Potential Use of Industrial Wastes for Low-cost Production of Single Cell Oils and Analysis of Techno-Economical Feasibility and Environmental Impact

Thesis (Ph.D., Environmental Managemen)--Prince of Songkla University, 2018

Saved in:

Bibliographic Details
Main Author:	Saithip Sae-ngae
Other Authors:	Benjamas Cheirsilp
Format:	Theses and Dissertations
Language:	English
Published:	Prince of Songkla University 2023
Subjects:	Biodiesel fuels industry Biomass energy
Online Access:	http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19033
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Institution:	Prince of Songkhla University
Language:	English

id	th-psu.2016-19033
record_format	dspace
institution	Prince of Songkhla University
building	Khunying Long Athakravi Sunthorn Learning Resources Center
continent	Asia
country	Thailand Thailand
content_provider	Khunying Long Athakravi Sunthorn Learning Resources Center
collection	PSU Knowledge Bank
language	English
topic	Biodiesel fuels industry Biomass energy
spellingShingle	Biodiesel fuels industry Biomass energy Saithip Sae-ngae Potential Use of Industrial Wastes for Low-cost Production of Single Cell Oils and Analysis of Techno-Economical Feasibility and Environmental Impact
description	Thesis (Ph.D., Environmental Managemen)--Prince of Songkla University, 2018
author2	Benjamas Cheirsilp
author_facet	Benjamas Cheirsilp Saithip Sae-ngae
format	Theses and Dissertations
author	Saithip Sae-ngae
author_sort	Saithip Sae-ngae
title	Potential Use of Industrial Wastes for Low-cost Production of Single Cell Oils and Analysis of Techno-Economical Feasibility and Environmental Impact
title_short	Potential Use of Industrial Wastes for Low-cost Production of Single Cell Oils and Analysis of Techno-Economical Feasibility and Environmental Impact
title_full	Potential Use of Industrial Wastes for Low-cost Production of Single Cell Oils and Analysis of Techno-Economical Feasibility and Environmental Impact
title_fullStr	Potential Use of Industrial Wastes for Low-cost Production of Single Cell Oils and Analysis of Techno-Economical Feasibility and Environmental Impact
title_full_unstemmed	Potential Use of Industrial Wastes for Low-cost Production of Single Cell Oils and Analysis of Techno-Economical Feasibility and Environmental Impact
title_sort	potential use of industrial wastes for low-cost production of single cell oils and analysis of techno-economical feasibility and environmental impact
publisher	Prince of Songkla University
publishDate	2023
url	http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19033
_version_	1783957340271149056
