การใช้ประโยชน์จากวัสดุเหลือทิ้งลิกโนเซลลูโลสสำหรับผลิตพอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอต

ผู้แต่ง

  • Jittaporn Popanyasak สาขาวิชาการจัดการสิ่งแวดล้อม คณะบริหารการพัฒนาสิ่งแวดล้อม สถาบันบัณฑิตพัฒนบริหารศาสตร์
  • Tawadchai Suppadit สาขาวิชาการจัดการสิ่งแวดล้อม คณะบริหารการพัฒนาสิ่งแวดล้อม สถาบันบัณฑิตพัฒนบริหารศาสตร์
  • Savitri Vatanyoopaisan ภาควิชาเทคโนโลยีอุตสาหกรรมเกษตร อาหารและสิ่งแวดล้อม คณะวิทยาศาสตร์ประยุกต์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ และ ศูนย์วิจัยเทคโนโลยีสารสนเทศทางจุลินทรีย์และผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมจากจุลินทรีย์

คำสำคัญ:

พอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอต, วัสดุเหลือทิ้งลิกโนเซลลูโลส, วิถีเมแทบอลิซึม, แหล่งคาร์บอน

บทคัดย่อ

ด้วยคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพที่โดดเด่นของพลาสติกชีวภาพชนิดพอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอตทำให้ได้รับความสนใจในการนำไปใช้เป็นวัสดุทางเลือกเพื่อทดแทนพลาสติกสังเคราะห์ในหลากหลายด้าน อย่างไรก็ตาม พอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอตยังไม่สามารถทดแทนพลาสติกสังเคราะห์ได้มากนัก เนื่องจากมีอัตราการผลิตต่ำและต้นทุนการผลิตสูงทำให้พอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอตมีราคาสูงตามไปด้วย ซึ่งต้นทุนการผลิตพอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอตส่วนใหญ่มาจากแหล่งคาร์บอนที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิต เพื่อเป็นการลดต้นทุนการผลิตและเป็นการจัดการขยะ ได้มีการนำของเสียหรือผลิตภัณฑ์พลอยได้จากอุตสาหกรรมต่างๆ มาใช้เป็นแหล่งคาร์บอน วัสดุเหลือทิ้งลิกโนเซลลูโลสเป็นวัตถุดิบที่น่าสนใจ เนื่องจากมีปริมาณมาก ราคาถูก และเป็นวัสดุที่สามารถทดแทนใหม่ได้ ทั้งนี้การนำวัสดุเหลือทิ้งลิกโนเซลลูโลสมาใช้นั้นต้องมีกระบวนการในการเปลี่ยนวัสดุเหลือทิ้งลิกโนเซลลูโลสให้เป็นแหล่งคาร์บอนซึ่งประกอบด้วยการปรับสภาพ การย่อยสลายวัสดุเหลือทิ้งลิกโนเซลลูโลส และการกำจัดสารยับยั้ง บทความนี้จะกล่าวถึงวิธีการปรับสภาพ การย่อยสลาย การกำจัดสารยับยั้ง หลักการเบื้องต้นของกระบวนการผลิตไฮดรอกซีอัลคาโนเอตโดยวิถีเมแทบอลิซึมของแบคทีเรีย และการใช้วัสดุเหลือทิ้งลิกโนเซลลูโลสในการผลิตพอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอตเพื่อเป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาการผลิตพอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอตจากวัสดุเหลือทิ้งลิกโนเซลลูโลสและนำไปสู่การผลิตพลาสติกชีวภาพที่มีคุณภาพและยั่งยืนในอนาคตต่อไป

Downloads

Download data is not yet available.

References

Khatami K, Perez-Zabaleta M, Owusu-Agyeman I, Cetecioglu Z. Waste to bioplastics: How close are we to sustainable polyhydroxyalkanoates production?. Waste Manage 2021;119:374-88.

Reddy CSK, Ghai R, Rashmi, Kalia VC. Polyhydroxyalkanoates: An overview. Bioresour Technol 2003;87(2):137-46.

Sangkharak K. The production of polyhydroxyalkanoates (PHAs) from renewable feedstock derived from various wastes. tsuj 2011;14(1):97-110.

Mozejko-Ciesielska J, Marciniak P, Szacherska K. Polyhydroxyalkanoates synthesized by Aeromonas species: Trends and challenges. Polymers (Basel) 2019;11(8):1328.

Vu DH, Akesson D, Taherzadeh MJ, Ferreira JA. Recycling strategies for polyhydroxyalkanoate-based waste materials: An overview. Bioresour Technol 2020;298:122393.

Raza ZA, Abid S, Banat IM. Polyhydroxyalkanoates: Characteristics, production, recent developments and applications. Int Biodeterior Biodegradation 2018;126:45-56.

