POTENCIÁLNÍ PRODUKCE MOTOROVÝCH BIOPALIV ACETON-BUTANOL- ETANOLOVOU FERMENTACI HYDROLYZÁTŮ VYBRANÝCH LIGNOCELULÓZOVÝCH SUROVIN

Transkript

1 POTENCIÁLNÍ PRODUKCE MOTOROVÝCH BIOPALIV ACETON-BUTANOL- ETANOLOVOU FERMENTACI HYDROLYZÁTŮ VYBRANÝCH LIGNOCELULÓZOVÝCH SUROVIN PROSPECTIVE PRODUCTION OF ENGINE BIOFUELS WITH ACETONE-BUTANOL-ETHANOLFERMENTATION OF THE HYDROLYSATES OF SELECTED LIGNOCELLULOSIC MATERIALS R. Honzík, J. Váňa, S. Usťak, J. Muňoz Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i. Praha Abstract The possibility of acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation was verified using non-arranged hydrolysates of lingocellulosic raw materials from agrarian sector gained by a thermal-pressure process with glucose concentration less than 15 g. l -1 and with a total sugar content of about 15-3 g. l -1 in charged fermented experiments with different species and strains of Clostridium spp. In the realized hydrolyzed and fermented experiments was reached from 1 tone of lignocellulosic substrates of about 1,7 93,1 kg of ABE products. The yield of ABE products from wheat and rape seed straw gained by thermalpressured process represented at alcohol fermentation using Clostridium beijerinckii of 9, 3, % per weight of sugar inputs, which is comparable with the presented yield cited by authors using model substrates based on glucose. The ABE product yield from lignocellulosic substrates is minor than that gained from molasses or from starch substrates. Because the substrates that we used here were wastes or cheap secondary agrarian products, the achieved results are undoubtedly interesting and deserve a subsequent investigation. The realized experiments head for the development of optimized acetone-butanol-ethanol process suitable for biorefineries of lignocellulosic substrates especially from agrarian sector in relation to thermal-pressure hydrolysis in a temperature range of about 17- oc, or in a combined process using thermalpressure and enzymatic hydrolysis with the separation of inhibiting substances rising at thermal hydrolysis to condensed steam stage. Keywords: acetone-butanol-ethanol fermentation (ABE), agrarian biomass, lignocellulose wastes, thermal-pressure hydrolysis, fermentable sugars, inhibiting substances, Clostridium spp. Úvod Aceton-butanol-etanolová (ABE) fermentace je postup výroby biopaliv a rozpouštědel z organických biodegradovatelných materiálů podle patentu Weizmanna C.1919, USA. Dříve se pro výrobu především acetonu využívaly suroviny obsahující jednoduché cukry nebo škrob, zejména melasa, brambory, zrniny a sulfitové výluhy ale v druhé polovině minulého století tato technologie přestala být konkurenceschopná výrobě acetonu a butanolu z ropy. Dnes je snaha ABE fermentaci opět využívat, ne však pro výrobu rozpouštědel, především acetonu, ale pro výrobu biopaliv, zejména butanolu. Do popředí zájmu se jako vhodné suroviny dostávají, dřevní štěpka, další přírodní lignocelulózové materiály nebo organické odpady z domácností a potravinářského průmyslu, např. odpady ze zpracování mléka.