Наукові доповіді Національного університету біоресурсів і природокористування України

Придатність гліцерину-сирцю, як субстрату для біобутанолу

Олена Тігунова
Завантажити статтю
Анотація

Гліцерин – природний поліол, який утворюється як основний побічний продукт під час виробництва біодизеля. Використання гліцерину, яке притаманне лише для Clostridium pasteurianum, для отримання бутанолу є багатообіцяючим та має високий потенціал, однак потребує розуміння та оптимізації процесу. Метою дослідження було визначити склад гліцерину-сирцю та оцінити його придатність як субстрату для накопичення бутанолу культурою Clostridium sp. UCM В-7570. Під час проведення досліджень було застосовано низку методів: хроматографічний – для аналізу складу сирого гліцерину та вмісту розчинників у культуральній рідині; мікробіологічний – для культивування мікроорганізмів; біотехнологічні методи – для вирощування штаму в умовах, наближених до промислових, та дослідження накопичення розчинників; статистичний – для математичної обробки результатів. Детальне вивчення складу різних фракцій гліцерину-сирцю показало, що вихідний гліцерновий шар містив досить мало власне гліцерину. Продемонстровано, що ідентифіковані компоненти складали у сумі більше половини маси гліцеровинового шару (51,6 %). Показано, що гліцериновий шар містив досить незначну кількість власне гліцирину до 20 % та близько 17 % метанолу, який є інгібітором росту та розвитку мікроорганізмів. Визначено, що найбільше накопичення бутанолу (9 г/л) було при концентрації сирого гліцерину в середовищі 35 г/л, а пригнічення розвитку культури – при концентрації 45 г/л. Здійснено культивування Clostridium sp. UCM B-7570 від’ємно-доливним методом та визначено, що накопичення бутанолу протягом першого періоду не змінювалось. Послідуюча  ферментація гліцерину-сирцу знижувала акомулювання розчинника у два рази до повного інгібування продукцію у восьмому періоді, що можливо пов’язано з вмістом метилових ефірів у середовищі. Для удосконалення технології накопичення бутанолу потрібно використовувати сорбенти під час ферментацію, наприклад активоване вугілля. Матеріали статті становлять практичну цінність для фахівців-біотехнологів, а показана властивість Clostridium sp. UCM В-7570 до вироблення бутанолу шляхом бродіння сирого гліцерину відкриває безліч потенційних дослідницьких можливостей, які можуть підвищити життєздатність виробництва біобутанолу та сприяти розвитку промислових процесів на основі біомаси, як альтернативи нафтопродуктам

Ключові слова

біопаливо, відходи, штами-продуценти, ферментація, Clostridium

ЦИТУВАТИ
Tigunova, O. (2024). Suitability of crude glycerol as a substrate for biobutanol production. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 20(6),91-104. https://doi.org/10.31548/dopovidi/6.2024.91
Використані джерела

[1] Al-Haimi, A.A.M.N., Luo, W., Fu, J., Zhu, S., Yehia, F., & Wang, Z. (2024). Optimization of crude glycerol purification from grease trap waste biodiesel production: Exploring the synergistic effect of mixed extraction alcohols on enhanced glycerol purity. Chemical Technology and Biotechnology, 99(11), 2300-2310. doi: 10.1002/jctb.7718.

[2] Almeida, E.L., Olivo, J.E., & Andrade, C.M.G. (2023). Production of biofuels from glycerol from the biodiesel production process – a brief review. Fermentation, 9(10), article number 869. doi: 10.3390/fermentation9100869.

[3] Arbter, P., Sabra, W., Utesch, T., Hong, Y., & Zeng, A.-P. (2021). Metabolomic and kinetic investigations on the electricity-aided production of butanol by Clostridium pasteurianum strains. Engineering in Life Sciences, 21, 181-195. doi: 10.1002/elsc.202000035.

[4] Armylisas, N.H.A., Hoong, S.S., & Ismail, T.M.N.T. (2023). Characterization of crude glycerol and glycerol pitch from palm-based residual biomass. Biomass Conversion and Biorefinery. doi: 10.1007/s13399-023-04003-4.

[5] Arofai, T., Gunawan, S., & Purwanto, M. (2024). Separation and purification residual salt from glycerol pitch from waste of refined glycerol production. BIO Web of Conference, 98, article number 06008.

[6] ASTM D7716-11a. (2020). Standard test method for determination of residual methanol in glycerin by gas chromatography. Retrieved from https://www.astm.org/d7716-11a.html.