Tepha.com Lexington: Tepha Inc. [อินเตอร์เน็ต]. 2018 [เข้าถึงเมื่อ 27 ม.ค. 2564]. เข้าถึงได้จาก: https://www.tepha.com/

Adeleye AT, Odoh CK, Enudi OC, Banjoko OO, Osiboye OO, Odediran ET, et al. Sustainable synthesis and applications of polyhydroxyalkanoates (PHAs) from biomass. Process Biochem 2020;96:174-93.

Amelia, T. S. M., Govindasamy, S., Muthaliar, A., Sevakumaran, V., & Bhubalan, K. Applications of PHA in Agriculture. Biotechnological applications of polyhydroxyalkanoates [อินเตอร์เน็ต]. 2019 [เข้าถึงเมื่อ 27 ม.ค. 2564]. เข้าถึงได้จาก:

https://www.academia.edu/41948172/Applications_of_Polyhydroxyalkanoate_in_Agriculture

Novelli LDD, Sayavedra SM, Rene ER. Polyhydroxyalkanoate (PHA) production via resource recovery from industrial waste streams: a review of techniques and perspectives. Bioresour Technol 2021;331:124985.

Crutchik D, Franchi O, Canminos L, Jeison D, Belmonte M, Pedrouso A, et al. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) production: A feasible economic option for the treatment of sewage sludge in municipal wastewater treatment plants?. Water 2020;12:2-12.

Isikgor FH, Becer CR. Lignocellulosic biomass: a sustainable platform for the production of bio-based chemicals and polymers. Polym Chem 2015;6:4497-559.

Liu WJ, Yu HQ. Thermochemical conversion of lignocellulosic biomass into mass-producible fuels: emerging technology progress and environmental sustainability evaluation. ACS Environ Au 2022;2:98-114.

Fatma S, Hameed A, Noman M, Ahmed T, Shahid M, Tariq M, et al. Lignocellulosis biomass: a sustainable bioenergy source for the future. Protein Pept Lett 2018;25(2):148-63.

Baruah J, Nath BK, Sharma R, Kumar S, Deka RC, Baruah DC, et al. Recent trends in the pretreatment of lignocellulosic biomass for value-added products. Front Energy Res 2018;6(8):1-19.

Prasad A, Sotenko M, Blenkinsopp T, Coles SR. Life cycle assessment of lignocellulosic biomass pretreatment methods in biofuel production. Int J Life Cycle Assess 2016;21:44-50.

Rao LV, Goli JK, Gentela J, Koti S. Bioconversion of lignocellulose biomass to xylitol: an overview. Bioresour Technol 2016;213:299-310.

Kumar A, Anushree, Kumar J, Bhaskar T. Utilization of lignin: A sustainable and eco-friendly approach. J Energy Inst 2020;93(1):235-71.

Sukruansuwan V, Napathorn SC. Use of agro-industrial residue from the canned pineapple industry for polyhydroxybutyrate production by Cupriavidus necator strain A-04. Biotechnol Biofuels 2018;11(202):1-15.

Khattab MM, Dahman Y. Production and recovery of poly-3-hydroxybutyrate bioplastics using agro-industrial residues of hemp hurd biomass. Bioprocess Biosyst Eng 2019;42:1115-27.

Meneses DB, Montes de Oca-Vasquez G, Vega-Baudrit J, Rojas-Alvarez M, Corrales-Castillo J, Murillo-Araya LC. Pretreatment methods of lignocellulosic wastes into value-added products: Recent advances and possibilities. Biomass Convers Biorefin 2020;2:547-64.

Maurya DP, Singla A, Negi S. An overview of key pretreatment processes for biological conversion of lignocellulosic biomass to bioethanol. 3 Biotech 2015;(5):597-609.

Norrrahim MNF, Ilyas RA, Nurazzi NM, Rani MSA, Atikah MSN, Shazleen SS. Chemical pretreatment of lignocellulosic biomass for the production of bioproducts: An overview. Appl Sci Eng Prog 2021;14(4):588-605.

Kumar P, Barrett DM, Delwiche MJ, Stroeve P. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production. Ind Eng Chem Res 2009;48:3713-29.

Abdul PM, Jahim JM, Harun S, Markom M, Lutpi NA, Hassan O, et al. Effects of changes in chemical and structural characteristic of ammonia fibre expansion (AFEX) pretreated oil palm empty fruit bunch fibre on enzymatic saccharification and fermentability for biohydrogen. Bioresour Technol 2016;211:200-8.

Ul Haq I, Qaisar K, Nawaz A, Akram F, Mukhtar H, Zohu X, et al. Advances in valorization of lignocellulosic biomass towards energy generation. Catalysts 2021;11(3):309.