(claassen P. A. M. et al., ; Qureshi N. et al., a; Patáková et al., 9). Biobutanol vyrobený z lignocelulózových surovin je možné označit jako biopalivo druhé generace a je o cca 7, % výhřevnější než bioethanol (7 proti 1 MJ. l -1 ) a jen o 17 % méně výhřevný než např. benzín Natural-95, který má výhřevnost cca 3,5 MJ. l -1. Výhodou butanolu je i to, že se s benzínem může mísit v širokém poměru. Další výhodou biobutanolu je, že díky jeho nevhodnosti pro konzumní účely odpadají náklady na jeho denaturaci. Butanol je na rozdíl od etanolu hydrofobní, ve vodě málo rozpustný (< g/l) a v koncentrovaném stavu je jen nevýznamně mísitelný s vodou a tudíž nehrozí nebezpečí koroze potrubí a nádrží tak jak je tomu u ethanolu, který je s vodou neomezeně mísitelný. Předností butanolu jako biopaliva je i to, že na rozdíl od etanolu může být přidáván do motorových benzínů ve vyšší koncentraci, a lze jej používat bez nutnosti modifikace motoru. Za pozitivní lze považovat i zcela minimální vliv vysokých přídavků butanolu do palivových směsí na profil destilační křivky, která může negativně ovlivňovat jízdní schopnosti aut (tzv. driveability ). Biobutanolová paliva jsou bezpečnější díky nižší tenzi par než běžné benzinové směsi, méně se odpařují zvláště v letním období. Biobutanol nepohlcuje také vodu jako biolíh, zamrzá až při -9 C. Problematickým parametrem butanolu je relativně vysoká viskozita v porovnání s uhlovodíky i nižšími alkoholy. Vyšší hodnota viskozity by se mohla projevit negativně u ch paliv s vyšším obsahem butanolu (> % obj.), zejména v zimních podmínkách s teplotami pod bodem mrazu, a to větším odporem vůči čerpání paliva a tím i větším namáháním palivového čerpadla. Nižší oktanové číslo (9) 1

2 ve srovnání s etanolem omezuje přídavky olefinů do ch motorových paliv s vyšším obsahem butanolu (Ramey D., 9). Výhodou je i to, že butanol není agresivní vůči plastům ani jiným konstrukčním materiálům. Navíc butanol je dobře biologicky odbouratelný a při úniku do životního prostředí neohrožuje půdy ani vody. Dle stechiometrických výpočtů se ze g glukózy vyprodukuje aceton-butanolovou fermentací 31g butanolu nebo g ABE a lihovým kvašením g etanolu (Wu, M., et al. 7). Dle stejné studie je vypočítána produkce ABE 35 l na tunu zrna kukuřice ve srovnání s 3 l etanolu. V případě glukózy je váhový poměr produkce etanolu k butanolu 1, : 1, kdežto v případě kukuřice se tento poměr významně zúžil až na hodnotu 1, : 1. Je to očividně spojeno s přeměnou na butanol v případě kukuřice na rozdíl od čisté glukózy nejenom hexóz, jako v případě etanolu, ale rovněž pentóz. Po přepočtu výtěžnosti etanolu a butanolu z 1 tuny kukuřice na energii zjistíme výraznou převahu výtěžnosti butanolu proti etanolu, a to až o 17,5 % (9,7 GJ na 1 t kukuřice u butanolu a,3 GJ u etanolu). Ještě větší převahu butanolu proti etanolu lze očekávat při použití lignocelulózových materiálů, které obsahují daleko větší podíl hemicelulózy jako zdroje pentóz ve srovnání se škrobovými substráty typu zrna obilovin. Při nových výkonnějších fermentačních ABE procesech aceton a etanol vznikají jen omezeně a výtěžnost butanolu je vyšší. Jedinou nevýhodou procesu ABE fermentace proti etanolovému kvašení je jeho vyšší energetická náročnost a vyšší citlivost bakterií na podmínky fermentace. Lignocelulózové suroviny pro ABE fermentaci obsahují pouze nízkou hladinu bakteriím přístupných sacharidů a proto je musíme před vlastní fermentací předupravit. Předúprava spočívá v depolymerizaci lignocelulózových surovin jedním z vhodných způsobů hydrolýzy. Většinou se jedná o fyzikální, chemickou nebo kombinovanou fyzikálně-chemickou hydrolýzu následovanou v dalších etapách zpracování biomasy hydrolýzou biochemickou (enzymatickou nebo