H2産生の在来細菌を使用したショ糖とキシロースからの暗いH2発酵：実現可能性と動態研究

セルロース材料は、バイオエネルギー生産に使用されるバイオマス原料の主要な成分です。セルロース物質の加水分解生成物は、主にヘキソース（例：グルコース）とペントース（例えば、キシロース）で構成されています。この研究では、ショ糖（ヘキソースを表す）とH2へのキシロースの発酵変換の効率を、最近の研究で高速H2産生システムから分離した7つのH2産生純粋な株で調べました。分離株は、クロストリジウムbutyricum（株CGS2およびCGS5）、クロストリジウムパスツール（株CH1、CH4、CH5、およびCH7）、およびKlebsiella spとして同定されました。バッチH2発酵は、Clのみを示しています。ButyricumとKlebsiella sp。株はH2産生にキシロースを利用することができますが、それらはすべて成長し、スクロースでH2を生成できます。調べたすべての株の中で、cl。Butyricum CGS5は、最も高いH2産生率と212.5 ml/h/Lと0.73 mol H2/molキシロースの収量で、キシロースで最高のH2生産者であり、20 g COD/Lのキシロースで行われました。対照的に、cl。Pasteurianum CH4は、スクロースをH2に変換するのに最も効率的でした。最高のH2産生速度（569 ml/h/l）および収率（2.07 mol H2/molヘキソース）は、40 g COD/Lのショ糖濃度で得られました。H2産生分離株の基質優先性は、バイオリアクターに存在する細菌群集構造と一致しており、Cl。butyricumとcl。パスツリアンは、それぞれキシロースとスクロースで成長した培養で優勢でした。使用された炭素基質に関係なく、酪酸と酢酸は主要な可溶性代謝物でした。シェイクフラスコ培養は、静的な培養よりも高いH2生産性を示し、H2生産のための効率的な物質移動の重要性を示しています。細胞成長とH2産生の炭素基質濃度への依存性は、提案された運動モデルによって、良好な一致を伴うもので説明できます。

Cellulosic materials are the major components in biomass feedstock used for bioenergy production. Hydrolytic products of cellulosic substances consist primarily of hexose (e.g., glucose) and pentose (e.g., xylose). In this study, the efficiency of fermentative conversion of sucrose (representing hexose) and xylose into H2 was examined with seven H2-producing pure strains isolated from a high-rate H2-producing system in our recent work. The isolates were identified as Clostridium butyricum (strains CGS2 and CGS5), Clostridium pasteurianum (strains CH1, CH4, CH5, and CH7), and Klebsiella sp. Batch H2 fermentation shows that only Cl. butyricum and Klebsiella sp. strains could utilize xylose for H2 production, while all of them can grow and produce H2 on sucrose. Among all strains examined, Cl. butyricum CGS5 was the best H2 producer on xylose with the highest H2 production rate and yield of 212.5 ml/h/l and 0.73 mol H2/mol xylose, respectively, taking place at 20 g COD/l of xylose. In contrast, Cl. pasteurianum CH4 was most efficient in converting sucrose to H2; the highest H2 production rate (569 ml/h/l) and yield (2.07 mol H2/mol hexose) were obtained at a sucrose concentration of 40 g COD/l. The substrate preference of the H2-producing isolates was consistent with the bacterial community structure that existed in the bioreactor, showing that Cl. butyricum and Cl. pasteurianum were predominant in the cultures grown on xylose and sucrose, respectively. Irrespective of the carbon substrate used, butyrate and acetate were the predominant soluble metabolites. Shake-flask cultures displayed higher H2 productivity over static ones, indicating the importance of efficient mass transfer for H2 production. The dependence of cell growth and H2 production on carbon substrate concentration could be described by the proposed kinetic models with good agreements.