การพัฒนาระบบการผลิตมวลเซลล์รวมแบบต่อเนื่อง / ต่อเนื่องอนุกรม จากน้ำลำไยสด และกากลำไยสดความเข้มข้นสูง เพื่อใช้เร่งปฏิกิริยาการเชื่อมต่อไพรูเวต และเบนซาลดีไฮด์ให้เป็นฟีนิลแอซิติลคาร์บินอล ในถังไบโอทรานส์ฟอร์ม แบบของเหลวสองชั้น และแบบหยดอิมัลชั่น โดยมีน้ำมันพืชเป็นชั้นสารอินทรีย์

บทคัดย่อ

งานวิจัยนี้ มีวัตถุประสงค์ (1) เพื่อศึกษาประสิทฺธิภาพการเพาะเลี้ยงเซลล์รวม Candida tropicalis TISTR 5306 และ TISTR 5350 ด้วยกระบวนการผลิตแบบต่อเนื่อง และต่อเนื่องอนุกรม ระดับ 1 ลิตร (2) เปรียบเทียบจลนพลศาสตร์กระบวนการผลิตฟีนิลแอซิติลคาร์บินอล แบบหยดอิมัลชั่น และแบบของเหลวสองชั้น ด้วยเซลล์รวม ของ C. tropicalis ที่คัดเลือกได้ ในถังไบโอทรานส์ฟอร์มขนาด 10 ลิตร และ (3) เปรียบเทียบประสิทธิภาพการผลิตเซลล์รวม และเอทานอล ของ C. tropicalis ที่คัดเลือกได้ ด้วยสารสกัดกากลำไยสดคละเกรดความเข้มข้นสูง และน้ำลำไยสดคละเกรดความเข้มข้นสูง ในระบบการผลิตแบบกะ และแบบต่อเนื่อง การศึกษาจลนพลศาสตร์การผลิตเอทานอล ได้กระทำในระบบการผลิตเอทานอลแบบกะ และแบบต่อเนื่อง และต่อเนื่องอนุกรม ขนาด 1 ลิตร ที่มีการควบคุมระดับอุณหภูมิ และการให้อากาศ ด้วยสารสกัดกากลำไยสดความเข้มข้นสูง สำหรับระบบการผลิตเอทานอลแบบกะ ทำการเก็บตัวอย่างทุก 6 ชั่วโมง เป็นเวลา 96 ชั่วโมง พบว่า C. tropicalis TISTR 5306 สามารถผลิตเอทานอลได้เท่ากับ 12.02 ?0.13 กรัมต่อลิตร และมีค่าผลได้เอทานอล เท่ากับ 0.35 ? 0.03 กรัมเอทานอลที่ผลิตได้ต่อกรัมน้ำตาลที่ใช้ไป ส่วน C. tropicalis TISTR 5350 สามารถผลิตเอทานอลได้เท่ากับ 5.30 ? 0.47 กรัมต่อลิตร และมีค่าผลได้เอทานอล เท่ากับ 0.24?0.02 กรัมเอทานอลที่ผลิตได้ต่อกรัมน้ำตาลที่ใช้ไป ระบบการผลิตเอทานอลแบบต่อเนื่องทำการเก็บตัวอย่างทุก 6 ชั่วโมง เป็นเวลา 72 ชั่วโมง ใช้อัตราการป้อนอาหารที่ 13.5 และ 18.8 มิลลิลิตรต่อชั่วโมง เติมอากาศโดยใช้ความแรงปั๊มเบอร์ 2 นาน 12 ชั่วโมง จากนั้นจึงปรับเป็นความแรงปั๊มเบอร์ 1 สลับกันจนครบ 72 ชั่วโมง พร้อมกับกระบวนการหมักแบบต่อเนื่องอนุกรม เก็บตัวอย่างทุก 6 ชั่วโมง เป็นเวลา 72 ชั่วโมง พบว่าระดับความเข้มข้นเอทานอล เท่ากับ 6.16?0.04 กรัมต่อลิตร สำหรับ C. tropicalis TISTR 5306 และ 3.47 ? 0.15 กรัมต่อลิตร สำหรับ C. tropicalis TISTR 5350 ส่วนระบบการผลิตเอทานอลแบบต่อเนื่องอนุกรม ที่ทำการเก็บตัวอย่างทุก 6 ชั่วโมง เป็นเวลา 72 ชั่วโมง พบว่าระดับความเข้มข้นเอทานอล เท่ากับ 6.48?0.14 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ สำหรับ C. tropicalis TISTR 5360 และ 4.99 ? 