biologickou). Cílem je denaturace celulózových a hemicelulózových buněčných stěn za vzniku jednoduchých sacharidů přístupných enzymům a mikroorganizmům. Tyto sacharidy získané z celulosy a hemicelulos jsou pak následně použity jako substrát pro aceton-butanol-etanolovou (ABE) fermentaci (Jones D.T., Woods D.R., 19). Většina monosacharidů a disacharidů, které se z lignocelulosových materiálů uvolní, jako jsou glukóza, xylóza, fruktóza, celobióza, galaktóza, manóza, arabinóza a některé další jsou přímo využitelné pro ABE fermentaci. Z literárních údajů vyplývá, že nejčastější způsob hydrolýzy lignocelulóz je rozklad s využitím enzymů (Qureshi N. et al., 7). Tento způsob je využit i v provozovaných pilotních fermentačních zařízeních (Nimcevič D., Gapes R., ). V souvislosti s ABE fermentaci hydrolyzátů na bázi dřevní hmoty se v minulosti často realizovala ekologicky nevhodná hydrolýza silnými kyselinami. Údajů o tepelně tlakové hydrolýze jako předúpravě lignocelulóz pro ABE fermentaci je velice málo a začali se objevovat v posledních letech (Qureshi N. et al., 7, b). V řadě experimentů s ABE fermentací se jako modelový substrát používají směsi monosacharidů v různých koncentracích obohacené dalšími nutrienty potřebnými pro mikroorganizmy. Materiál a metody Pokusy prováděné na našem pracovišti směřují k vývoji optimalizovaného aceton-butanol-etanolového (ABE) procesu vhodného pro biorafinerie lignocelulózních substrátů zejména zemědělského původu v návaznosti na tepelnětlakovou hydrolýzu v teplotním rozmezí 17- o C, nebo kombinovanou tepelně-tlakovou a enzymatickou hydrolýzu s oddělením inhibičních látek vznikajících při termické hydrolýze do zkondenzované parní fáze. Pracovní hypotézou je ověření možnosti ABE fermentace neupravovaných hydrolyzátů lignocelulóz získaných tepelně tlakovým způsobem s koncentrací glukosy nižší než 15 g. l -1 a s celkovou koncentrací sacharidů nižší než 3 g. l -1. Použité mikroorganizmy Pro testování aceton-butanol-etanolové fermentace hydrolyzátů lignocelulózových materiálů byly vybrány a získány následující druhy a kmeny klostridií od Německé společnosti DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH v Braunschweigu): Clostridium acetobutylicum, DSM 173. Popis dodavatele: Clostridium acetobutylicum McCoy et al. 19 emend. Keis et al. 1 dle DSMZ<- NCIB <- NCTC (C. acetonigenum) <- A.C. Thaysen (strain Weizman). DNA homolog (5). Určen pro produkci acetonu a n-butanolu (Brit. Pat. 5; U.S. Pat. 1,315,55) (19, 191). Doporučené medium č. 11, 37 C, anaerobní podmínky. Clostridum sacharobutylicum, DSM 13. Popis dodavatele: Clostridium saccharobutylicum Keis et al. 1, které podle DSMZ <- D. T. Jones, New Zealand <- D. T. Jones and D. R. Woods, South Africa <- Natl. Chem. Products Ltd., South Africa; NCP (Clostridium acetobutylicum) <- Commercial Solvent Corp., USA; BAS/B3/CSC <- Commercial Solvent Corp., USA (Clostridium saccharobutyl-acetonicum-liquefaciens). Soy beans; USA. Typový kmen. Taxonomický popis (9). Určen pro komerční produkci acetonu a butanolu pomocí fermentace substrátů obsahujících sacharózu. Doporučené medium č. b, 35 C, anaerobní podmínky. Clostridum beijerinckii, DSM popis: Clostridium beijerinckii Donker 19 emend. Keis et al. 1 dle DSMZ - NRRL <- E. McCoy, A-39 (Clostridium butylicum). DNA homolog (5). Určen pro produkci acetonu a n-butanolu (1). Doporučené medium č. b nebo 11, 35 C, anaerobní podmínky.

