Metodyka rozdzielania i oznaczania lotnych inhibitorów fermentacji w brzeczkach fermentacyjnych ciemnej fermentacji, techniką GC-MS

• Autorzy: Makoś P. , Słupek E. , Kamiński M.

Warianty tytułu

EN

Method for the separation and determination of volatile fermentation inhibitors in broths from dark fermentation, using GC-MS

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono opracowaną w wyniku badań metodykę identyfikacji i oznaczania inhibitorów fermentacji w brzeczkach fermentacji ciemnej z biomasy ligno-celulozowej, z wykorzystaniem ekstrakcji ciecz-ciecz w sprzężeniu z chromatografią gazową ze spektrometrem mas (LLE-GC-MS). W ramach badań dokonano doboru korzystnych warunków ekstrakcji ciecz-ciecz, w tym: pH, objętości rozpuszczalnika ekstrakcyjnego, czasu ekstrakcji oraz warunków wirowania. Opracowana metodyka charakteryzuje się niskimi wartościami granicy wykrywalności (0,0086 – 3,75 mg/L) i oznaczalności, dobrą powtarzalnością i szerokim zakresem liniowości. W próbkach brzeczek fermentacyjnych, zidentyfikowano trzy inhibitory fermentacji (furfural, gwajakol i syringol) w stężeniach w zakresie od 0,04 do 2,45 mg/L. Dodatkowo, osiem innych inhibitorów, w tym głównie lotne kwasy tłuszczowe w stężeniach od 2,86 do 956 mg/L zidentyfikowano w brzeczkach, w trybie SCAN. Wyniki badań, wskazują na konieczność monitorowania przebiegu procesu fermentacji ciemnej w zakresie powstawania inhibitorów fermentacji, których obecność wpływa toksycznie na mikroorganizmy wytwarzające biowodór.

EN

The paper presents the method for the qualitative and quantitative determination of fermentation inhibitors in fermentation broths for bio-hydrogen, using liquid-liquid extraction and gas chromatography with mass spectrometry (LLE-GC-MS). Initially, the extraction parameters were optimized. These included: pH, volume of extraction solvent, pH, extraction time as well as speed of centrifugation. The developed method has low detection limits (0,0086 – 3,75 mg/L), and determination, good repeatability and a wide range of linearity. In fermentation broth samples, three fermentation inhibitors (furfural, guaiacol and syringol) were identified in concentrations ranging from 0.04 to 2.45 mg/L. In addition, eight more inhibitors, mainly volatile fatty acids in concentrations from 2.86 to 956 mg/L, were identified in fermentation broth, using the SCAN mode. The paper demonstrates the need for monitoring inhibitors in fermentation broth during dark fermentation process, due to the fermentation inhibitors are toxic to biohydrogen-producing microorganisms.

Słowa kluczowe

PL

biomasa lignocelulozowa; fermentacja ciemna; inhibitory fermentacji; ekstrakcja ciecz-ciecz; chromatografia gazowa; spektrometria mas; GC-MS

EN

fermentation inhibitors; lignocellulosic biomass; dark fermentation; liquid-liquid extraction; gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)

• Wydawca: Publishing House of Siedlce University of Natural Sciences and Humanities
• Czasopismo: Camera Separatoria
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 10, No. 2
• Strony: 64--80
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Makoś P.

• Katedra Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska, ul. Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk, Polska

autor

Słupek E.

• Katedra Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska, ul. Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk, Polska

autor

Kamiński M.

