Effect of pretreatment of water hyacinth using dilute acid on structural properties and saccharification process

Abstract

This study aims to explore the effect on water hyacinth pretreatment with dilute sulfuric acid. The contents of cellulose, hemicellulose and lignin in water hyacinth before and after pretreatment were evaluated. The results revealed that the hemicellulose content was reduced when the temperature was increased to 90 °C. Total reducing sugars in hydrolysate were analyzed by 3',5'-dinitrosalicylic acid (DNS method). A maximal reducing sugar yield of 23.32 mg/g biomass was achieved when the water hyacinth was pretreated by 2.5 % (v/v) sulfuric acid with a reaction time of 24 h at 90 °C. The examination of pretreatment efficiency and enzymatic hydrolysis, experiments were carried out. The result showed that the maximal reducing sugar yield was 11.01 g/L, which was obtained from the pretreated water hyacinth by 3.0 % (v/v) sulfuric acid with a reaction time of 24 h at 90 °C. The changes of structural properties were observed in water hyacinth before and after pretreatment process by SEM, FTIR and XRD analyses. The comparison of pretreated and untreated water hyacinth revealed that the damaged surface was observed in pretreated water hyacinth. The decrease in the crystallinity index of the pretreated water hyacinth was obtained when increasing the acid concentration, temperature, and reaction time. The crystallinity indices in pretreated and untreated water hyacinth were 42.92% and 27.41%, respectively. The main effects were increasing of dissolved hemicellulose and alteration of lignin structure in pretreated water hyacinth. Therefore, the pretreatment process can improve accessibility of the cellulose for hydrolytic enzymes and higher sugar yields can be obtained.

การศึกษาครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลกระทบของการปรับสภาพผักตบชวาด้วยกรดซัลฟิวริกเจือจาง โดยทำการวิเคราะห์องค์ประกอบของเซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส และลิกนินในผักตบชวาก่อนและหลังการปรับสภาพ ผลการวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบเฮมิเซลลูโลสลดลงเมื่อเพิ่มอุณหภูมิที่ 90 องศาเซลเซียส วิเคราะห์ผลรวมน้ำตาลรีดิวซ์ในไฮโดรไลเสทโดยใช้ 3',5'-dinitrosalicylic acid (DNS) พบว่าปริมาณน้ำตาลรีดิวซ์สูงสุด 23.32 มิลลิกรัมต่อกรัมชีวมวล ได้จากการปรับสภาพผักตบชวาด้วยกรดซัลฟิวริก 2.5 % (v/v) ระยะเวลาการทำปฏิกิริยา 24 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิ 90 องศาเซลเซียส ทำการทดสอบประสิทธิภาพของการปรับสภาพด้วยการใช้เอนไซม์ การสลายด้วยเอนไซม์แสดงให้เห็นปริมาณน้ำตาลรีดิวซ์สูงสุดเท่ากับ 11.01 กรัมต่อลิตร ซึ่งได้จากการปรับสภาพผักตบชวาด้วยกรดซัลฟิวริก 3.0 % (v/v) ระยะเวลาการทำปฏิกิริยา 24 ชั่วโมง ที่อุณหภูมิ 90 องศาเซลเซียส การสังเกตการเปลี่ยนแปลงสมบัติทางโครงสร้างในผักตบชวาก่อนและหลังกระบวนการปรับสภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็คตรอนแบบส่องกราด (SEM) เทคนิคอินฟราเรดสเปคโตรสโคปี (FT-IR) และเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ (XRD) เมื่อเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของพื้นผิวผักตบชวาก่อนและหลังการปรับสภาพแสดงให้เห็นการทำลายบริเวณพื้นผิวของผักตบชวาที่ผ่านการปรับสภาพ ดัชนีผลึกของผักตบชวาที่ผ่านการปรับสภาพมีค่าลดลงเมื่อเพิ่มความเข้มข้นของกรด อุณหภูมิ และระยะเวลาของการทำปฏิกิริยา ผลกระทบหลักคือการละลายเฮมิเซลลูโลสและการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างลิกนินในผักตบชวาที่ผ่านการปรับสภาพ ดังนั้นกระบวนการปรับสภาพสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเอนไซม์ในการเข้าถึงพื้นผิวเซลลูโลสและได้น้ำตาลปริมาณสูงขึ้น