Ethanol production from biomass by a moderate thermophile, Clostridium AK1

Abstract

The ethanol production ability of Clostridium strain AK1, a moderate thermophilic bacterium was studied. Growth of strain AK1 was observed at temperatures between 40 and 55°C with optimal growth at 45°C. Optimum pH for growth was at pH 6.5 but growth was observed from pH 4.5 to 7.5. Fermentation of glucose resulted in the production of ethanol (major) and acetate (minor) as well as hydrogen and carbon dioxide. The effect of increased initial substrate (glucose) concentration was investigated and good correlation was observed between increased substrate loadings and end product formation up to 20 mM. At ≥ 30 mM glucose concentrations, end product formation levelled off and the substrate was not completely degraded. In addition, the pH at the end of fermentation dropped from 6.5 (control without glucose) to 5.3 (at ≥ 30 mM glucose). The ability to utilize various carbon substrates was tested, with positive growth observed on xylose, glucose, fructose, mannose, galactose, sucrose, lactose, starch, xylan and pectin. The end products in all cases were the same as for glucose. By varying the liquid to gas phase ratio during glucose fermentation in a batch a clear correlation was found between increased ethanol production at low gas-to-liquid conditions and less acetate and hydrogen. End product formation from fermentation of various hydrolysates was performed by using (5.0 g L-1 [dw]) of cellulose (whatman paper), newspaper, grass (Phleum pratense), barley straw (Hordeum vulgare), and hemp (stem and leaves of Cannabis sativa). The biomass was pretreated with either a weak acid (HCl) or a weak alkali (NaOH) as well as enzymes (Celluclast® and Novozyme 188). The strain produced most ethanol (7.4 mM ethanol g-1) from non- chemically pretreated cellulose hydrolysate but less from paper and lignocellulosic biomasses (between 0.2 to 2.1 mM g-1). The ethanol production from lignocellulosic biomass was, however, enhanced significantly by acid and alkali pretreatment with the highest production from hemp (3.5 mM ethanol g-1).

Etanólframleiðsluhæfileiki bakteríustofnsins Clostridium AK1 sem er hitakær baktería einangruð úr íslenskum hver var rannsökuð. Stofninn vex við hitastig á milli 40 til 55°C en hámarksvöxtur var við 45°C. Kjörsýrustig var við pH 6.5 en mælanlegur vöxtur var við sýrustig á milli pH 4.5 og 7.5. Niðurbrot á glúkósa leiddi aðallega til framleiðslu á etanóli en einnig ediksýru, vetni og koltvísýrings. Áhrif mismunandi upphafsstyrks af glúkósa á framleiðslu lokaafurða var rannsakaður hjá bakteríunni. Við lágan upphafsstyrk glúkósa voru bein tengsl á milli styrks hvarfefnis og myndefna, þ.e. aukning á glúkósa leiddi til línulegrar aukningar á lokaafurðum. Hins vegar þegar styrkur glúkósa náði 30 mM kom í ljós greinleg hindrun og glúkósinn var ekki brotinn fullkomlega niður. Sýrustigið í lok gerjunar lækkaði einnig með auknum styrk glúkósa en það var 6.5 án glúkósa og fór niður í 5.3 við 30 mM upphafsstyrk glúkósa en lækkaði ekki frekar við hærri glúkósastyrk. Hæfileiki stofnsins til að brjóta niður mismunandi kolefnisgjafa leiddi í ljós að hann brýtur niður xýlósa, glúkósa, frúktósa, mannósa, galaktósa, súkrósa, laktósa, sterkju, xýlan og pektín. Lokaafurðir við niðurbrot þessara hvarfefna var í öllum tilfellum etanól, ediksýra, vetni og koltvísýringur. Með því að nota mismunandi hlutfall á milli gas og vökvafasa við niðurbrot á glúkósa kom í ljós að styrkur etanóls var mestur þegar gasfasinn var hlutfallslega lítill miðað við vökvaræktina en styrkur ediksýru og vetnis minnstur. Vöxtur var einnig athugaður í 0.5% (wv-1) “hýdrólýsötum” sem búin voru til úr sellulósa (Whatman pappír), dagblaðapappír, vallarfoxgrasi (Phleum pratense), hálmi úr byggi (Hordeum vulgare), og hampi (stilkar og laufblöð (Cannabis sativa )). Lífmassinn var formeðhöndlaður með veikri sýru (HCl) eða veikum basa (NaOH) sem og ensímum. Án efnaformeðhöndlunar framleiddi stofninn mest etanól úr sellulósa (7.4 mM etanól g-1) en mun minna úr öðrum lífmassa (0.2 til 2.1 mM g-1). Hins vegar var hægt að auka þessa framleiðslu til muna með því að formeðhöndla lífmassann og hæsta gildið fékkst úr hampi eða 3.5 mM etanól g-1. Aðrar lokaafurðir voru þær sömu og áður, þ.e. etanól, ediksýra, og H2 + CO2.