Production of Polyhydroxybutyrate (PHB) from Water Hyacinth (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) Hydrolysate

Abstract

Polyhydroxybutyrate (PHB) is a bioplastic which is synthesized from microorganisms and accumulated as storage granules for used as an energy reserve. PHB has properties comparable to petroleum-derived plastics, i.e. polypropylene. This research aimed to study PHB production using the water hyacinth hydrolysate as a potential renewable carbon source. This included the optimal pretreatment condition of water hyacinth to facilitate enzymatic saccharification, and optimization of culture conditions (nitrogen source and C/N ratio). Results indicated that the optimal pretreatment condition which had 2% (w/v) NaOH with autoclaving at 121○C and 15 psi for 30 min was increased the enzymatic hydrolysis efficiency up to 5.47-fold. The optimum conditions for PHB production by Ralstonia eutropha NCIMB 11599 were obtained using yeast extract as a nitrogen source with C/N ratio of 20:4. The PHB production in a bioreactor gave the maximum PHB concentration of 1.22 g/L after 32 h cultivation. The PHB yield and volumetric productivity was found to be 0.366 g/g and 0.038 g/l/h, respectively. The produced PHB was further characterized using 1H NMR, FTIR and DSC analysis, and revealed that its chemical structure was similar to that of commercial PHB with the melting temperature of 174.6○C. This study shows that the water hyacinth hydrolysate is a potential carbon source for PHB production.

พอลิไฮดรอกซีบิวทิเรต (PHB) เป็นพลาสติกชีวภาพที่จุลินทรีย์สังเคราะห์ขึ้น แล้วเก็บสะสมภายในแกรนูล เพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานสำรอง PHB มีคุณสมบัติคล้ายกับพลาสติกสังเคราะห์จากปิโตรเลียมชนิดพอลิโพรพิลิน งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการผลิต PHB โดยใช้ผักตบชวาไฮโดรไลเซทเป็นแหล่งคาร์บอนทดแทน โดยศึกษาสภาวะที่เหมาะสมของการปรับสภาพผักตบชวา เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการไฮโดรไลซิสด้วยเอนไซม์ และสภาวะที่เหมาะสมในการผลิต PHB จากผักตบชวาไฮโดรไลเซท (ทั้งชนิดของแหล่งไนโตรเจน และอัตราส่วนโดยน้ำหนักของแหล่งคาร์บอนต่อแหล่งไนโตรเจน) ผลการศึกษาพบว่า การปรับสภาพผักตบชวาด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่ความเข้มข้นร้อยละ 2.0 โดยมวลต่อปริมาตร ร่วมกับการใช้หม้อนึ่งความดันไอนํ้า ที่อุณหภูมิ 121 องศาเซลเซียส ความดัน 15 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว เป็นเวลา 30 นาที เป็นสภาวะที่ดีที่สุด สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการไฮโดรไลซิสได้ถึง 5.47 เท่า เมื่อประเมินหาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการผลิต PHB โดย Ralstonia eutropha NCIMB 11599 พบว่า yeast extract เป็นแหล่งไนโตรเจนที่เหมาะสมสำหรับการผลิต PHB ในอาหารเลี้ยงเชื้อที่ใช้ผักตบชวาไฮโดรไลเซทเป็นแหล่งคาร์บอน ในอัตราส่วนโดยน้ำหนักของแหล่งคาร์บอนต่อแหล่งไนโตรเจนเท่ากับ 20:4 และในการศึกษาการผลิต PHB ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพ ได้ปริมาณ PHB สูงสุด 1.22 กรัมต่อลิตร ที่เวลา 32 ชั่วโมงของการเพาะเลี้ยง ซึ่งได้ผลได้ของ PHB และอัตราการผลิตเชิงปริมาณ PHB เท่ากับ 0.366 กรัมต่อกรัม และ 0.038 กรัมต่อลิตรต่อชั่วโมง ตามลำดับ เมื่อนำ PHB ที่ผลิตได้ ไปตรวจสอบคุณสมบัติด้วยเทคนิค 1H NMR, FTIR และ DSC พบว่า มีโครงสร้างทางเคมีเหมือนกับ PHB ในทางการค้า และมีจุดหลอมเหลวเท่ากับ 174.6 องศาเซลเซียส จากการศึกษาแสดงให้เห็นว่า ผักตบชวาไฮโดรไลเซทสามารถใช้เป็นแหล่งคาร์บอนที่มีประสิทธิภาพ เพื่อผลิต PHB ได้