Verardi A, de Bari I, Ricca E, Calabro V. Hydrolysis of lignocellulosic biomass: Current status of processes and technologies and future perspectives. Bioethanol [อินเตอร์เน็ต].2012 [เข้าถึงเมื่อ 13 พ.ค. 2563]. เข้าถึงได้จาก: https://www.intechopen.com/chapters/27352

Lelekakis N, Wijaya J, Martin D, Susa D. The effect of acid accumulation in power-transformer oil on the aging rate of paper insulation. IEEE Electr Insul Mag 2014;30(3):19-26.

Sasmal S, Mohanty K. Pretreatment of lignocellulosic biomass toward biofuel production. In: Kumar S, Sani RK, editors. Biorefining of biomass to biofuels [อินเตอร์เน็ต]. 2018 [เข้าถึงเมื่อ 13 พ.ค. 2563]. เข้าถึงได้จาก: https://www.researchgate.net/publication/320910499_Pretreatment_of_ Lignocellulosic_Biomass_Toward_Biofuel_Production

วัฒนา อัจฉริยะโพธา, ดวงเดือน วัฏฏานุรักษ์, พิมนารา นิลฤทธิ์. การศึกษาแอคติวิตีของเอนไซม์เซลลูเลสจากเห็ดราทำลายไม้ในการผลิตแอลกอฮล์จากผักตบฉวาด้วยวิธีการย่อยสลายให้เกิดเป็นน้ำตาลแบบต่อเนื่องกับการหมัก. วารสารวิจัยและพัฒนา วไลยอลงกรณ์ ในพระบรมราชูปถัมภ์ 2561;13(3):23-32.

Sun Y, Cheng J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: A review. Bioresour Technol 2002;83(1):1-11.

Li M, Eskridge K, Liu E, Wilkins M. Enhancement of polyhydroxyalkanoate (PHB) production by 10-fold from alkaline pretreatment liquor with an oxidative enzyme-mediator-surfactant system under Plackett-Burman and central composite designs. Bioresour Technol 2019;281:99-106.

Obruca S, Benesova P, Marsalek L, Marova I. Use of lignocellulosic materials for PHA production. Chem Biochem Eng Q 2015;29(2):133-44.

Bhatia SK, Jagtap SS, Bedekar AA, Bhatia RK, Patel AK, Pant D, et al. Recent developments in pretreatment technologies on lignocellulosic biomass: effect of key parameters, technological improvements, and challenges. Bioresour Technol 2020;300:1-13.

Cardona CA, Quintero JA, Paz IC. Production of bioethanol from sugarcane bagasse: status and perspectives. Bioresour Technol 2010;101:4754-66.

Chandel AK, da Silva SS, Singh OV. Detoxification of lignocellulosic hydrolysates for improved bioethanol production. Biofuel production-recent developments and prospects [อินเตอร์เน็ต]. 2011 [เข้าถึงเมื่อ 17 พ.ค. 2563]. เข้าถึงได้จาก: https://www.intechopen.com/chapters/20063

Kim D. Physico-chemical conversion of lignocellulose: Inhibitor effects and detoxification strategies: A mini review. Molecules 2018;23(2):309.

Tatyana M, Sergey S. Biological detoxification of lignocellulosic hydrolysates for improved biobutanol production. Key Eng Mater 2016;683:525-30.

Chandel AK, da Silva SS, Singh OV. Detoxification of lignocellulose hydrolysates: Biochemical and metabolic engineering toward white biotechnology. Bioenergy Res 2013;6(1):388-401.

อนุกูล เกียรติขวัญบุตร. การกำจัดสีและการย่อยสลายทางชีวภาพของสารประกอบฟีนอลิคในน้ำทิ้งโรงงานสกัดน้ำมันปาล์มโดยราไวท์รอทที่ตรึงบนวัสดุเศษเหลือน้ำมันปาล์ม. วิทยานิพนธ์ปริญญาวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาการจัดการสิ่งแวดล้อม, มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์. สงขลา; 2556.

Pan W, Perrotta JA, Stipanovic AJ, Nomura CT, Nakas JP. Production of polyhydroxyalkanoates by Burkholderia cepacia ATCC 17759 using a detoxified sugar maple hemicellulosic hydrolysate. J Ind Microbiol Biotechnol 2012;39:459-69.

Larsson S, Reimann A, Nilvebrant NO, Jonsson LJ. Comparison of different methods for the detoxification of lignocellulose hydrolyzates of spruce. Appl Biochem Biotechnol 1999;77:91-103.

Lanka S, Adivikatla VR, Shaik N, Kothagauni SY, Panda SH, Yenumula GP, et al. Studies on different detoxification method for the acid hydrolysate of lignocellulosic substrate Saccharum spontaneum. Dyn Biochem Process Biotechnol Mol Biol 2011;5(2):53-7.