0.30 กรัมต่อลิตร สำหรับ C. tropicalis TISTR 5350 การศึกษากระบวนการไบโอทรานส์ฟอร์เมชันเพื่อผลิตฟีนิลแอซีติลคาร์บินอลในระบบของเหลวสองชั้นระดับ 250 และ 5,000 มิลลิลิตร ใช้เซลล์รวม C. tropicalis TISTR 5306 ระดับความเข้มข้น 12.24 กรัมต่อลิตร เมื่อเทียบกับปริมาตรของเหลวรวมทั้งสองชั้น โดยเซลล์รวมนี้ได้จากระบบการผลิตแบบกะ ในระดับ 500 มิลลิลิตร โดยใช้น้ำลำไยสด และสารสกัดกากลำไยผงที่ผ่านการอบแห้ง การย่อยด้วยเอนไซม์ทางการค้าในกลุ่มอะไมเลส-เซลลูเลส-ไซลาเนส เป็นแหล่งอาหารคาร์บอน และมีการเติมแอมโมเนียมซัลเฟตความเข้มข้น 8.52 กรัมต่อลิตร เพื่อเป็นแหล่งอาหารไนโตรเจน การผลิตฟีนิลแอซีติลคาร์บินอลทั้งสองระดับปริมาตร ดำเนินการทำปฏิกิริยาในสภาวะควบคุมอุณหภูมิที่ 10 องศาเซลเซียส ใช้ชั้นน้ำและสารอินทรีย์ปริมาตรเท่ากัน ชั้นน้ำ คือ ฟอสเฟตบัฟเฟอร์ ระดับความเข้มข้น 1 โมลาร์ ปรับระดับความเป็นกรดเบสเริ่มต้นให้เท่ากับ 6.5 พร้อมเติมโคแฟกเตอร์ 2 ชนิด ได้แก่ แมกนีเซียมเฮปตาไฮเดรต และไทอามีนไพโรฟอสเฟต ระดับความเข้มข้นชนิดละ 1 มิลลิโมลาร์ ชั้นสารอินทรีย์ คือ น้ำมันปาล์ม ใช้สัดส่วนโดยโมลของสารตั้งต้นไพรูเวตและเบนซาลดีไฮด์ ที่ระดับ 1.2 ต่อ 1.0 ผลการศึกษาในระดับ 250 มิลลิลิตร เพื่อคัดเลือก ระดับความเข้มข้นไพรูเวต/เบนซาลดีไฮด์ ที่เหมาะสม (480/400 และ 840/700 มิลลิโมลาร์) พบว่า ระดับความเข้มข้น 480/400 มิลลิโมลาร์ มีความเหมาะสมที่สุด โดยสามารถทำการผลิตฟีนิลแอซีติลคาร์บินอลได้ระดับความเข้มข้นสูงสุด 25.1 ? 0.8 มิลลิโมลาร์ ที่เวลา 120 นาที สำหรับน้ำลำไยสด และ 2.00 ? 0.26 มิลลิโมลาร์ ที่เวลา 270 นาที สำหรับสารสกัดกากลำไยผง อัตราการผลิตฟีนิลแอซีติลคาร์บินอลเริ่มต้น ที่ระดับ 0.37 ? 0.03 มิลลิโมลาร์ต่อนาที ในช่วง 60 นาทีแรก สำหรับน้ำลำไยสด และ 0.0515 ? 0.0005 มิลลิโมลาร์ต่อนาที ในช่วง 60 นาทีแรก สำหรับสารสกัดกากลำไยผง ค่าสมดุลไพรูเวต และเบนซาลดีไฮด์ คือ ร้อยละ 102 ? 2 และ 99.7 ? 5.6 สำหรับน้ำลำไยสด และ ร้อยละ 81.5 ? 1.0 และ 86.3 ? 3.8 สำหรับสารสกัดกากลำไยผง ตามลำดับ ส่วนผลการศึกษาในระดับ 5,000 มิลลิลิตร ด้วยระดับความเข้มข้นไพรูเวต/เบนซาลดีไฮด์ ข้างต้น ในระบบการผสมแบบหมุนกวนเร็วที่ทำให้ของเหลวสองชั้นกลายเป็นอิมัลชันผสมเข้ากันเป็นชั้นเดียว และแบบหมุนกวนช้าที่ยังคงรักษาสภาพของเหลวแยกเป็นสองชั้น พบว่าระบบการผสมแบบหมุนกวนช้า มีความเหมาะสมที่สุด โดยผลิตฟีนิลแอซีติลคาร์บินอลได้ระดับความเข้มข้นสูงสุด 28.4 ? 