3 Příprava mikroorganizmů k pokusům Tyto bakterie byly dodány v zatavených ampulích v lyofilizovaném stavu. Následně pak bylo provedeno jejich namnožení v mediu PYX dle DSMZ v následujícím složení: 5, g trypticasový pepton, 5, g masový pepton,, g kvasničný extrakt, 5, g glukózy, 1, mg resazurin,5 g cystein-hydrochlorid na ml destilované vody. Dále bylo do živného media přidáno ml roztoku živných solí následujícího složení:,5 g CaCl x H O,,5 g MgSO x 7 H O, 1, g K HPO, 1, g KH PO,, g NaHCO 3,, g NaCl. Soli byly rozpuštěny v ml destilované vody a sterilizovány minut při 11 C. Hodnota ph PYX media byla upravena na 7 a medium bylo sterilizováno minut při 11 C, po vychladnutí byla do media přes bakteriologický filtr přidána sterilní glukóza. Toto medium bylo použito pro namožení výše uvedených bakterií, které probíhalo při 37 C. Kontrola množství byla provedena pomocí vícestupňového ředění a mikroskopické analýzy v počítací komůrce mikroskopem Zeiss Amplival s fázovým kontrastem. Testované bakterie byly před inokulací podrobeny ohřátí po dobu minut na C a následně co nejdříve ochlazeny v ledové vodě proto, aby se aktivovala vegetativní fáze růstu klostridií. Substráty a jejich předúprava k pokusům Pro testování byly zvoleny různorodé lignocelulózové substráty: pšeničná, řepková, dřevěné piliny, odpadní papír (karton, balicí a novinový). Tyto substráty byly před fermentaci podrobeny tepelnětlakové hydrolýzní předúpravě na čtvrtprovozním experimentálním zařízení, které je podrobněji popsáno v předchozí publikaci (Váňa J., Usťak S., 9a). Technologické podmínky hydrolýzy všech substrátů byly stejné teplota hydrolýzy C, nástřik roztoku kyseliny HCl v konc., hm. %, čas zdržení 15 minut, předpokládaný poměr vody k sušině substrátu cca :1. Přesný podíl byl vypočítán po stanovení sušiny vstupní směsi. Analýza hydrolyzátů Obsah furaldehydů byl po odpovídajícím oddělení nerozpustných látek pomocí filtraci na filtru 5 um stanoven metodou HPLC za následujících podmínek: kolona HIBAR RT 15-, Purosfer STAR, RP-1e s předkolonou C1, mobilní fáze: % MeOH, průtok 1 ml/minuta, teplota na koloně 3 C, detekce UV: 5 a nm, vnější standardizace. Obsah jednotlivých sacharidů byl v roztoku hydrolyzátu stanoven chromatograficky. Pro analýzy byl použit systém pro aniontovou chromatografii (HPAEC) s pulzní amperometrickou detekcí DIONEX (Sunnyvale, USA), kolona CarboPac PA1 ( x 5 mm) s předkolonou, mobilní fáze: do 3. minuty isokraticky v 1 mm NaOH, min regenerace kolony při mm NaOH, průtok m.f.:.5 ml/min, teplota: 5 C, detekce: pulzní amperometrická se zlatou elektrodou, nástřik vzorku ul. U každého vzorku byla orientačně zkoušena sacharizace též na refraktometru. Většina rozborů sacharidů a furaldehydů byla provedená v laboratořích Vysoké školy chemicko-technologické (VŠCHT) v Praze. Provedení pokusů Vybrané a při 11 C po dobu minut sterilizované hydrolyzáty byly rozlity v laminárním boxu po ml do 5 ml erlenmayerových baněk ve třech opakováních. Následně bylo k těmto substrátům přidáno po 5 ml výše uvedeným způsobem upravených bakteriálních kultur. Takto inokulované substráty pak byly kultivovány v anaerobních podmínkách při 37 C po dobu 7 dnů. Analýza byla prováděna na HPLC fy Labio LC za následujících podmínek: kolona H +, teplota C, mobilní fáze 5mM H SO v 3deionizované vodě, průtok,5 ml/min. Analýzou a odpovídajícím přepočtem byly zjišťovány následující parametry: - produkce ABE v g.l -1 fermentátu; - výtěžnost produkce ABE na sumu sledovaných sacharidů (%); - výtěžnost produkce ABE na vstupní sušinu hydrolyzovaného substrátu, tj. sušinu před hydrolýzou (kg.t -1 sušiny suroviny). Výsledky a diskuse Procentuální obsah základních složek testovaných lignocelulózových substrátů uvádí tab. č. 1. Základní charakteristiky hydrolyzátů těchto zvolených pro experimenty surovin uvádí tab. č.. Tab. 1: Složení použitých lignocelulózových substrátů( % sušiny) Substrát Celulóza Lignin Hemicelulóza Popeloviny Ostatní,5 9, 1,1,9 3,1 37,3 35,1 17,,,,,3, 3, 3,7 5,5 5, 5,,,3 Tab. : Základní charakteristiky hydrolyzátů testovaných lignocelulózových surovin Substrát Celková vstupní sušina, % Celková sušina hydrolyzátu, % Rozp.org sušina, hydrolyzátu, % Hodnota Brix ph, 9,, 5,,1 11,3,9,7, 3,1,,,5,,, 9 3,5 3,7 3,1 3