Zhang Y, Xia C, Lu M, Tu M. Effect of overliming and activated carbon detoxification on inhibitors removal and butanol fermentation of poplar prehydrolysates. Biotechnol Biofuels 2018;11:178.

Obruca S, Benesova P, Petrik S, Oborna J, Prikryl R, Marva I. Production of polyhydroxyalkanoates using hydrolysate of spent coffee grounds. Process Biochem 2014;49(9):1409-14.

Guo X, Cavka A, Jonsson L, Hong F. Comparison of method for detoxification of spruce hydrolysate for bacterial cellulose production. Microb Cell Fact 2013;12(93):1-14.

Moreno AD, Ibarra D, Fernandez JL, Ballesteros M. Different laccase detoxification strategies for ethanol production from lignocellulosic biomass by the thermotolerant yeast Kluyveromyces marxianus CECT 10875. Bioresour Technol 2012;106:101-9.

Gumel AM, Annuar MSM, Chisti Y. Recent advances in the production, recovery and applications of polyhydroxyalkanoates. J Polym Environ 2013;21(2):580-605.

Saratale RG, Cho SK, Kadam AA, Ghodake GS, Kumar M, Bharagava RN, et al. Developing microbial co-culture system for enhanced polyhydroxyalkanoates (PHA) production using acid pretreated lignocellulosic biomass. Polymers (Basel) 2022;14(4):726.

Thuoc DV, Chung NT, Hatti-Kaul R. Polyhydroxyalkanoate production from rice straw hydrolysate obtained by alkaline pretreatment and enzymatic hydrolysis using Bacillus strains isolated from decomposing straw. Bioresour Bioprocess 2021;8(98):1-11.

Yustinah, Hidayat N, Alamsyah R, Roslan AM, Hermansyah H, Gozan M. Production of polyhydroxybutyrate from oil palm fruit bunch (OPEFB) hydrolysates by Bacillus cereus suaeda B-001. Biocatal Agric Biotechnol 2019;18(2):101019.

Stoica I, Petrovici AR, Silion M, Varganici CD, Dinica R, Bahrim G. Corn cob hydrolyzates used for microbial biosynthesis of polyhydroxybutyrte. Cellulose Chem Technol 2018;52(1-2):65-74.

Wang X, Zhang ZT, Wang Y, Wang Y. Production of polyhydroxybutyrate (PHB) from switchgrass pretreated with a radio frequency-assisted heating process. Biomass Bioenergy 2016;94:220-7.

Gonzalez-Garcia Y, Grieve J, Meza-Contreras JC, Clifton-Garcia B, Silva-Guzman JA. Tequila agave bagasse hydrolysate for the production of polyhydroxybutyrate by Burkholderia sacchari. Bioengineering (Basel) 2019;6(4):115.

Martinez-Herrera RE, Aleman-Huerta ME, Flores-Rodriguez P, Almaguer-Cantu V, Valencia-Vazquez R, Rosas-Flores W, et al. Utilization of Agava durangensis leaves by Bacillus cereus 4N for polyhydroxybutyrate (PHB) biosynthesis. Int J Biol Macromol 2021;175:199-208.

Saratale RG, Saratale GD, Cho SK, Kim DS, Ghodake GS, Kadam A, et al. Pretreatment of kenaf (Hibiscus cannabinus L.) biomass feedstock for polyhydroxybutyrate (PHB) production and characterization. Bioresour Technol 2019;282:75-80.

Silambarasan S, Logeswari P, Sivaramakrishnan R, Pugazhendhi A, Kamaraj B, Ruiz A, et al. Polyhydroxybutyrate production from ultrasound-aided alkaline pretreated finger millet straw using Bacillus megaterium strain CAM12. Bioresour Technol 2021;325:124632.

Soto LR, Byrne E, van Niel EWJ, Sayed M, Villanue CC, Hatti-Kaul R. Hydrogen and polyhydroxybutyrate production from wheat straw hydrolysate using Caldicellulosiruptor species and Ralstonia eutropha in a coupled process. Bioresour Technol 2019;272:259-66.

Yin F, Li D, Ma X, Zhang C. Pretreatment of lignocellulosic feedstock to produce fermentable sugars for poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) production using activated sludge. Bioresour Technol 2019;290:121773.

Salgaonkar BB, Braganca JM. Utilization of sugarcane bagasse by Halogeometricum borinquense strain E3 for biosynthesis of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate). Bioengineering (Basel) 2017;4(2):50.

Bhatia SK, Gurav R, Choi TR, Jung HR, Yang SY, Moon YM, et al. Bioconversion of plant hydrolysate into bioplastic (polyhydroxyalkanoates) using Ralstonia eutropha 5119. Bioresour Technol 2019;271:306-15.

Downloads

เผยแพร่แล้ว

2022-12-07