Fermentation processes for the production of butanol had an economic importance in the first part of this century. Today butanol is commercially produced from the Oxo reaction of propylene because relatively low priced propylene during the cracking of petroleum. Efforts have been made during the past decade or two to improve the productivity of butanol fermentation processes. It includes strain improvements, continuous fermentation processes, cell immobilization and simultaneous product separation. This review introduces a new butanol fermentation process using pervaporative product separation and a new bacterial strain producing less amount of organic acids. This review also compares the new process with chemical processes. This kind of new fermentation process may be able to compete with the chemical synthesis of butanol and revitalize the butanol fermentation process.
섬유소 폐기물인 볏짚으로부터 butanol를 생산하기 위하여 Clostridium acetobutylicum KCTC1037 와 cellulase(from Trichoderma viride)을 발효액에 동시에 첨가하여 발효시키는 동시당화 발효법(Simultaneous saccharification and fermentation, SSF)을 수행하였다. Alkali 처리한 볏짚을 발효기질로 사용한 결과 그 농도를 25%로 사용하였을 때 최고 150mM의 butanol이 생산되었고, 15% 볏짚을 사용하였을 때는 97mM의 butanol이 생산되었다. 그러나 ball milled 볏짚의 경우 발효산물 중 대부분이 acetate와 butyrate로 주로 산이 생산되었으며 따라서 solventogenesis는 거의 일어나지 않았다. 또한 그 농도별 실험에서 보면 8%의 ball milled 볏짚 사용시 66mM의 butanol이 생산된 반면 그 이상의 농도에서는 butanol 생산량이 점차 감소하는 추세를 보였으며 acetate, butyrate 같은 산은 계속 증가 추세를 보였다. 이것으로 보아 ball milled 볏짚에는 butanol 발효 과정 중 acidogenesis에 서 solventogenesis로의 전이 (shift)를 방해하는 어떤 인자가 있으리라고 추측되었으며 alkali 처리방법에 의해서 이 방해자는 제거될 수 있는 것으로 관찰되었다.
볏짚을 이용하여 acetone-butanol을 생산하기 위해 전처리한 볏짚을 C. acetobutylicum KCTC 1037(ATCC 4259)과 Trichoderma viride로부터 얻은 섬유소 분해효소를 이용하여 동시당화 발효법 (SSF)으로 발효하였다. Ball-mill로 처리한 볏짚을 SSF로 발효한 결과 acetate와 butyrate안을 생산하였으나, alkali로 전처리한 기질은 230 mM 이상의 solvent를 생산하였다. 이와 같은 발효의 차이는 볏짚에는 alkali 처리로 분해되는 물질이 있으며, 이 물질이 solvent 생산을 저해하기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 solvent 생산 저해물질은 물이나 유기용매에 불용성으로 lignin 유도체 혹은 잔류농약으로 추측된다.
Results from experiments and mathematical modeling were compared for pervaporative butanol fermentation. The developed model includes expressions to predict characteristics of butanol fermentation, such as, microbial growth, solvent (butanol, acetone, and ethanol) formation and organic acid (acetate and butyrate) production. Butanol diffusivity was 1.15${\times}$10(sup)-7 ㎡/hr at 1.5 L/min-tubing of air flow rate using a pervaporative module. The model correlated well with experimental results (cell growth, glucose consumption and concentrations of solvents and organic acids) for batch fermentation with and without pervaporation. Larger surface area and thinner module tubing resulted in an increased glucose consumption and a decreased residual butanol concentration. Optimum membrane area and thickness were 0.34 ㎡ and 120 $\mu\textrm{m}$, respectively.
We examined butanol fermentation by Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 using various hydrolyzates obtained from rice bran which is one of the most abundant agricultural by-products in Korea and Japan. In order to increase the amount of fermentable sugars in the hydrolyzates of rice bran, various hydrolysis procedures were applied. Total eight different hydrolyzates were prepared using rice bran (RB) and defatted rice bran (DRB) with enzyme or acid treatment and both. Each hydrolyzate was evaluated in terms of total sugar concentration and butanol production after fermentation by C. beijerinckii NCIMB 8052. Acid treatment yielded more sugar than enzyme treatment and combined treatment with enzyme and acid yielded even more sugars as compared to single treatment with enzyme or acid. As a result, the highest sugar concentration (33 g/L) was observed from the hydrolyzate from DRB (100 g/L) with combined treatment using enzyme and acid. Prior to perform fermentation of the hydrolyzates, we examined the effect of P2 solution containing yeast extract, buffer, minerals, and vitamins on production of butanol during the fermentation. Fermentation of the hydrolyzates with or without additionof P2 was performed using C. beijerinckii NCIMB 8052 in a 1 L anaerobic bioreactor. Although the hydrolyzates RB were able to support growth and butanol production, addition of P2 solution into the hydrolyzates significantly improved cell growth and butanol production. Highest butanol production (12.24 g/L) was observed from the hydrolyzate of DRB with acid and enzyme treatment after supplementation of P2 solution.