• Katedra Inżynierii Procesowej i Technologii Chemicznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska, ul. Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk, Polska

Bibliografia

• 1. M. Suchowska-Kisielewicz, Produkcja biowodoru z odpadów w warunkach fermentacji. Environ. Prot. Eng. 34 (2014) 55-64.
• 2. J. Mathewsa, G. Wang, Metabolic pathway engineering for enhanced biohydrogen production. Int. J. Hydrog. Energy 34 (2009) 7404-7416.
• 3. L.J. Jönsson, C. Martín, Pretreatment of lignocellulose: Formation of inhibitory by products and strategies for minimizing their effects. Bioresour. Technol. 199 (2016) 103-112.
• 4. K. Kucharska, P. Rybarczyk, I. Hołowacz, R. Łukajtis, M. Glinka, M.A. Kamiński. Pretreatment of Lignocellulosic Materials as Substrates for Fermentation Processes, Molecules 23 (2018) 1-32.
• 5. N.A. Mostafa, Production and recovery of volatile fatty acids from fermentation broth. Energy Convers. Manag. 40 (1999) 1543-1553.
• 6. S.-F. Chen, R.A. Mowery, V.A. Castleberry, G.P.V. Walsum, C.K. Chambliss, High performance liquid chromatography method for simultaneous determination of aliphatic acid, aromatic acid and neutral degradation products in biomass pretreatment hydrolysates. J. Chromatogr. A 1104 (2006) 54-61.
• 7. S.M. Davies, R.S. Linforth, S.J. Wilkinson, K.A. Smart, D.J. Cook, Rapid analysis of formic acid, acetic acid, and furfural in pretreated wheat straw hydrolysates and ethanol in a bioethanol fermentation using atmospheric pressure chemical ionisation mass spectrometry. Biotechnol. Biofuels 4 (2011) 28-36.
• 8. S. Schiesel, M. Lämmerhofer, W. Lindner, Multitarget quantitative metabolic profiling of hydrophilic metabolites in fermentation broths of β-lactam antibiotics production by HILIC–ESI–MS/MS. Anal. Bioanal Chem. 396 (2010) 1655-1679.
• 9. Y. Guo, S. Srinivasan, S. Gaiki, Investigating the effect of chromatographic conditions on retention of organic acids in hydrophilic interaction chromatography using a design of experiment. Chromatographia 66 (2007) 223-229.
• 10. C.J. Scarlata, D.A. Hyman, Development and validation of a fast high pressure liquid chromatography method for the analysis of lignocellulosic biomass hydrolysis and fermentation products. J. Chromatogr. A 1217 (2010) 2082-2087.
• 11. T. Soga, M. Imaizumi, Capillary electrophoresis method for the analysis of inorganic anions, organic acids, amino acids, nucleotides, carbohydrates and other anionic compounds. Electrophoresis 16 (2001) 3418-3425.
• 12. M.A. Adams, Z.L. Chen, P. Landman, T.D. Colmer, Simultaneous determination by capillary gas chromatography of organic acids, sugars, and sugar alcohols in plant tissue extracts as their trimethylsilyl derivatives. Anal. Biochem. 266 (1999) 77-84.
• 13. K. Chattopadhyay, A.K. Tiwari, D. Singh, A. Chopra, M.B. Patel, B. Basu, A systematic analytical study on lignocelluloses originated inhibitors in hydrolyzed biomass. Cellulose Chem. Technol. 49 (2015) 81- 85.
• 14. E.M.S.M. Gaspar, J.F. Lopes, Simple gas chromatographic method for furfural analysis. J. Chromatogr. A 1216 (2009) 2762-2767.
• 15. E. Teixidó, F.J. Santos, L. Puignou, M.T. Galceran, Analysis of 5-hydroxymethylfurfural in foods by gas chromatography–mass spectrometry. J. Chromatogr. A 1135 (2006) 85-90.
• 16. L. Senila, M. Miclean, M. Senila, M. Roman, C. Roman, New analysis method of furfural obtained from wood applying an autohydrolysis pretreatment. Rom. Biotech. Lett. 18 (2013) 7947-7955.
• 17. F.D. Faloye, E.B. Gueguim Kana, S. Schmidt; Optimization of hybrid inoculum development techniques for biohydrogen production and preliminary scale up. Int. J. Hydrogen Energy 38 (2013) 11765-11773.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).