4 Vstupní množství jednotlivých substrátů odráží celková vstupní sušina před zahájením hydrolýzy, která je vypočítána na základě množství a sušiny použitého substrátu a hmotnosti přidané vody. Analyticky stanovené výsledky obsahu základních sacharidů v hydrolyzátech testovaných surovin je uveden v tabulce č. 3. Z tabulky je vidět, že podstatní složkou rozpustných sacharidů je glukóza jako hlavní představitel hexóz a xylóza jako hlavní představitel pentóz. Mimo těchto sacharidů byla stanovena celá řada dalších sloučenin (celkem ), ale jejích obsah byl docela nevýznamný a proto je zde neuvádíme. Nejvyšší koncentraci glukózy v roztoku hydrolyzátu rovněž jako sumy uváděných sacharidů vykazuje pšeničná a nejnižší odpadní papír. Nejvyšší koncentrace xylózy byla dosažená u řepkové slámy. Celková koncentrace uváděných sacharidů byla u řepkové a pšeničné slámy skoro stejná ale jejích složení je odlišné, zejména poměr glukózy a xylózy je prakticky obrácený Tab. 3: Obsah základních sacharidů v hydrolyzátech testovaných surovin (g.l -1 ) Substrát Glukóza Fruktóza Xylóza Sacharóza Suma 15,7 1,5 1,3, 3, 11,,7 15,,9 9, 9,, 1,, 3,,,,,5 15,7 Tabulka č. uvádí obsah stanovených sacharidů v přepočtu na původní sušinu testovaných ligno-celulózových surovin, což znamená výtěžnost produkce jednotlivých sacharidů a jejích součtu v kg na 1 tunu sušiny substrátu. Největší výtěžnost stanovených sacharidů byla zjištěna u pšeničné slámy, za ní se s cca o % nižší výtěžností umístila řepková. Dále následují piliny a papír. Tab. : Podíl obsahu základních sacharidů v přepočtu na celkovou sušinu testovaných surovin (kg.t -1 sušiny) Substrát Glukóza Fruktóza Xylóza Sacharóza Suma Obsah hydrolýzou vznikajících furaldehydů jako potenciálně škodlivých látek pro průběh následující fermentace je pro naše hydrolýzní zařízení uveden v tabulce č. 5. Jak je vidět z tabulky, naměřené hodnoty obsahu -furaldehydu neboli furfuralu a 5-hydroxymetylfuraldehydu (HMF) jsou nízké, což lze připsat konstrukčním zvláštnostem použitého hydrolýzního zařízení, které dokáže docela účinně odstranit vznikající furaldehydy (Váňa J., Usťak S., 9b). Tab. 5: Obsah furaldehydů v hydrolyzátech Substrát Furfural, g/l HMF, g/l 1, 3,9 1, 1,,3,5,1,3 Vliv mikrobních inhibitorů se díky jejich nízkému obsahu v našich hydrolyzátech inhibičně neprojevil. Některé studie však ukazují, že furfural a jeho deriváty, vznikající při kyselé i termické hydrolýze, v koncentracích překračujících g.l -1, mají na aceton- butanolovou fermentaci 5 % inhibiční efekt (Claassen P. A. M. et al., ). Při kultivaci C. beijerinckii BA1 bylo zjištěno, že furaldehyd a 5- hydroxymethylfurfural (HMF) působí na růst tohoto mikroorganismu stimulačně, naopak 5 % inhibiční efekt na produkci acetonu a butanolu byl pozorován v přítomnosti,3 g.l -1 kyseliny ferulové (Claassen P. A. M.et al., ). Při kultivaci C. beijerinckii BA1 bylo zjištěno, že furfural a HMF působí na růst tohoto mikroorganismu stimulačně, naopak výrazný inhibiční vliv na produkci rozpouštědel byl pozorován v přítomnosti,3 g.l -1 kyseliny ferulové (s komplexní inhibicí při 1 g.l -1 ) a,5 g.l -1 kyseliny ń-kumarové (Ezeji T.C. et al., 7). Inhibice ABE fermentace je nejen v důsledku složení zpracovávaného substrátu, ale též vlivem ABE produktů. Eliminace tohoto vlivu se provádí různými způsoby oddělování produktů např. membránami, stripováním, sorpcí na zeolity (Afschar A, Schiller K., 1991; Brellochs A, et al., 1; Kumar P. et al., 9).Vyšší výtěžností ABE produktů se dociluje využitím immobilizovaných buněk mikroorganismů (Ramey D., Yang S., ), kontinuální dvoustupňovou fermentací (Mutschlechner O. et al., ) a genetickou úpravou mikroorganizmů.( Keis et al., 1; Formanek et al., 199) Zjištěné výsledky ABE fermentace výše charakterizovaných substrátů jsou sumarizovány v grafech 1 - podle jednotlivých substrátů a použitých mikroorganizmů. Před fermentaci bylo ph všech hydrolyzátů (viz tab. č. 3) upraveno 3 % roztokem NaOH na hodnotu v rozmezí,-,. Tyto grafy zobrazují naměřené hodnoty koncentrace jednotlivých výstupních látek, tj. acetonu, butanolu a etanolu (ABE) v g.l -1 fermentátu. V tabulce č. se uvádí výtěžnost hlavních produktů, a to butanolu a sumy ABE v přepočtu na kg sušiny původního substrátu a v % obsahu hydrolýzních cukrů.