We examined butanol fermentation by Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 using various hydrolyzates obtained from rice bran, which is one of the most abundant agricultural by-products in Korea and Japan. In order to increase the amount of fermentable sugars in the hydrolyzates of rice bran, various hydrolysis procedures were applied. Eight different hydrolyzates were prepared using rice bran (RB) and defatted rice bran (DRB) with enzyme or acid treatment or both. Each hydrolyzate was evaluated in terms of total sugar concentration and butanol production after fermentation by C. beijerinckii NCIMB 8052. Acid treatment yielded more sugar than enzyme treatment, and combined treatment with enzyme and acid yielded even more sugars as compared with single treatment with enzyme or acid. As a result, the highest sugar concentration (33 g/l) was observed from the hydrolyzate from DRB (100 g/l) with combined treatment using enzyme and acid. Prior to fermentation of the hydrolyzates, we examined the effect of P2 solution containing yeast extract, buffer, minerals, and vitamins on production of butanol during the fermentation. Fermentation of the hydrolyzates with or without addition of P2 was performed using C. beijerinckii NCIMB 8052 in a 1-1 anaerobic bioreactor. Although the RB hydrolyzates were able to support growth and butanol production, addition of P2 solution into the hydrolyzates significantly improved cell growth and butanol production. The highest butanol production (12.24 g/l) was observed from the hydrolyzate of DRB with acid and enzyme treatment after supplementation of P2 solution.
Lepiz-Aguilar, Leonardo;Rodriguez-Rodriguez, Carlos E.;Arias, Maria Laura;Lutz, Giselle
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제23권8호
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pp.1092-1098
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2013
Cassava constitutes an abundant substrate in tropical regions. The production of butanol in ABE fermentation by Clostridium beijerinckii BA101 using cassava flour (CF) was scaled-up to bioreactor level (5 L). Optimized fermentation conditions were applied; that is, $40^{\circ}C$, 60 g/l CF, and enzymatic pretreatment of the substrate. The batch fermentation profile presented an acidogenic phase for the first 24 h and a solventogenic phase afterwards. An average of 37.01 g/l ABE was produced after 83 h, with a productivity of 0.446 g/l/h. Butanol production was 25.71 g/l with a productivity of 0.310 g/l/h, high or similar to analogous batch processes described for other substrates. Solvent separation by different combinations of fractioned and azeotropic distillation and liquid-liquid separation were assessed to evaluate energetic and economic costs in downstream processing. Results suggest that the use of cassava as a substrate in ABE fermentation could be a cost-effective way of producing butanol in tropical regions.
Clostridium acetobutylicum produced more butanol in the medium containing corn steep liquor (CSL) than in a complex medium without CSL Addition of CSL to CAB medium increased sugar consumption by the bacterium. Similar results were obtained in the fermentation using CAB medium containing lactate. The ratio for the butanol produced to acetone of the control culture was 1.8, whilst that of the culture containing 44 mM lactate was 5.2. From these results it is hypothesized that lactate functions as an electron flow modulator in the fermentation. This finding has been utilized for the successful butanol fermentation of a non-corn based agricultural byproduct, palm oil waste.
An extractive fermentation process using pervaporation was studied in a 7 liter fermentor. Pervaporation was performed using a silicone membrane module and a low-acid-producing strain Clostridium acetobutylicu, B18 was used to produce butanol. In batch culture without pervaporation pH 5.5 and initial glucose concentration of 60 g/L resulted in the highest butanol productivity (0.216 g/L$.$h) with butanol yield of 0.261 Butanol flux through the membrane was best at 2.0 L/min-tubing of air flow rate In batch and fed-batch fermentation glucose consumption rate increased by 1.3 times with pervaporation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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