Trước đây, bột bắp, bột mì và mật rỉ là những cơ chất phổ biến cho lên men thương mại, giá của butanol cao do phụ thuộc vào giá cao của nguồn nguyên liệu [35], [47]. Do giá thành cao nên lên men ABE từ những cơ chất này khơng cĩ tính khả thi về mặt kinh tế, các polysaccharide như cellulose, xylan, tinh bột, pectin được phân bố rộng rãi trong sinh khối thực vật và cĩ thể là những cơ chất quan trọng cho Clostridium trong tự nhiên. Clostridium cĩ khả năng chuyển hĩa cơ chất trong phạm vi khá rộng, bao gồm các loại đường từ các monosaccharide đến disaccharide như glucose, xylose, cellobiose và các phân tử polyme lớn như xylan hay tinh bột. Ngày nay, người ta chú ý đến nguồn phế thải trong nơng nghiệp như rơm rạ khơ, chất xơ từ xác thực vật (cĩ chứa cellulose, lignocellulose, hemicellulose) làm nguồn cơ chất sản xuất dung mơi với giá rẻ, mang lại nhiều lợi ích cho nhà sản xuất cũng như phục vụ cho nhu cầu của người tiêu dùng ngày càng cao [14], [20].
Clostridium thủy phân cellulose cĩ thể được phân lập từ các mơi trường đa
dạng bao gồm đất, bùn, phân động vật ăn cỏ và xác bã thực vật đang phân hủy ở nhiều vùng và nhiều khu vực khác nhau. Thêm vào đĩ, những vi sinh này cĩ thể phân lập được từ ruột của các lồi động vật ăn cỏ, nước thải, phân compost và ruột của các lồi động vật ăn cỏ, các lồi động vật ăn gỗ như mối… (Bảng 2.1). Các lồi Clostridium sp. cĩ khả năng thủy phân cellulose thuộc nhĩm vi khuẩn cĩ khả năng phân hủy các polysaccharide và cĩ khả năng phát triển nhanh trong mơi trường cĩ sự tích lũy của xác bã thực vật. Sử dụng kính hiển vi quang học để quan sát cellulose đang bị phân hủy trong mơi trường nuơi cấy Clostridium
thường ta sẽ thấy cĩ những tế bào cĩ khả năng di động được như kiểu bơi trong mơi trường lỏng, các tế bào quấn vào trong sợi cellulose hoặc bám vào một đầu của sợi cellulose. Ngồi ra, các lồi Clostridium sp. thủy phân cellulose cĩ thể tạo màng trên cơ chất khơng tan, cellulose được tìm thấy trong thành tế bào thực vật, là những chuỗi nối tiếp song song ?-1,4-glucoside. Sự th?y phân cellulose tinh thể phụ thuộc vào hoạt động phối hợp của hai loại enzyme cellulose: ?-1,4 - endoglucanase cắt các chuỗi một cách ngẫu nhiên và ?-1,4-exoglucanase (cellobiohydrolases) biến đổi các đơn vị cellobiose từ đầu khơng khử [22].
Bảng 2.1 Clostridium thủy phân cellulose và sản phẩm tương ứng [22]
Tất cả các chủng kiểm tra đều sinh CO2 và H2 trong quá trình lên men cellulose. Sản phẩm được liệt kê theo trật tự sản phẩm trội hơn
Ký hiệu: A, acetate; B, butyrate; E, ethanol; F, formateL, lactate; (v), vết.
Xylan là một polyme nhánh, chủ yếu là ?-1,4-xylose nhưng cũng chứa
những thành phần khác như arabinose, glucose, galactose và glucuronate, nĩ là thành phần chính của hemicellulose, cấu thành gần 30% khối lượng thành tế bào th?c vật. Xylan được phân hủy bởi hoạt động phối hợp của endoxylanase và ?-
Loài Nguồn phân lập Nhiệt độ tối ưu (o
C) Sản phẩm lên men Clostridium chartatabidum Dạ cỏ 38–42 A, B, E “Clostridium longisporum” Dạ cỏ 35–42 F, B, A, E Clostridium cellobioparum Dạ cỏ 30–37 A, E, F, L Clostridium cellulolyticum Cỏ ủ 32–35 A, E, L, F Clostridium hungatei Đất 30–40 A, E, L, F
Clostridium stercorarium Phân compost 65 A, E, L
Clostridium cellulosi Phân compost 55–60 A, E
Clostridium thermocopriae động vật, suối nướcĐất, compost, phân
nóng 60 E, A, B, L
Clostridium herbivorans Ruột heo 39–42 B, F, E
C.polysaccharolyticum Dạ cỏ 30–38 F, B, E(v)
xylosidase. Một số lồi Clostridium sp. cĩ khả năng tổng hợp enzyme xylanase. Hệ cellulosome của C. thermocellum chứa xylanase nhưng khơng cĩ hoạt tính ? - xylosidase vai trị sinh lý của xylanase cĩ thể làm gia tăng sự ảnh hưởng của cellulose đến những enzyme phân giải trong hệ cellulosome [22].
Hình 2.5: C. beijerinckii sLM01 hoạt động thủy phân cellulose [34].
Tinh bột là một polyme rẻ và phong phú với hai thành phần: amylose và amylopectin. Sự thủy phân được thực hiện bằng enzyme ?-amylase và ?- amylase, trong khi những nối ?-1,6 trong amylopectin được thủy phân bởi enzyme pullulanase, hoạt động phối hợp của pullulanase và amylase đã được chứng minh và những chủng vi khuẩn cĩ khả năng thủy phân loại này là C. thermohydrosulfuricum và C. thermosulfurogenes.