5 Graf 1: Koncentrace ABE v g.l -1 ve fermentátu pšeničné slámy Graf 3: Koncentrace ABE v g.l -1 ve fermentátu ch pilin Graf : Koncentrace ABE v g.l -1 ve fermentátu řepkové slámy Graf : Koncentrace ABE v g.l-1 ve fermentátu směsi papíru Vysvětlivky zkratek: 1) C. acet - Clostridium acetobutylicum; ) C. sach - Clostridium sacharobutylicum; 3) C. beij - Clostridium beijerinckii. Tab. : Výtěžnost produkce ABE pro různé substráty a mikroorganizmy v přepočtu na sušinu vstupní suroviny a hydrolýzní sacharidy Druh bakterií Produkt jednotky C. acetobutylicum DSM 173 C. sacharobutylicum DSM 135 C. beijerinckii DSM Butanol ABE Butanol ABE Butanol ABE kg.t -1 sušiny 5, 3, 9,7, % sacharidů 15,3 1,7 1, 1,5 kg.t -1 sušiny,, 1, 3,5 % sacharidů,5,9 19,3, kg.t -1 sušiny,7 9,9, 1,7 % sacharidů 15, 11, 1, 11,9 kg.t -1 sušiny, 5, 3,7 33,5 % sacharidů,3 17,3 1, 1,3 kg.t -1 sušiny 3, 5,1 3,7 39,1 % sacharidů 1,3 1,,5 1, kg.t -1 sušiny 93,1,, 5,5 % sacharidů 31,5 3, 9, 31 5

6 Celková produkce ABE se v našich podmínkách při použití termotlakové hydrolýzy a fermentace v batch reaktorech pohybovala v rozmezí od, g.l -1 do 9,5 g.l -1 ABE. Tato skutečnost koresponduje s prací Ezeji T.C., et al., (7), kde jsou při kultivaci Clostrididí v neupraveném hydrolyzátu dosahovány koncentrace ABE,59 g.l -1 a v hydrolyzátu zbaveném solí dosahovala hodnota ABE, g.l -1. Zásadní rozdíl mezi našimi výsledky a výsledky dalších autorů (Dürre P., Bahl H., 1999 ; Nimcevič D., Gapes R.,, Ramey, D., Yang S., ) je v používaném substrátu a zejména v konzentraci sacharidů. Experimenty ostatních autorů jsou založeny především na modelovém substrátu, což bývá roztok glukosy s koncentrací 3-g. l -1. V případě, že jde o hydrolyzáty lignocelulóz bývá prováděno obohacení hydrolyzátu s původní koncentrací cca 35 g. l 1 další glukózou v dávce 35- g. l -1 (Qureshi N, et al., 7) a přeměna na ABE produkty představuje 3 37% hmotnosti vstupních sacharidů. V námi používaných hydrolyzátech ligno-celulózových surovin zemědělského původu je koncentrace sacharidů 15,7-3, g. l -1, z toho koncentrace glukózy, 15,7 g. l -1 a přeměna na ABE produkty představuje v experinentu s C. beijerinckii 9,-3, %. Pro naší další práci se předpokládá testování ABE fermentace za průběžného odstraňování butanolu z fermentátu, aby bylo dosaženo vyššího využití hydrolýzou uvolněných sacharidů. Dále je připravována enzymatická úprava termotlakovou hydrolýzou připravených substrátů pro sacharifikaci celulózy, která je termotlakovým způsobem pouze částečně narušená a v neposlední řadě se provedou pokusy spojené s odstraňováním inhibičních látek z hydrolyzátů. Závěr Byla ověřena možnost ABE fermentace neupravovaných hydrolyzátů lignocelulóz získaných tepelně tlakovým způsobem s koncentrací glukosy nižší než 15 g. l -1 a s celkovou koncentrací sacharidů nižší než 3 g. l -1.Dosažená výtěžnost ABE produktů ve vsádkových fermentačních experimentech s různými druhy a kmeny klostridií je srovnatelná s experimenty autorů, používajících pro ABE fermentaci modelových substrátů na