส หลังการเก็บตัวอย่าง มีจำนวนเซลล์มากที่สุดในชั่วโมงที่ 72 ของการเพาะเลี้ยงเป็นจำนวน 5.02 x 106 CFU ต่อมิลลิลิตร และสามารถผลิตบิวทานอลได้สูงสุด 0.99 กรัมต่อลิตรในชั่วโมงที่ 144 เมื่อทำการเปรียบเทียบปริมาณเซลล์ที่มีชีวิตสูงสุดจากแหล่งน้ำตาล ต่างๆ รวมทั้งของชุดควบคุม เห็นได้ว่าปริมาณเซลล์ของอาหาร P2 ที่มีน้ำจากเปลือกและแกนกลาง สับปะรดมีค่ามากที่สุด เท่ากับ 2.40 x 108 CFU ต่อมิลลิลิตรในชั่วโมงที่ 168 โดยการวิเคราะห์ทาง สถิติไม่พบความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญกับการทดลองจากแหล่งน้ำตาลอื่นๆ อีกทั้งเมื่อเปรียบเทียบ การสร้างสารผลิตภัณฑ์จากแหล่งน้ำตาลราคาถูกทั้ง 3 แหล่ง พบว่ามีเพียงน้ำมะพร้าวที่เหลือจากการ ผลิตกะทิที่มีการผลิตบิวทานอล และมีค่าสูงสุดเท่ากับ 3.14 กรัมต่อลิตร อยู่ที่ชั่วโมงที่ 96 ของการ เพาะเลี้ยง และสามารถผลิตอะซิโตนได้สูงสุดเท่ากับ 5.66 กรัมต่อลิตร ในชั่วโมงที่ 24 และมี กากน้ำตาลที่สามารถผลิตเอทานอลได้สูงสุด 5.11 กรัมต่อลิตรในชั่วโมงที่ 192 เมื่อศึกษาการเจริญเติบโต และการสร้างสารผลิตภัณฑ์ของเชื้อแบคทีเรีย Clostridium beijerinckii ใน ฟลาสก์ 250 มิลลิลิตร ที่มีอาหารเลี้ยงเชื้อ P2 ภายใต้สภาวะนิ่ง และไม่มีออกซิเจน โดยเปรียบเทียบระหว่างชุดควบคุมกับแหล่งคาร์บอนราคาถูกทั้งสองชนิด ได้แก่ เปลือกมันเทศ และ ปลายข้าว แทนน้ำตาลกลูโคส กำหนดให้มีความเข้มข้นน้ำตาลรีดิวซ์เริ่มต้นเท่ากับ 60 กรัมต่อลิตร ผล ปรากฏว่า จากการใช้เปลือกมันเทศที่ผ่านการย่อยด้วยเอนไซม์เป็นแหล่งคาร์บอน มีจำนวนเซลล์ที่มี ชีวิตสูงสุดเท่ากับ 4.46 x108 CFU ต่อมิลลิลิตรในชั่วโมงที่ 168 ซึ่งมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญกับ ชุดควบคุม (อาหาร P2 เติมกลูโคส ซึ่งหลังเก็บตัวอย่างเติมอาหาร P2 ที่มีกลูโคส) ซึ่งมีจำนวนเชื้อ 2.03 x107 CFU ต่อมิลลิลิตร ณ ชั่วโมงที่ 168 และมีความแตกต่างทางสถิติเมื่อเปรียบเทียบระหว่าง ปลายข้าวที่ผ่านการย่อยด้วยสารละลายกรดซัลฟิวริก และเอนไซม์ ที่มีจำนวนเซลล์สูงสุดเท่ากับ 3.72 x108 CFU ต่อมิลลิลิตรในชั่วโมงที่ 72 และ 1.85 x108 CFU ต่อมิลลิลิตร ณ ชั่วโมงที่ 192 ตามลำดับ เมื่อนำตัวอย่างน้ำหมักมาวิเคราะห์ด้วยเครื่อง HPLC สารผลิตภัณฑ์ที่พบในชุดควบคุมที่หนึ่ง ชุด ควบคุมที่สอง เปลือกมันเทศ และปลายข้าวที่ผ่านการย่อยด้วยเอนไซม์ ได้แก่ บิวทานอล ในชุด ควบคุมที่หนึ่ง ปริมาณบิวทานอลสูงสุดที่พบหลังการเพาะเลี้ยงผ่านไป 48 ชั่วโมง เท่ากับ 3.43 กรัม ต่อลิตร และ 1.20 กรัมต่อลิตร ณ ชั่วโมงที่ 144 ของชุดควบคุมที่สอง ลำดับต่อมาเมื่อใช้เปลือกมัน เทศที่ผ่านการย่อยด้วยเอนไซม์ พบปริมาณบิวทานอลสูงสุดเท่ากับ 13.29 กรัมต่อลิตร และ 0.00286 กรัมต่อลิตรเมื่อใช้ปลายข้าวที่ผ่านการย่อยด้วยเอนไซม์ตามลำดับ ในขณะที่เมื่อใช้เปลือกมันเทศ และ ปลายข้าวที่ผ่านการย่อยด้วยสารละลายกรดซัลฟูริก สารผลิตภัณฑ์พบเอทานอล เพียงอย่างเดียว แสดงว่า เปลือกมันเทศที่ย่อยด้วยเอนไซม์มีความเหมาะสมที่จะใช้เป็นแหล่งคาร์บอนได้ดีกว่าปลาย ข้าวที่ย่อยด้วยเอนไซม์

คำสำคัญ