| Abstract | Bioetanol je alkohol proizveden mikrobnom fermentacijom. U svrhu proizvodnje etanola najviše se koriste šećerna trska, repa i kukuruz, ali se sve više kao zamjenski supstrat spominje lignoceluloza, jeftin, obnovljivi izvor energije, kojeg u prirodi ima u velikim količinama. Proces proizvodnje etanola fermentacijom najčešće se provodi korištenjem kvasaca Saccharomyces cerevisiae. U procesu proizvodnje etanola iz lignocelulozne sirovine, nedostatak korištenja S. cerevisiae je nemogućnost rasta na pentozama, laktozi i polisaharidima zbog toga što njegov metabolizam ne stvara odgovarajuće enzime, a pentofosfatni put ne radi učinkovito. Zbog toga se sve više istražuju mikroorganizmi s mogućnošću fermentacije tih spojeva (kvasci Schizosaccharomyces pombe, Kluyveromyces lactis, rodovi Candida i Pichia). Cilj ovog rada bio je izolirati kvasce koje mogu učinkovito proizvesti bioetanol iz heksoza i pentoza. U tu svrhu, izolirani su i identificirani kvasci Kluyveromyces marxianus i Candida krusei. Tijekom preliminarnih istraživanja ispitana je učinkovitost procesa fermentacije glukoze kvascem S. cerevisiae u membranskom reaktoru pri čemu je učinkovitost procesa iznosila E = 18,015±5,370% što je znatno manje u usporedbi sa šaržnim procesom pri istim početnim koncentracijama kvasca i šećera, gdje je učinkovitost procesa iznosila E = 80,668±0,561%. U sljedećem koraku ispitan je utjecaj početne koncentracije šećera glukoze (5, 10 i 50 g/L) i ksiloze (5, 10 i 20 g/L) na proizvodnju bioetanola korištenjem kvasca K. marxianus i C. krusei. Prilikom fermentacije glukoze kvascem K. marxianus najveći koeficijent konverzije supstrata u produkt
(YP/S = 0,093±0,006 g/g), učinkovitost procesa
(E = 18,194±1,278 %) i produktivnost procesa (Pr = 0,141±0,009 g/(L·h)) postignuti su prilikom fermentacije glukoze čija je početna koncentracija iznosila 5 g/L. Prilikom fermentacije glukoze kvascem C. krusei, najveći koeficijent konverzije
(YP/S = 0,105±0,009 g/g) i učinkovitost procesa (E = 20,559±1,702 %) postignuti su prilikom fermentacije 5 g/L glukoze dok je najveća produktivnost procesa (Pr = 0,038±0,002 g/(L·h)) postignuta fermentacijom 10 g/L glukoze. Analizom dobivenih produkata na kraju procesa fermentacije ustanovljeno je da niti jedan kvasac nije učinkovit u proizvodnji bioetanola iz ksiloze, ali oba kvasca proizvode druge vrijedne sirovine poput 2,3-butandiola. Najveće koncentracije 2,3-butandiola, γBT = 0,412±0,018 g/L za kvasac K. marxianus i
γBT = 1,860±0,044 g/L za C. krusei, dobivene su fermentacijom podloga koje su sadržale
10 g/L, odnosno 20 g/L ksiloze. S obzirom na dobivene rezultate, na kraju istraživanja provedena je dvostupanjska fermentacija na kiselinskom hidrolizatu pivskog tropa. U prvom stupnju je provedena fermentacija heksoza pomoću kvasca S. cerevisiae, a u drugom fermentacija pentoza pomoću kvasaca K. marxianus i C. krusei pri čemu su dobiveni sljedeći pokazatelji uspješnosti za K. marxianus YP/S = 6,024±0,326 g/g, YP/S = 0,451±0,024 g/g,
E = 88,350±4,776 %, Pr = 0,262±0,014 g/(L·h) i γBT = 1,710±0,043 g/L te za C. krusei
YP/S = 5,632±0,193 g/g, YP/S = 0,421±0,014 g/g, E = 82,589±2,830 %,
Pr = 0,245±0,008 g/(L·h) i γBT = 1,019±0,022 g/L. |
| Abstract (english) | Bioethanol is an alcohol produced by microbial fermentation. Normally, sugarcane, beets and corn are the main crops used for ethanol production. However, there is a growing interest in using lignocellulose, an abundant and inexpensive renewable energy source, as a potential replacement substrate. The yeast Saccharomyces cerevisiae is typically used in the fermentation process for ethanol production. However, in ethanol production from lignocellulosic materials, S. cerevisiae encounters limitations in metabolizing pentoses, lactose, and polysaccharides due to the lack of suitable enzymes and inefficient functioning of the pentose phosphate pathway. Therefore, research efforts are increasingly focused on microorganisms capable of fermenting these compounds, such as the yeasts Schizosaccharomyces pombe, Kluyveromyces lactis, and Candida and Pichia genera. The aim of this study was to isolate yeasts capable of efficiently producing bioethanol from hexoses and pentoses. For this purpose, the yeasts Kluyveromyces marxianus and Candida krusei were isolated and identified. In preliminary studies, the efficiency of glucose fermentation by S. cerevisiae yeast in a membrane reactor was investigated. The result was a process efficiency of E = 18.015±5.370%, which is significantly lower than batch processes with the same initial yeast and sugar concentrations, where the efficiency was 80.668±0.561%. Next, the influence of initial glucose (5, 10, and 50 g/L) and xylose sugar
(5, 10, and 20 g/L) concentrations on bioethanol production with K. marxianus and C. krusei yeasts was investigated. Fermentation of glucose with yeast K. marxianus achieved the highest substrate-to-product conversion coefficient (YP/S = 0.093±0.006 g/g), process efficiency (E = 18.194±1.278%), and process productivity (Pr = 0.141±0.009 g/(L·h)) when the initial glucose concentration was 5 g/L. In glucose fermentation with C. krusei yeast, the highest conversion coefficient (YP/S = 0.105±0.009 g/g) and process efficiency
(E = 20.559±1.702%) were obtained with 5 g/L glucose, while the highest process productivity (Pr = 0.038±0.002 g/(L·h)) was achieved with 10 g/L glucose. Analysis of the final fermentation products revealed that none of the yeasts was efficient in producing bioethanol from xylose, but both yeasts produced other valuable compounds such as
2,3-butanediol. The highest concentrations of 2,3-butanediol, γBT = 0.412±0.018 g/L for K. marxianus yeast and γBT = 1.860±0.044 g/L for C. krusei, were obtained during fermentation with a substrate containing 10 g/L and 20 g/L xylose, respectively. Based on the obtained results, two-stage fermentation with acid hydrolysate from brewer's grains was performed at the end of the study. In the first stage, hexose fermentation was performed with the yeast S. cerevisiae, while in the second stage, pentose fermentation was performed with the yeasts K. marxianus and C. krusei. The following performance indicators were obtained for
K. marxianus: YP/S = 6.024±0.326 g/g, YP/S = 0.451±0.024 g/g, E = 88.350±4.776%,
Pr = 0.262±0.014 g/(L·h), and γBT = 1.710±0.043 g/L, and for C. krusei:
YP/S = 5.632±0.193 g/g, YP/S = 0.421±0.014 g/g, E = 82.589±2.830%,
Pr = 0.245±0.008 g/(L·h), and γBT = 1.019±0.022 g/L. |