spelling	th-psu.2016-190332023-11-13T07:10:52Z Potential Use of Industrial Wastes for Low-cost Production of Single Cell Oils and Analysis of Techno-Economical Feasibility and Environmental Impact การเพิ่มศักยภาพการใช้ประโยชน์วัสดุเศษเหลือโรงงานอุตสาหกรรมเพื่อผลิตน้ำมันเซลล์เดียวต้นทุนต่ำ และการวิเคราะห์ความเป็นไปได้เชิงเศรษฐศาสตร์และผลกระทบต่อส่ิ่งแวดล้อม Saithip Sae-ngae Benjamas Cheirsilp Faculty of Environmental Management (Environmental Management) คณะการจัดการสิ่งแวดล้อม สาขาวิชาการจัดการสิ่งแวดล้อม Biodiesel fuels industry Biomass energy Thesis (Ph.D., Environmental Managemen)--Prince of Songkla University, 2018 This study aimed to evaluate the potential use of agro-industrial wastes for low- cost production of single cell oil. Different types of abundant wastes from soft drinks industry, brewery industry and biodiesel industry were compared. Expired soft drinks (ES) is the waste from soft drinks industry. The sugar compositions in the ES were: fructose (59.80%), glucose (27.46 %) and sucrose (12.73 %), which are good nutrient sources for yeast cultivation. Among oleaginous yeasts tested, Trichosporonoides spathulata JU4-57, Yarrowia lipolytica TISTR 5151 and a red yeast Rhodotorula mucilaginosa G43 could grow on ES and accumulate considerably high lipid content >30%. Brewers' spent grain (BSG) and spent yeast cells (SYC) are solid wastes from malting process and final yeast fermentation, respectively. Both wastes have to be acid hydrolyzed into fermentable sugars before use as nutrient sources for yeast cultivation. The BSG hydrolysate was composed of xylose (45.83±1.53%) and arabinose (32.13±2.3%) from arabinoxylan in hemicellulose and glucose (22.02+0.8%) from cellulose. While main sugars found in the SYC hydrolysate, were mannose (69.57+1.04%) and glucose (31.43+0.38%). All the selected yeasts could grow on BSG and SYC hydrolysate but accumulated low amount of lipids (8-17%) possibly due to the high nitrogen content, which stimulated cell growth rather than lipid accumulation. When cultivated on crude glycerol (CG) from biodiesel industry, only yeast R. mucilaginosa G43 grew well on CG and accumulated lipids >50%. While T. spathulata JU4-57 and Y. lipolytica TISTR 5151 could not grow well and gave relatively low biomass. In addition to lipids, R. mucilaginosa G43 also contained red pigment called carotenoids at 3.78+0.29 mg/g-cell and protein at 16.46±0.17%w/w. It then has high potential not only as single cell oil but also as a source of pigment and protein. Fed-batch fermentation of ES by Y. lipolytica TISTR 5151 was performed. The ES was intermittently added every 24 h to increase the carbon source availability. The lipid content increased up to the maximum level of 40-46% during 24-48 h. Fed-batch fermentation of CG by R. mucilaginosa G43 was also attempted by adding CG every 36 h. However, the fed-batch fermentation of CG did not significantly increase yeast cell growth and lipid production possibly due to the accumulation of inhibitors from CG. From the above experiment, it could be concluded that crude glycerol and R. mucilaginosa G43 are suitable nutrient source and yeast strain for production of single cell oil. As fed-batch fermentation did not increase the lipid production