[7] Attarbachi, T., Kingsley, D.M., & Spallina, V. (2023). New trends on crude glycerol purification: A review. Fuel, 340, article number 127485. doi: 10.1016/j.fuel.2023.127485.

[8] Attarbachi, T., Kingsley, D.M., & Spallina, V. (2024). Waste-derived low-grade glycerol purification and recovery from biorefineries: An experimental investigation. Biofuels, Bioproducts & Biorefining, 18(5), 1077-1865. doi: 10.1002/bbb.2638.

[9] Bansod, Y., Crabbe, B., Forster, L., Ghasemzadeh, K., & D’Agostino, C. (2024). Evaluating the environmental impact of crude glycerol purification derived from biodiesel production: A comparative life cycle assessment study. Journal of Cleaner Production, 437, article number 140485. doi: 10.1016/j.jclepro.2023.140485.

[10] Boas, V.N.R., & Mendes, F.M. (2022). A review of biodiesel production from non-edible raw materials using the transesterification process with a focus on influence of feedstock composition and free fatty acids. Journal of the Chilean Chemical Society, 67(1), 5433-5444. doi: 10.4067/s0717-97072022000105433.

[11] Boro, M., Verma, A.K., Chetti, D., Yata, V.K., & Verma, A.K. (2022). Strategy involved in biofuel production from agro-based lignocellulose biomass. Environmental Technology & Biomass, 28, article number 102679. doi: 10.1016/j.eti.2022.102679.

[12] Danylyshyn, V., & Koval, M. (2022). Development of alternative energy in the world and Ukraine. Machinery & Energetics, 13(2), 50-61. doi: 10.31548/machenergy.13(2).2022.50-61.

[13] Elsayed, M., Eraky, M., Osman, A.I., Wang, J., Farghali, M., Rashwan, A.K., Yacoub, I.H., Hanelt, D., & Abomohra, A. (2024). Sustainable valorization of waste glycerol into bioethanol and biodiesel through biocircular approaches: A review. Environmental Chemistry Letters, 22, 609-634. doi: 10.1007/s10311-023-01671-6.

[14] Faruk, M.U., Olayemi, O.S., & Zanna, A.M. (2023). Production and physicochemical analysis of glycerol produced from the transesterification reaction of locally processed fatty acids. European Journal of Medicinal Plants, 33(4), 37-44. doi: 10.9734/EJMP/2023/v34i41134.

[15] Gan, Y., Meng, X., Gao, C., Song, W., Liu, L., & Chen, X. (2023). Metabolic engineering strategies for microbial utilization of methanol. Engineering Microbiology, 3(3), article number 100081. doi: 10.1016/j.engmic.2023.100081.

[16] Humphreys, R.J., Debebe, B.J., Diggle, P.S., & Winzer, K. (2023). Clostridium beijerinckii strain degeneration is driven by the loss of Spo0A activity. Frontiers in Microbiology, 13, article number 1075609. doi: 10.3389/fmicb.2022.1075609.

[17] Jones, D.T. (2024). The industrial fermentation process and Clostridium species used to produce biobutanol. Applied Microbiology, 4(2), 894-917. doi: 10.3390/applmicrobiol4020061.

[18] Karayannis, D., Angelous, N., Vasilakis, G., Charisteidis, I., Litinas, A., & Papanikolaou, S. (2024). A non-aseptic bioprocess for production and recovery of 2,3-butanediol via conversion of crude glycerol and corn steep liquor at pilot-scale. Carbon Resource Conversion, 8(1), article number 100242. doi: 10.1016/j.crcon.2024.100242.

[19] Kazimierowicz, J., Debowski, M., Zielinski, M., Ignaciuk, A., Mlonek, S., & Sanchez, C.J. (2024). The biosynthesis of liquid fuels and other value-added products based on waste glycerol – a comprehensive review and bibliometric analysis. Energies, 17(12), article number 3035. doi: 10.3390/en17123035.

[20] Koh, Y.M., Yahayu, M., Ramli, S., Hanapi, S.Z., Dailin, D.J., Lim, S.E., & El Ensahsy, A.H. (2024). Recent development in biological production of 1,3-propanediol. Chemical Methodologies, 8(6), 439-461. doi: 10.48309/CHEMM.2024.448161.1778.

[21] Kushkevych, I. (2023). Bacterial metabolism. In Bacterial physiology and biochemistry (pp. 159-310). Cambrige: Academic Press. doi: 10.1016/B978-0-443-18738-4.50005-x.