0.8 มิลลิโมลาร์ ที่เวลา 150 นาที สำหรับน้ำลำไยสด และ 12.3 ? 0.2 มิลลิโมลาร์ ที่เวลา 360 นาที สำหรับสารสกัดกากลำไยผง อัตราการผลิตฟีนิลแอซีติลคาร์บินอลเริ่มต้น ที่ระดับ 0.38 ? 0.01 มิลลิโมลาร์ต่อนาที ในช่วง 60 นาทีแรก สำหรับน้ำลำไยสด และ 0.18 ? 0.01 มิลลิโมลาร์ต่อนาที ในช่วง 60 นาทีแรก สำหรับสารสกัดกากลำไยผง ค่าสมดุลไพรูเวต และเบนซาลดีไฮด์ คือ ร้อยละ 90.7 ? 1.2 และ 96.6 ? 5.4 สำหรับน้ำลำไยสด และ ร้อยละ 86.6 ? 1.8 และ 74.2 ? 4.9 สำหรับสารสกัดกากลำไยผง ตามลำดับ ส่วนสารผลิตภัณฑ์ข้างเคียง เช่น แอซีตาลดีไฮด์ และกรดเบนโซอิก ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิตทั้งสองระดับอยู่ในช่วง 5.70 ? 0.05 – 8.90 ? 0.70 มิลลิโมลาร์ และ 9.71 ? 0.05 – 15.5 ? 0.3 มิลลิโมลาร์ สำหรับน้ำลำไยสด และ 0.19 ? 0.01 – 0.54 ? 0.04 มิลลิโมลาร์ และ 0.82 ? 0.02 – 1.07 ? 0.01 มิลลิโมลาร์ สำหรับสารสกัดกากลำไยผง ตามลำดับ การศึกษาเปรียบเทียบการใช้แหล่งอาหารคาร์บอนสำหรับการเพาะเลี้ยง C. tropicalis TISTR 5306 ด้วยน้ำลำไยสด และกากลำไยสดที่ผ่านการปรับสภาพก่อนทำการย่อยด้วยเอนไซม์ทางการค้าที่แตกต่างกัน ในช่วงความเข้มข้นน้ำตาลรวม 100 – 175 กรัมต่อลิตร โดยจะแสดงผลเฉพาะ 100 กรัมต่อลิตรเป็นตัวอย่างในบทคัดย่อนี้เท่านั้น พบว่ากรณีของน้ำลำไยสด เมื่อใช้เวลา การเพาะเลี้ยงนาน 72 ชั่วโมง สามารถผลิตเอทานอล ได้ระดับความเข้มข้นเท่ากับ 24.5? 0.19 กรัมต่อลิตร คิดเป็นค่าสัดส่วนการผลิตเอทานอล 0.24 ? 0.02 กรัมต่อกรัม ส่วนในกรณีของกากลำไยสด เมื่อใช้เวลาการเพาะเลี้ยงนาน 24 ชั่วโมง สามารถผลิตมวลชีวภาพแห้ง และเอทานอลความเข้มข้น เท่ากับ 5.40?0.04 และ 24.9?0.83 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ คิดเป็นค่าสัดส่วนการผลิตเอทานอลและมวลชีวภาพแห้ง เท่ากับ 0.41?0.01 และ 0.044?0.0001 กรัมต่อกรัม ตามลำดับ การศึกษาจลนพลศาสตร์การผลิตเซลล์รวม และเอทานอล ในระบบการผลิตแบบกะ ระดับ 1 ลิตร โดยใช้น้ำลำไยสด และสารสกัดผงกากลำไยอบแห้งที่ระดับความเข้มข้นน้ำตาลรวม 100 กรัมต่อลิตร พร้อมเติมแหล่งอาหารไนโตรเจนเป็นสารตั้งต้น โดยเพาะเลี้ยงที่อุณหภูมิ 30 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 48 ชั่วโมง พร้อมให้อากาศ 2 ระดับ ได้แก่ 2.190 วีวีวีเอ็ม ใน 24 ชั่วโมงแรก และ 1.095 วีวีเอ็ม ใน 24 ชั่วโมงหลัง พบว่า ที่ระยะเวลาการเพาะเลี้ยง 48 ชั่วโมง C. tropicalis TISTR 5306 สามารถผลิต เอทานอล และมวลชีวภาพแห้งได้ความเข้มข้น 10.9 ? 