24375

BIOTECH2 375

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي - بيوتكنولوژي

علوم و فناوري‌‌‌هاي زيستي

1402/11/11

46 ص.

دكتر حميد اميري

بوتيل بوتيرات , استري شدن , ليپاز , كلستريديوم استوبوتيليكوم , كشت همزمان , تخمير استون-بوتانول-اتانول

استرهاي مشتق شده از الكل‌ها و اسيدهاي كربوكسيليك گروه بزرگي از مواد شيميايي با ارزش افزوده هستند كه معمولاً داراي طعم و عطرهاي ميوهاي بوده و كاربردهاي فراواني دارند به ويژه بوتيل بوتيرات به داشتن بوي ميوهاي منحصر به فرد مانند آناناس و موز معروف است. در طبيعت بوتيل بوتيرات به طور معمول در گل‌ها، ميوهها و نوشيدنيهاي تخمير شده يافت ميشود. بنابراين، بوتيل بوتيرات به عنوان يك تركيب طعمدهنده و معطر در صنايع نوشيدني، غذا، عطر و لوازم آرايشي و بهداشتي استفاده ميشود. بوتيل بوتيرات همچنين به عنوان يك حلال در صنايع پلاستيك، بافت و الياف و همچنين استخراج‌كننده مهم در فرآوري فرآورده‌هاي نفتي استفاده مي‌شود. در سال‌هاي اخير، استرها به سبب ماهيت اشتعال‌پذير به عنوان يك سوخت زيستي بالقوه مورد توجه قرار گرفته‌اند. فرايند آنزيمي استري شدن دو ماده بوتانول و بوتيريك اسيد در حضور آنزيم ليپاز به عنوان "پلي" براي توليد تجديدپذير اين استر مهم از منابع كربوهيدراتي معرفي شده است. با اين وجود، اين فرايند تعادلي بوده و هدايت تعادل نياز به جداسازي استر از محيط واكنش دارد كه اين مهم توسط استخراج با حلال قابل انجام است. در اين پژوهش، يك فرايند با چندين مرحله همزمان شامل (1) توليد بوتانول و بوتيريك اسيد، (2) تبديل آنزيمي بوتانول و بوتيريك اسيد به بوتيل بوتيرات و (3) استخراج بوتيل بوتيرات به درون حلال آلي (هگزادكان) توسعه داده شده است. در اين راستا براي بهبود توليد بوتيل بوتيرات و بوتانول از كشت تلفيقي دو سويه كلستريديوم استوبوتيليكوم و نسترنكونيا استفاده شد. به واسطه‌ توليد همزمان بوتيريك اسيد و بوتانول در تخمير استون-بوتانول-اتانول (ABE fermentation) به همراه نقش كاتاليزوري آنزيم ليپاز، واكنش تعادلي استري شدن به سمت توليد هر چه بيشتر بوتيل بوتيرات هدايت شد. تحت شرايط بهينه (50 گرم بر ليتر بار آنزيمي و تنظيم pH در شروع واكنش استري شدن در 5.3) 4.79 گرم بر ليتر بوتيل بوتيرات با مصرف كامل 40 گرم بر ليتر گلوكز به عنوان سوبستراي اوليه به دست آمد. در بررسي عوامل مؤثر ديگر، با افزايش pH اوليه واكنش استري شدن از 5.3 به 6.2 كاهش توليد بوتيل بوتيرات مشاهده شد و مقدار بهينه بارگذاري آنزيم 25 گرم بر ليتر به دست آمد. همچنين تخمير با كشت همزمان و استري شدن تعادلي بر روي سوبستراهاي نشاسته ، زايلوز و پكتين صورت گرفت كه در مقايسه با گلوكز نتايج قابل قبولي به دست آمد.

Butyl butyrate , esterification , Lipase , Clostridium acetobutylicum , coculture , Acetone-Butanol-Ethanol fermentation (ABE fermentation)

Development of enzymatic-microbial process for butyl butyrate production based on the fermentative products of Clostridium acetobutylicum

زيست فناوري

Esters derived from alcohols and carboxylic acids constitute a large group of value-added chemicals that typically have fruity flavors and aromas and have numerous applications. In particular, butyl butyrate is known for its unique fruity scent, resembling pineapple and banana. In nature, butyl butyrate is commonly found in flowers, fruits, and fermented beverages. Therefore, butyl butyrate is used as a flavoring and aromatic compound in the beverage, food, fragrance, and cosmetic industries. Additionally, butyl butyrate serves as a solvent in the plastics, textiles, and fiber industries and as an important extractant in petroleum product processing. In recent years, esters have gained attention as a potential biofuel due to their flammable nature. The enzymatic esterification process of butanol and butyric acid in the presence of lipase enzyme has been introduced as a "bridge" for the renewable production of this important ester from carbohydrate sources. However, this process is an equilibrium reaction, and shifting the equilibrium requires the separation of the ester from the reaction medium, which can be achieved through solvent extraction. In this study, a multi-step simultaneous process was developed, including (1) the production of butanol and butyric acid, (2) the enzymatic conversion of butanol and butyric acid to butyl butyrate, and (3) the extraction of butyl butyrate into an organic solvent (hexadecane). In this regard, to enhance the production of butyl butyrate and butanol, a co-culture of Clostridium acetobutylicum and Nesterenkonia was utilized. Due to the simultaneous production of butyric acid and butanol during acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation, along with the catalytic role of the lipase enzyme, the equilibrium esterification reaction was driven towards increased butyl butyrate production. Under optimal conditions (50 g/L enzyme loading and pH adjustment to 5.3 at the beginning of the esterification reaction), 4.79 g/L butyl butyrate was obtained with complete consumption of 40 g/L glucose as the primary substrate. In examining other influencing factors, an increase in the initial pH of the esterification reaction from 5.3 to 6.2 resulted in a decrease in butyl butyrate production, with an optimal enzyme loading of 25 g/L. Additionally, fermentation with co-culture and equilibrium esterification was performed on starch, xylose, and pectin substrates, yielding acceptable results compared to glucose.

3

120266