bázi glukosy. V provedených hydrolyzních a fermentačních experimentech bylo z 1 t ligno-celulózových substrátů dosaženo 1,7 93,1 kg ABE produktů což je podstatně méně než je docilováno z melasy nebo ze škrobových substrátů. Jelikož námi použité lignocelulózové substráty jsou odpady nebo levné vedlejší rostlinné produkty jsou dosažené výsledky bezesporu zajímavé a zaslouží si dalšího zkoumání V další etapě našeho výzkumu se zaměříme především na zvýšení podílu přístupných sacharidů a tím i produktů ABE fermentace pomocí enzymatické úpravy substrátu připraveného termo-tlakovou hydrolýzou. Pro eliminaci toxického vlivu butanolové frakce ve fermentátu budou testovány způsoby jejího odvádění. Dále budou prováděny pokusy spojené se snížením tvorby inhibičních látek v hydrolyzátéch. Nejvhodnější postup pak bude implementován v poloprovozním zařízení sloužícím pro přípravu hydrolyzátu a ABE fermentaci. Poděkování Příspěvek byl zpracován s podporou projektu NAZV č. QH 15 Zpracování biomasy pro energetické a technické využití v biorafinérii (75 %) a MZE č. 7 (5 %). Literatura AFSCHAR A, SCHALLER K: Kontinuierliches Fermentationsverfahren zur Produktion von Aceton und Butanol aus Stärke oder stärkehaltigen Stoffen, Patent DE51C1, 1991 BRELLOCHS A, SCHMOLKE A., WOLFF H., KÄMPF K. : Substitution chemischtechnischer Prozesse durch biotechnische Verfahren am Beispiel ausgewählter Grund- und Feinchemikalien. Studie der Prognos AG im Auftrag des Umweltbundesamtes, Berlin. UBA-Text 1/1.1-7 CLAASSEN P.A.M., BUDDE M.A.W., LÓPEZ-CONTRE- RAS A. M.: Acetone, butanol and ethanol production from domestic organic waste by solventogenic clostridia: J. Mol. Microbiol. Biotechnol., 39 (). 39- DÜRRE P., BAHL H.: Microbial Production of Acetone/ Butanol/Isopropanol. In: H.J.Rehm, G. Reed (eds): Biotechnology nd completely revisited edition, Vol., Volume editor: M. Roehr, VCH, Weinhein, 199: 3-. EZEJI T. C., QURESHI N., BLASCHEK H.P. : Butanol production from agricultural residues: Impact of degradation products on Clostridium beijerinckii growth and butanol fermentation. Biotechnology and Bioengineering, 97, 7: FORMANEK J., CHEN C.K, BLASCHEK H., B. ANNOUS B: Method of Producing Butanol using a mutant strain of Clostridium Beijerinickii. US 997 (199). JONES D. T., WOODS D.R.:Acetone-butanol fermentation revisited Microbiol. Rev. 5, (19): 5 KEIS, S., R. SHAHEEN und D.T. JONES, Emended descriptions of Clostridium acetobutylicum and Clostridium beijerinckii, and descriptions of Clostridium saccharoperbutylacetonicum sp. nov. and Clostridium saccharobutylicum sp. nov. Int. J. Syst. Evol. Microbiol,. 51 (), 1: KUMAR P., BARRETT, D. M., DELWICHE M. J., and STROEVE P.: Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production. Ind. Eng. Chem. Res.,, 9: MUTSCHLECHNER O., SWOBODA H., GAPES J.: Continuous two-stage ABEfermentation using Clostridium beijerinckii NRRL B59 operating with a growth rate in the first stage vessel close to its maximal value; Journal of molekular mikrobiology and biotechnology. (1), : 1-5.

