Органовмісні відходи виробництва як субстрати для біосинтезу бутанолу бактеріями роду Clostridium

Abstract

У статті встановлено, що бактерії роду Clostridium є активними продуцентами бутанолу, який утворюється в процесі бродіння на відходах виробництв — активних забруднювачах навколишнього середовища (відходи птахівництва — послід птиці) та відходах молочної промисловості (молочна сироватка). Проведено порівняльний аналіз хімічного складу різних видів сироватки (підсирна та кисломолочна). Проаналізовано загальний хімічний склад курячого посліду. Зроблено припущення, що молочна сироватка та пташиний послід можуть бути використані для отримання біобутанолу як основні, єдині або допоміжні компоненти субстрату для ацетоно-бутилового зброджування. Проаналізовано динаміку зміни рН при культивуванні клостридій на житньому середовищі. Виявлено, що для штамів бактерій SS-1 та SS-5 спостерігалась зміна рН, що не відповідає класичному ацетоно-бутиловому бродінню. Показано здатність до синтезу бутанолу при використанні природних поживних середовищ на основі зернових культур (ячмінь, жито, кукурудза, пшениця, овес). Найбільша кількість бутанолу продукувалась при використанні житнього середовища (штам SS-2 — 11,2 г/л). Ізоляти клостридій SS-1 та SS-5 продукували на даному середовищі на 12 % менше бутанолу порівняно з іншими зразками, що може бути пов ’язано з відхиленнями зміни рН у процесі бродіння. Встановлено, що виділені раніше штами роду Clostridium здатні зброджувати молочну сироватку та курячий послід з виділенням жирних кислот, бутанолу, інших органічних розчинників і газів. Найбільша кількість бутанолу синтезувалась на комплексному середовищі (курячий послід + молочна сироватка у співвідношенні 30:70 %) та максимально становила 9,2 г/л, а на середовищі з курячим послідом його кількість досягала значень 4,8 г/л. Це свідчить про значний потенціал використання відходів як субстратів для отримання дешевого біопалива при умові ефективної оптимізації як попередньої їх підготовки, так і умов проведення самого процесу зброджування. It has been established that Clostridium strains are active producers of butanol that is formed during the process of fermentation on such industrial wastes as whey (by-product of the dairy industry) and poultry litter (waste of poultry farming). A comparative analysis of the chemical composition of different types of whey (dairy and sour milk) was conducted. The general chemical composition of chicken droppings has been analyzed. An assumption was made that whey and poultry droppings can be used as the main, single or auxiliary components of the substrate for acetone-butyl alcohol fermentation to produce biobutanol. The dynamics of pH change in the culture of clostridia in rye media was analyzed. It was found that for strains of bacteria SS-1 and SS-5 there was a change of pH, which does not correspond to classical acetone-butyl fermentation. It was shown the ability to synthesize butanol with the use of natural nutrient media based on grain crops (barley, rye, corn, wheat, oats). The largest amount of butanol was produced using rye media (SS-2 strain — 11.2 g/l). Clostridium SS-1 and SS-5 isolates produced 12% less of butanol in this media than other samples, which may be due to deviations in pH changes during fermentation. Clostridium strains can ferment whey and poultry litter to fatty acids, butanol, organic solvents and gases. The highest butanol production of 9.2 g/l was observed in the complex media composed of chicken litter and whey in 30:70 volume ratio while only 4.8 g/l of butanol was produced in chicken litter medium. The obtained results attest to the great potential of such wastes as substrates for cheap biofuel production provided that substrate pre-treatment and fermentation conditions are optimized.