by the yeast, the repeated batch fermentation was then chosen for scaling up in 2 L-bioreactor with 1-L working volume and the culture broth was replaced with the fresh medium at 80% replacement rate every 48 h. Five cycles of batch cultivation were repeated and the fermentation proceeded for 228 h. The yeast could grow and accumulate lipids in four cycles and the highest lipid obtained was 2.52±0.03 g/L. It was of interest that the carotenoid content in the cells from the third cycle was highest at 21.85±0.58 mg/g- cell. The fatty acid compositions of single cell oil are long chain fatty acids with 16-18 carbon atoms which are similar to those of plant oils. It then has potential to be used as biodiesel feedstocks. In addition, this study also performed the techno-economic analysis (TEA) and assessments of environmental impact by greenhouse gas emission (GHG) from bioconversion of each agro-industrial waste into biodiesel. The process included waste preparation, yeast cultivation, harvesting and production of biodiesel via direct transesterification. TEA indicates that CG was the most suitable waste for yeast cultivation and biodiesel production because in 1,000 L production scale CG could give the highest biodiesel 2.02 kg followed by BSG (1.46 kg), SYC (0.68 kg) and ES (0.64 kg). The economic assessment shows the highest production costs involved in the case of SYC (9.34 $/kg-biodiesel) followed by SYG (4.34 $/kg-biodiesel) and ES (4.29 $/kg-biodiesel). While CG requires the lowest production costs of 1.36 $/kg-biodiesel. The highest CO2 emissions are from the case of SYC (52.84 kg CO2-eq) followed by BSG (24.60 kg CO2-eq), ES (21.90 kg CO2-eq) and CG (6.93 kg CO2-eq). The CO2 emissions depend on the steps involved in the process and the yield of biodiesel. As SYC and BSG needed acid hydrolysis step before use and gave low yield of biodiesel, the CO2 emission per 1 kg biodiesel was then higher than those from other wastes. This study has shown the promising approach for cost-effective production of microbial based biofuels and may also contribute to the techno-economic and environmental sustainability of the biofuel industries and the agro-bio industries in Thailand. งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาศักยภาพของวัสดุเศษเหลือโรงงานอุตสาหกรรมในการเพาะเลี้ยงยีสต์นํามาผลิตเป็นน้ํามันเซลล์เดียวที่มีต้นทุนต่ํา โดยศึกษาวัสดุเศษเหลือที่มีปริมาณมากจากอุตสาหกรรม น้ําอัดลม อุตสาหกรรมการผลิตเบียร์ และอุตสาหกรรมการผลิตไบโอดีเซล น้ําอัดลมหมดอายุเป็นของ เสียจากอุตสาหกรรมน้ําอัดลมมีองค์ประกอบหลักของ น้ําตาลฟรักโทส (ร้อยละ 59.80) น้ําตาลกลูโคส (ร้อยละ 27.46) และ น้ําตาลซูโครส (ร้อยละ 12.73) ซึ่งเป็นแหล่งน้ําตาลที่เหมาะสมสําหรับกระ จากการเปรียบเทียบการเจริญและการผลิตไขมันของยีสต์หลายสายพันธุ์ในน้ําอัดลม หมดอายุ พบว่ายีสต์สายพันธุ์ Trichosporonoides spathulata JU4-57, Yarrowia lipolytica TISTR 5151 และยีสต์สีแดง Rhodotorula mucilaginosa G43 สามารถเจริญและสะสมไขมันได้ มากกว่าร้อยละ 