0.6 และ 6.23 ? 0.15 กรัมต่อลิตร ในกรณีน้ำลำไยสด และ 13.8 ? 0.36 และ 2.65 ? 0.10 กรัมต่อลิตร ในกรณีกากลำไยสด เมื่อศึกษาจลนพลศาสตร์การผลิตเซลล์รวม และเอทานอล ในระบบการผลิตแบบต่อเนื่อง ระดับ 1 ลิตร โดยแปรระดับอัตราการป้อนอาหาร (F) จำนวน 3 ระดับ ได้แก่ 37.8, 29.4 และ 21.0 มิลลิลิตรต่อชั่วโมง ทำการเพาะเลี้ยงในสภาวะเดียวกันกับระบบการผลิตแบบกะ เป็นเวลา 192 ชั่วโมง สำหรับน้ำลำไยสด และ 264 ชั่วโมง สำหรับกากลำไยสด พบว่า ในกรณีของน้ำลำไยสด เมื่อ F เท่ากับ 29.4 มิลลิลิตรต่อชั่วโมง C. tropicalis TISTR 5306 สามารถผลิตมวลชีวภาพแห้งได้ระดับความเข้มข้นสูงสุดเฉลี่ย 7.34 ? 1.15 กรัมต่อลิตร โดยใช้เวลาในการเพาะเลี้ยง 132 ชั่วโมง และเมื่อค่า F เท่ากับ 21.0 มิลลิลิตรต่อชั่วโมง เชื้อยีสต์สามารถผลิตเอทานอลได้ระดับความเข้มข้นสูงสุดเฉลี่ย 13.4 ? 0.1 กรัมต่อลิตร โดยใช้เวลาในการเพาะเลี้ยง 60 ชั่วโมง ส่วนในกรณีของกากลำไยสด เมื่อ F เท่ากับ 21.0 มิลลิลิตรต่อชั่วโมง C. tropicalis TISTR 5306 สามารถผลิตมวลชีวภาพแห้งได้ระดับความเข้มข้นสูงสุดเฉลี่ย 1.92?0.26 กรัมต่อลิตร โดยใช้เวลาในการเพาะเลี้ยง 60 - 120 ชั่วโมง และเมื่อค่า F เท่ากับ 29.4 มิลลิลิตรต่อชั่วโมง เชื้อยีสต์สามารถผลิตเอทานอลได้ระดับความเข้มข้นสูงสุดเฉลี่ย 21.8?0.57 กรัมต่อลิตร โดยใช้เวลาในการเพาะเลี้ยง 132 - 192 ชั่วโมง การปรับปรุงวิธีการย่อยด้วยเอนไซม์ผสมทางการค้าวิธีใหม่ ทำให้ได้ระดับน้ำตาลโดยรวมเพิ่มขึ้นมากกว่าวิธีดั้งเดิม อย่างไรก็ตามเมื่อใช้วิธีระเหยสุญญากาศในการทำเข้มข้นให้สูงกว่าระดับ 100 กรัมต่อลิตร พบว่าจุลินทรีย์ไม่สามารถผลิตเอทานอลในสภาวะดังกล่าวได้ C. tropicalis TISTR 5306 สามารถผลิตเอทานอลได้ระดับสูงกว่า TISTR 5350 โดยการทำไบโอทรานส์ฟอร์เมชันแบบของเหลวสองชั้นด้วยมวลเซลล์จากน้ำลำไยสด ในระบบการผสมแบบหมุนกวนช้า ที่ระดับความเข้มข้นไพรูเวต/เบนซาลดีไฮด์เริ่มต้นเท่ากับ 480/400 มิลลิโมลาร์ มีความเหมาะสมที่สุดในการผลิตฟีนิลแอซีติลคาร์บินอล ทั้งนี้ควรดำเนินการศึกษากรรมวิธีการย่อยกากลำไยสดที่เหมาะสมเพิ่มเติมเนื่องจากการทำเข้มข้นสารสกัดกากลำไยสดที่มีระดับน้ำตาลรวมสูงกว่า 100 กรัมต่อลิตร ส่งผลยับยั้งการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์

คำสำคัญ