Ethanol Production from Water Hyacinth by Experimental Design and Response Surface Methodology

Abstract

To optimize the pretreatment, saccharification and supplementation parameters of Water hyacinth substrate for ethanol production using response surface methodology design. Optimization of pretreatment method, saccharification condition by cellulase enzyme with addition of surfactant, concentration of supplemental nitrogen source and fermentation process models were carried out. Pretreatment with acid (H2SO4) or alkali (NaOH) was found to be efficient than untreated substrate at the same temperature and time. The optimum conditions for pretreatment were 2.31 % (v/v) of H2SO4 at 100oC for 20 minutes. The pretreatment reduced lignin by 50% and increased the cellulose content when compared to untreated Water hyacinth. The study of saccharification method showed that the optimum conditions of saccharification was 1:19.81 solid and liquid ratio, 60 FPU/g of substrate and 0.91% (v/v) of Tween80 utilized at 50oC, 200 rpm for 36 hours and yielded glucose at a concentration of 41.18 g/L. A comparative study on optimum nitrogen source supplementation showed that yeast extract was the most efficient nitrogen source for ethanol fermentation when compared to urea & (NH4)2SO4. The optimum concentration of urea & (NH4)2SO4 additions were found to be 3.45 and 2.85 g/L respectively. Moreover, the urea & (NH4)2SO4 supplement must not exceed 6.0 g/L in order to have a beneficial effect on fermentation. The ethanol concentration of the fermentation broth supplemented with urea & (NH4)2SO4 was 17.33 g/L and was not significantly different from the ethanol concentration of 18.57 g/L when yeast extract was used. Optimized levels of low-cost nitrogen can therefore be utilized as a substitute for expensive nitrogen sources in the industrial scale. Finally, the study on the fermentation process models (separate hydrolysis and fermentation (SHF), simultaneous saccharification and fermentation (SSF) and SSF with Pre-hydrolysis) showed that all 3 models can be implemented for ethanol fermentation from Water hyacinth. The most suitable method was found to be SSF process yielding the highest ethanol concentration of 17.35 g/L with fermentation conditions of 35oC, 150 rpm and 36 hours of fermentation.

การศึกษาความเป็นไปได้ของการนำผักตบชวามาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตเอทานอลด้วยการออกแบบการทดลองแบบพื้นผิวตอบสนอง เพื่อให้ได้สภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพผักตบชวา สภาวะที่เหมาะสมของการย่อยผักตบชวาด้วยเอนไซม์เซลลูเลสร่วมกับการเติมสารลดแรงตึงผิว การหาสภาวะที่เหมาะสมของการเติมแหล่งไนโตรเจน และรูปแบบของกระบวนการหมักที่เหมาะสม โดยสภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพผักตบชวาด้วยการแปรผันชนิดของสารเคมีที่ใช้ในการปรับสภาพ อุณหภูมิ และเวลา พบว่า การปรับสภาพผักตบชวาด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ และกรดซัลฟิวริกสามารถปรับสภาพวัตถุดิบได้ดีทั้ง 2 ชนิด คือ ภายใต้สภาวะของอุณหภูมิ และเวลาเดียวกัน โดยสภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพ คือ ใช้กรดซัลฟิวริกที่ความเข้มข้น 2.31 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตร ที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส นาน 20 นาที เป็นสภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพโดยสามารถกำจัดลิกนินได้มากกว่า 50 เปอร์เซ็นต์ และมีปริมาณเซลลูโลสเพิ่มมากขึ้นจากผักตบชวาที่ไม่ผ่านการปรับสภาพ เมื่อได้สภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพแล้ว ได้ทำการศึกษาการหาสภาวะที่เหมาะสมของการย่อยผักตบชวาด้วยเอนไซม์เซลลูเลสร่วมกับการเติมสารลดแรงตึงผิว โดยทำการแปรผันอัตราส่วนของแข็งต่อของเหลว ปริมาณการเติมเอนไซม์ และชนิดของสารลดอรงตึงผิว 2 ชนิด คือ Tween80 และ Triton X-100 พบว่า Tween80 สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเอนไซม์ได้ดีกว่าการใช้ Triton X-100 โดยสภาวะที่เหมาะสมของการย่อยคือ ใช้อัตราส่วนของแข็งต่อของเหลว 1 ต่อ 19.87 ปริมาณการเติมเอนไซม์ 60 FPU ต่อกรัมวัตถุดิบ และเติม Tween80 0.91 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตร ที่สภาวะของการย่อย 50 องศาเซลเซียส อัตราการเขย่า 150 รอบต่อนาที นาน 36 ชั่วโมง โดยมีปริมาณน้ำตาลกลูโคสอยู่ในช่วง 41.18 กรัมต่อลิตร จากนั้น ทำการศึกษาการเติมแหล่งไนโตรเจนที่เหมาะสมต่อการหมักเอทานอลจากผักตบชวาด้วยเชื้อ S. cerevisiae ชนิดผง โดยขั้นตอนแรก เป็นการหาขอบเขตของการเติมแหล่งไนโตรเจน และเปรียบเทียบการใช้แหล่งไนโตรเจนที่มีราคาแพง คือ ยีสต์เอกแทรก และแหล่งไนโตรเจนที่มีราคาถูก คือ ยูเรีย และแอมโมเนียมซัลเฟต พบว่า ยีสต์เอกแทรกเป็นแหล่งไนโตรเจนที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดต่อการหมักเอทานอล ในส่วนของยูเรียและแอมโมเนียมซัลเฟตที่ใช้เติมลงในอาหารหมักต้องไม่เกิน 6.0 กรัมต่อลิตร จึงจะมีผลดีต่อการหมักเอทานอล และเพื่อเป็นการทดแทนแหล่งไนโตรเจนที่มีราคาสูงในระดับอุตสาหกรรม จึงได้ศึกษาการใช้แหล่งไนโตรเจนราคาถูกมาเติมร่วมกัน โดยพบว่า สภาวะที่เหมาะสมของการเติมยูเรีย ร่วมกับแอมโมเนียมซัลเฟต คือ 3.45 และ 2.85 กรัมต่อลิตรตามลำดับ โดยให้ความเข้มข้นของเอทานอลมากถึง 17.33 กรัมต่อลิตร ซึ่งเป็นความเข้มข้นของเอทานอลใกล้เคียงกับการใช้ยีสต์เอกแทรก คือ 18.57 กรัมต่อลิตร แสดงให้เห็นว่าการใช้ไนโตรเจนที่มีราคาถูกเมื่อนำมาใช้ร่วมกันในสภาวะที่เหมาะสม สามารถนำมาทดแทนแหล่งไนโตรเจนที่มีราคาสูงได้ ในส่วนของการศึกษารูปแบบของการบวนการหมักเอทานอล 3 วิธี คือ กระบวนการแยกการย่อยและการหมัก (SHF) กระบวนการย่อยพร้อมการหมัก (SSF) และกระบวนการเตรียมการย่อยก่อนเข้าสู่กระบวนการหมัก (SSF with Pre-hydrolysis) พบว่า รูปแบบของการหมักทั้ง 3 แบบสามารถนำมาใช้ในการหมักเอทานอลจากผักตบชวาได้ และวิธีที่เหมาะสมมากที่สุด คือ กระบวนการย่อยพร้อมการหมัก ให้ความเข้มข้นของเอทานอลสูงสุด คือ 17.35 กรัมต่อลิตร ในเวลา 36 ชั่วโมง ที่สภาวะของการหมัก 35 องศาเซลเซียส อัตราการเขย่า 150 รอบต่อนาที