30 ของน้ําหนักเซลล์แห้ง สําหรับอุตสาหกรรมผลิตเบียร์มีวัสดุเศษเหลือที่เป็น ของแข็ง 2 ชนิด คือ กากเบียร์ที่ได้จากขั้นตอนแรกของการบ่มข้าวบาร์เลย์หรือข้าวมอลต์ และกาก ยีสต์ที่ได้จากขั้นตอนสุดท้ายของการหมักด้วยยีสต์ ซึ่งทั้งกากเบียร์และกากยีสต์ต้องย่อยด้วยกรดเพื่อ เปลี่ยนเป็นน้ําตาลก่อนใช้เป็นแหล่งสารอาหารในการเพาะเลี้ยงยีสต์ โดยน้ําตาลที่ได้จากการย่อยกาก เบียร์ประกอบด้วย น้ําตาลไซโลส (ร้อยละ 45.83±1.53) และน้ําตาลอะราบิโนส (ร้อยละ 32.13+2.3) จากส่วนที่เป็นไซแลนของเฮมิเซลลูโลส และน้ําตาลกลูโคส (ร้อยละ 22.0±0.8) จากส่วนของเซลลูโลส ส่วนนํ้าตาลที่ได้จากการย่อยกากยีสต์ประกอบด้วย น้ําตาลแมนโนส (ร้อยละ 69.57±1.04) และ น้ําตาลกลูโคส (ร้อยละ 31.43±0.38) ผลการทดลองพบว่ายีสต์ทุกสายพันธุ์สามารถเจริญเติบโตได้ดี ในน้ําย่อยจากกากเบียร์และกากยีสต์ แต่มีการสะสมไขมันต่ําในช่วงร้อยละ 8-17 เนื่องจากในน้ําย่อย มีปริมาณไนโตรเจนสูง ทําให้ยีสต์ใช้แหล่งคาร์บอนในการเจริญมากกว่าใช้ในการสะสมไขมัน สําหรับอุตสาหกรรมการผลิตไบโอดีเซลมีผลพลอยได้ที่เป็นกลีเซอรอลดิบ เมื่อใช้เพาะเลี้ยงยีสต์ทุกสายพันธุ์ พบว่ามีเพียงยีสต์ R. mucilaginosa G43 สามารถเจริญเติบโตและสะสมไขมันได้มากกว่าร้อยละ 50 โดยน้ําหนักเซลล์แห้ง ในขณะที่ยีสต์ T. Spathulata JU4-57 และ Y. lipolytica TISTR 5151 เจริญเติบโตได้น้อยกว่า นอกจากนี้ยังพบว่ายีสต์ R. mucilaginosa G43 ยังสามารถผลิตสารสีแดงที่ เรียกว่าแคโรทีนอยด์ได้เท่ากับ 3.78±0.29 มิลลิกรัมต่อกรัมเซลล์ และมีโปรตีนเป็นองค์ประกอบร้อยละ 16.46±0.17 ดังนั้นยีสต์สายพันธุ์นี้จึงไม่เพียงแต่เป็นน้ํามันเซลล์เดียวได้ แต่ยังสามารถเป็นใช้แหล่งของสารสีและโปรตีนเซลล์เดียวได้อีกด้วย จากการศึกษาการผลิตน้ํามันเซลล์เดียวจากน้ําอัดลมหมดอายุโดยการเพาะเลี้ยงแบบกึ่งกะ ได้เพาะเลี้ยงยีสต์สายพันธุ์ Y. lipolytica TISTR 5151 และเพิ่มปริมาณน้ําตาลระหว่างการเลี้ยงโดย ทําการเติมน้ําอัดลมหมดอายุทุก 24 ชั่วโมง พบว่าการเพาะเลี้ยงแบบกึ่งกะสามารถเพิ่มการสะสม ไขมันได้สูงสุดร้อยละ 40-46 ในช่วงเวลา 24-48 ชั่วโมง และจากการศึกษาการผลิตน้ํามันเซลล์เดียว จากกลีเซอรอลดิบโดยการเพาะเลี้ยงแบบกึ่งกะ ได้เพาะเลี้ยงยีสต์ R. mucilaginosa G43 และเติมกลี เซอรอลดิบระหว่างการเลี้ยงทุก 36 ชั่วโมง พบว่าการเพาะเลี้ยงแบบกึ่งกะไม่ได้สนับสนุนการเจริญ และผลิตไขมันของยีสต์อย่างมีนัยสําคัญ ซึ่งอาจเนื่องมาจากเกิดการสะสมของสารยับยั้งที่อยู่กลีเซอรอลดิบ ดังนั้นสรุปได้ว่ากลีเซอรอลดิบและยีสต์ R. mucilaginosa G43 เป็นแหล่งสารอาหารและ สายพันธุ์ยีสต์ที่เหมาะสมที่ให้การผลิตน้ํามันเซลล์เดียวสูงสุด แต่การเพาะเลี้ยงแบบกึ่งกะไม่มีผลการ ผลิตน้ํามันเพิ่มขึ้น ดังนั้น จึงเลือกการเพาะเลี้ยงแบบกะซ้ําเพื่อขยายขนาดการผลิตในถังหมักปฏิกรณ์ ชีวภาพขนาด 2 ลิตร โดยปริมาตรทํางานจริง 1 ลิตร เปลี่ยนถ่ายอาหารเลี้ยงเชื้อร้อยละ 80 ทุก 48 ชั่วโมง ทําการเพาะเลี้ยงทั้งหมด 5 ครั้ง รวมเป็นระยะเวลาการเพาะเลี้ยงทั้งสิ้นเท่ากับ 228 ชั่วโมง ผลการทดลองพบว่ายีสต์มีการเจริญเติบโตและสะสมไขมันได้ 4 รอบ และสามารถผลิตไขมันได้สูงสุด เท่ากับ 2.52±0.03 กรัมต่อลิตร นอกจากนี้ยังพบว่าสามารถผลิตสารสีแดงที่เรียกว่าแคโรทีนอยด์ได้ สูงสุดในรอบที่ 3 เท่ากับ 21.85±0.58 มิลลิกรัมต่อกรัมเซลล์ และจากการวิเคราะห์องค์ประกอบของ น้ํามันเซลล์เดียวพบว่าส่วนใหญ่เป็นกรดไขมันสายยาวที่มีคาร์บอน 16 และ 18 อะตอม ซึ่งคล้ายคลึง กับองค์ประกอบของน้ํามันพืช