[22] Liu, Y., Zhong, B., & Lawal, A. (2022). Recovery and utilization of crude glycerol, a biodiesel byproduct. RSC Advances, 12, 27997-28008. doi: 10.1039/D2RA05090K.

[23] Mehariya, S., Signorini, A., Marone, A., & Rosa, S. (2023). Simultaneous hydrogen and ethanol production from crude glycerol by a microbial consortium using fed-batch fermentation. Energies, 16(11), article number 4490. doi: 10.3390/en16114490.

[24] Meng, P., Li, J., Liu, W., Yang, G., Yang, R., Liang, S., & Sun, C. (2023). Deep eutectic solvent-inspired solid alkali caronate for highly efficient interesterification of lard. LWT, 186, article number 115235. doi: 10.101016/j.lwt.2023.115232.

[25] Moklis, M.H., Cheng, S., & Cross, S.J. (2024). Current and future trends for crude glycerol upgrading to high value-added products. Sustainability, 15(4), article number 2979. doi: 10.3390/su15042979.

[26] Oliveira, M., Ramos, A., Monteiro, E., & Rouboa, A. (2022). Improvement of the crude glycerol purification process derived from biodiesel production waste sources through computation modeling. Sustainability, 14(3), article number 1747. doi: 10.3390/su14031747.

[27] Pirzadi, Z., & Meshkani, F. (2022). From glycerol production to its value-added uses: A critical review. Fuel, 329, article number 125044. doi: 10.1016/j.fuel.2022.125044.

[28] Ponsetto, P., Sasal, E.M., Mazzoli, R., Valetti, F., & Gilardi, G. (2024). The potential of native and engineered Clostridia for biomass biorefining. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 12, article number 1423935. doi: 10.3389/fbioe.2024.1423935.

[29] Silva, S.S.O, Nascimento, M.R., Lima, R.J.P., Luna, F.M.T., & Cavalcante Júnior, C.L. (2023). Experimental and simulation studies for purification and etherification of glycerol from the biodiesel industry. Applied Chem, 3, 492-508. doi: 10.20944/preprint202310.1925.v1.

[30] Sim, Y.X., He, N., Abdul, P.M., Yeap, S.K., Hui, Y.W., Jamali, N.S., Mong, G.R., Woon, K.S., Tan, P.C., & Tan, P.J. (2024). Synergistic impact of co-substrate of biodiesel crude glycerol and durian peel hydrolysate for biohydrogen and 1,3-propandiol synthesis by Clostridium butyricum. International Journal of Hydrogen Energy, 96, 1119-1130. doi: 10.1016/j.ijhydene.2024.11.236.

[31] SN/T 2995-2011. (2011). Standard test method for determination of free and total glycerin in B-100 biodiesel methyl esters by gas chromatography. Retrieved from https://kpt-bj.net/6342574.html.

[32] SN/T 3344-2012. (2013). Determination of free glycerin in crude glycerin – gas chromatography. Retrieved from https://www.chinesestandard.net/PDF/English.aspx/SNT3344-2012.

[33] Tigunova, O.O., Samborsky, M., Bratishko, V.V., Balabak, O.A., Zelena, L.B., & Shulga, S.M. (2023). Main genome characteristics of butanol-producing Clostridium sp. UCM B-7570 strain. Journal of Applied Genetics, 64(3), 559-567. doi: 10.1007/s13353-023-00766-8.

[34] Tomatis, M., Jeswani, H.K., & Azapagic, A. (2024). Environmental impacts of valorization of crude glycerol from biodiesel production – a life cycle perspective. Waste Management, 179, 55-65. doi: 10.1016/j.wasman.2024.03.005.

[35] Tyszak, A., & Rehmann, L. (2024). Metabolic oscillation phenomena in Clostridia species – a review. Fermentation, 10(3), article number 156. doi: 10.3390/fermentation10030156.

[36] Wang, Y., Li, H., Lee, C.K., Nanyan, M.S.N., & Tay, G.S. (2024). A systematic review on utilization of biodiesel-derived crude glycerol in sustainable polymers preparation. International Journal of Biological Macromolecules, 261(1), article number 129536. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2024.129536.

[37] Zhao, M., Wang, Y., Zhou, W., Zhou, W., & Zhiwei, G. (2023). Co-valorization of crude glycerol and low-cost substrates via oleaginous yeasts to micro-biodiesel: Status and outlook. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 180, article number 113303. doi: 10.1016/j.rser.2023.113303.