7 NIMCEVIČ D., GAPES R. : The Acetone-Butanol Fermentation in Pilot Plant and Pre-Industrial Scale. J. Mol. Microbiol. Biotechnol. (1), : 15-. PATÁKOVÁ P., LIPOVSKÝ J., ČÍŽKOVÁ H., FOŘTOVÁ J., RYCHTERA M., A MELZOCH K.( 9).: Exploitation of Food Feedstock and Waste for Production of Biobutanol. Czech J. Food Sci., 7 (), 9: 7 3. QURESHI N., SAHA B. C., HECTOR R. E., HUGHES S. R., COTTA M. A.: Removal of fermentation inhibitors from alkaline peroxide pretreated and enzymatically hydrolyzed wheat straw: Production of butanol from hydrolysate using Clostridium beijerinckii in batch reactors. Biomass Bioenergy, a: 3: QURESHI N, SAHA BC, COTTA MA. Butanol production from wheat straw hydrolysate using Clostridium beijerinckii. Bioprocess and Biosystems Engineering 3, 7: QURESHI N, SAHA B.C, HECTOR R.E., HUGHES S.R, COTTA M.A. Butanol production from wheat straw by simultaneous saccharification and fermentation using Clostridium beijerinckii: part I batch fermentation. Biomass and Bioenergy 3(), b: RAMEY D. (9): Butanol, Advances in Biofuels, / Energy/Butanol.html. RAMEY, D., YANG S.: Production of butyric acid and butanol from biomass. Final report of work performed under contract No.:DE-F-G-ER for U.S. Department of Energy, Ohio, USA (). VÁŇA, J., USŤAK, S. Zpracování lignocelulózových odpadů na zkvasitelné cukry a další produkty v biorafinerii. Agritech Science, 3 (1), 9a: 1-. VÁŇA, J., USŤAK, S.: Tepelně_ tlaková hydrolýza lignocelulózových odpadů. WASTE FORUM č., 9b: WEIZMANN C.: Production of acetone and alcohol by bacteriological processes. US (1919) M. WU, M. WANG, J. LIU, and H. HUO: Life-Cycle Assessment of Corn-Based Butanol as a Potential Transportation Fuel, ANL/ESD/7-, Argonne National Laboratory, Argonne, Ill., Nov; 7: 1-39 Abstrakt: Byla ověřena možnost aceton-butanol-etanolové (ABE) fermentace neupravovaných hydrolyzátů lignocelulózových surovin zemědělského původu získaných tepelně tlakovým způsobem s koncentrací glukosy nižší než 15 g. l -1 a s celkovým obsahem sacharidů 15-3 g. l -1 ve vsádkových fermentačních experimentech s různými druhy a kmeny klostridií. V provedených hydrolyzních a fermentačních experimentech bylo z 1 t lignocelulózových substrátů dosaženo 1,7 93,1 kg ABE produktů. Výtěžnost ABE produktů z hydrolyzátů pšeničné a řepkové slámy získaných tepelně tlakovým způsobem představovala při kvasné fermentaci s Clostridium beijerinckii 9,-3, %. hmotnosti vstupních sacharidů, což je srovnatelné s uváděnou výtěžnosti u autorů používajících modelové substáty na bázi glukózy. Výtěžnost ABE produktů je z lignocelulózových substrátů nižší než je docilována z melasy nebo ze škrobových substrátů. Jelikož námi použité lignocelulózové substráty jsou odpady nebo levné vedlejší rostlinné produkty jsou dosažené výsledky bezesporu zajímavé a zaslouží si dalšího zkoumání. Provedené experimenty směřují k vývoji optimalizovaného aceton-butanol-etanolového procesu vhodného pro biorafinerie lignocelulózních substrátů zejména zemědělského původu v návaznosti na tepelně-tlakovou hydrolýzu v teplotním rozmezí 17- o C, nebo kombinovanou tepelně-tlakovou a enzymatickou hydrolýzu s oddělením inhibičních látek vznikajících při termické hydrolýze do zkondenzované parní fáze. Klíčová slova: aceton-butanol-etanolová fermentace (ABE), zemědělská biomasa, lignocelulózové odpady, tepelně tlaková hydrolýza, zkvasitelné cukry, inhibiční látky, klostridie. Kontaktní adresa: Ing. Roman Honzík Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i., Drnovská 57, 11 Praha honzik@eto.vurv.cz 7