จึงมีศักยภาพในการนํามาใช้เป็นวัตถุดิบเพื่อผลิตไบโอดีเซลได้ นอกจากนี้งานวิจัยได้ทําการวิเคราะห์ศักยภาพเชิงเทคนิคเศรษฐศาสตร์ และผลกระทบ ทางด้านสิ่งแวดล้อมของการปลดปล่อยก๊าซเรือนกระจกของกระบวนการผลิตไบโอดีเซลที่ใช้น้ํามันเซลล์เดียวที่เลี้ยงด้วยวัสดุเศษเหลือจากโรงงานอุตสาหกรรมแต่ละประเภท ตั้งแต่ขั้นตอนการเตรียม วัสดุเศษเหลือ การเลี้ยงยีสต์ การเก็บเกี่ยว และการผลิตไบโอดีเซลผ่านกระบวนการทรานส์เอสเทอริฟิ เคชันโดยตรง ผลการวิเคราะห์พบว่ากลีเซอรอลดิบเป็นวัสดุเศษเหลือที่มีศักยภาพมากที่สุดที่จะนํามา เลี้ยงยีสต์และผลิตเป็นไบโอดีเซล เนื่องจากในการผลิตระดับ 1,000 ลิตร การใช้กลีเซอรอลดิบทําให้ สามารถผลิตไบโอดีเซลได้สูงสุดเท่ากับ 2.02 กิโลกรัม รองลงมาคือ กากเบียร์ (1.46 กิโลกรัม), กาก ยีสต์ (0.68 กิโลกรัม) และน้ําอัดลมหมดอายุ (0.64 กิโลกรัม) เมื่อพิจารณาค่าใช้จ่ายตลอด กระบวนการ พบว่าการผลิตไบโอดีเซลโดยใช้กากยีสต์เป็นแหล่งอาหารในการเพาะเลี้ยงยีสต์มี ค่าใช้จ่ายสูงสุดเท่ากับ 9.34 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมไบโอดีเซล รองลงมาคือ กากเบียร์ (4.34 ดอลลาร์ต่อ กิโลกรัมไบโอดีเซล) น้ําอัดลมหมดอายุ (4.29 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมไบโอดีเซล) ในขณะที่การผลิตไบโอดีเซลโดยใช้กลีเซอรอลดิบเป็นแหล่งอาหารในการเพาะเลี้ยงยีสต์มีค่าใช้จ่ายตลอดกระบวนการน้อย ที่สุดเท่ากับ 1.36 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมไบโอดีเซล และพบว่ากระบวนการผลิตไบโอดีเซลจากกากยีสต์ มีค่าการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สูงสุดเท่ากับ 52.84 กิโลกรัมคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่า รองลงมาคือ กากเบียร์ (24.60 กิโลกรัมคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่า) น้ําอัดลมหมดอายุ (21.90 กิโลกรัมคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่า) ในขณะที่กลีเซอรอลดิบมีค่าการปลดปล่อยก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์น้อยสุดมีค่าเท่ากับ 6.93 กิโลกรัมคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่า จะเห็นได้ว่าการ ปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะขึ้นอยู่ขั้นตอนที่ต้องใช้ในการเตรียมวัตถุดิบและผลผลิตไบโอ ดีเซลที่ได้ เนื่องจากกากยีสต์และกากเบียร์ต้องผ่านกระบวนการย่อยก่อนนํามาใช้และการผลิตไบโอดีเซลจากกากยีสต์ได้ผลผลิตต่ํา จึงทําให้มีการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ต่อหน่วยการผลิตไบ โอดีเซลสูงที่สุด งานวิจัยนี้ได้แสดงให้เห็นถึงแนวทางในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพโดยใช้จุลินทรีย์ที่มีต้นทุนต่ํา ซึ่งคาดว่าจะสามารถพัฒนาความยั่งยืนด้านเทคนิค เศรษฐศาสตร์ และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมให้กับอุตสาหกรรมเชื้อเพลิงชีวภาพและอุตสาหกรรมเกษตรและชีวภาพของประเทศไทย 2023-11-13T07:10:51Z 2023-11-13T07:10:51Z 2018 Thesis http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19033 en Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Thailand http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/th/ application/pdf Prince of Songkla University

Potential Use of Industrial Wastes for Low-cost Production of Single Cell Oils and Analysis of Techno-Economical Feasibility and Environmental Impact

Similar Items