การผลิตน้ำมันจุลินทรีย์สำหรับผลิตไบโอดีเซลทางเลือกด้วย Pseudozyma Parantarctica CHC28 โดยใช้กลีเซอรอลดิบจากการผลิตไบโอดีเซลเป็นวัตถุดิบ

Abstract

วัตถุประสงค์ของการศึกษานี้คือการปรับสภาพกลีเซอรอลดิบจากกระบวนการผลิตไบโอดีเซล (Biodiesel-Derived Crude Glycerol, BDCG) ด้วยวิธีการปรับให้เป็นกรด (Acidification) สำหรับการเพาะเลี้ยงยีสต์น้ำมัน Pseudozyma Parantarctica CHC28 การหาสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตน้ำมันของยีสต์ด้วยกระบวนการพื้นผิวตอบสนอง (Response Surface Methodology, RSM) และกระบวนการเพาะเลี้ยงยีสต์ความเข้มข้นสูง (High Cell Density) ด้วยกระบวนการหมักแบบกะซ้ำ (Repeated Batch Fermentation, RBF) เพื่อศึกษาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในการเลียนแบบการผลิตน้ำมันของยีสต์ รวมถึงคุณสมบัติของไบโอดีเซลที่ผลิตจากน้ำมันจุลินทรีย์ ขั้นแรกนำ BDCG จากน้ำมันทอดไก่ที่ผ่านกระบวนการผลิตไบโอดีเซลมาปรับสภาพด้วยวิธีการทางเคมี พบว่ากรดไฮโดรคลอริก (HCL) ที่ค่าความเป็นกรดด่าง 3.5 สามารถทำให้ความเข้มข้นของกลีเซอรอลที่ปรับสภาพแล้ว (Pretreated-BDCG, PT-BDCG) เท่ากับ 467.89 กรัมต่อลิตร ต่อมาทำการศึกษาความเป็นไปได้ของ PT-BDCG ด้วยยีสต์น้ำมัน P. Parantarctica CHC28 เพื่อเป็นแหล่งคาร์บอนในระดับฟลาสก์ พบว่ายีสต์สามารถเจริญเติบโตได้ดีและผลิตน้ำมันได้เท่ากับ 11.10 และ 4.07 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ ระยะเวลาการเพาะเลี้ยง 168 ชั่วโมง การทดลองนี้ชี้ให้เห็นว่าการทำให้เป็นกรดสามารถนำไปใช้ในการกำจัดสิ่งเจือปนใน BDCG ได้ ขั้นถัดมาทำการศึกษาอิทธิพลของปัจจัยทางเคมีและทางกายภาพต่อการเจริญ และการผลิตน้ำมันยีสต์ P. Parantarctica จาก BDCG พบว่าความเข้มข้นกลีเซอรอล ปริมาณโพแทสเซียมไดไฮโดรเจนฟอสเฟต และอุณหภูมิ เป็นปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการเจริญเติบโต และการผลิตน้ำมันจุลินทรีย์ของยีสต์ จากนั้นนำสภาวะที่เหมาะสมมาศึกษาการเพาะเลี้ยงการหมักแบบกะ พบว่าการผลิตชีวมวลยีสต์ การผลิตน้ำมัน และปริมาณน้ำมันที่สะสมภายในเซลล์ เท่ากับ 4.93 กรัมต่อลิตร 1.82 กรัมต่อลิตร และ 36.92 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักชีวมวลแห้ง โดยค่าการทดลองจริง เท่ากับ 5.65 กรัมต่อลิตร 2.06 กรัมต่อลิตร และ 36.70 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักชีวมวลแห้ง ตามลำดับ จากการเพาะเลี้ยง 72 ชั่วโมง นอกจากนี้เมื่อทำการเพาะเลี้ยงในระดับถังหมัก 5 ลิตร ทำให้การผลิตชีวมวลยีสต์ และน้ำมันเพิ่มขึ้นเป็น 16.18 และ 6.60 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ ที่ 168 ชั่วโมง จากนั้นดำเนินการหมักแบบกะซ้ำ (RBF) เพื่อศึกษาประสิทธิภาพการผลิตน้ำมันจาก PT-BDCG พบว่า ชีวมวลยีสต์และการผลิตน้ำมันเท่ากับ 5.64 และ 2.80 กรัมต่อลิตร ตามลำดับ เมื่อถ่ายอาหารออก 90 เปอร์เซ็นต์ของปริมาตรเริ่มต้น ขั้นตอนถัดมาใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อเลียนแบบพฤติกรรมการ เพาะเลี้ยงยีสต์น้ำมัน P. Parantarctica CHC28 สามารถอธิบายการเจริญเติบโต การผลิตน้ำมันและการใช้สารตั้งต้นได้เป็นอย่างประสิทธิภาพ อีกทั้งกรดไขมันที่สำคัญในน้ำมันของยีสต์ประกอบด้วยกรดไขมันชนิด C16 และ C18 ที่มีคุณสมบัติคล้ายกับน้ำมันพืช จากการประเมินคุณสมบัติของไบโอดีเซลที่ผลิตจากน้ำมันยีสต์พบว่ามีคุณสมบัติเป็นไปตามเกณฑ์มาตรฐานน้ำมันไบโอดีเซล ดังนั้น BDCG ซึ่งเป็นวัตถุดิบราคาไม่แพง จึงเป็นวัตถุดิบที่น่าสนใจสำหรับนำมาใช้เป็นแหล่งคาร์บอนในการผลิตน้ำมันจุลินทรีย์ นอกจากนี้น้ำมันจุลินทรีย์ที่ผลิตได้ยังสามารถนำไปใช้เป็นวัตถุดิบทางเลือกสำหรับการผลิตไบโอดีเซลได้

The aims of this study were (1) to pretreat the biodiesel-derived crude glycerol (BDCG) using acidification for cultivating the oleaginous yeast Pseudozyma Parantarctica CHC28, (2) to investigate an optimum of microbial oil production by response surface methodology (RSM) and the microbial oil production with high cell density cultivation by repeated batch fermentation (RBF), and (3) to study the kinetic modelling of microbial oil production by oleaginous yeast and properties of biodiesel produced by microbial oil. Firstly, the BDCG was chemically pretreated to remove the impurities. It was found that hydrochloric acid (HCL) with the pH level of 3.5 made the glycerol concentration in pretreated biodiesel-derived crude glycerol (PT-BDCG) obtain at 467.89 g/L under this condition. Then, the feasibility of using the PT-BDCG as a carbon source of P. Parantarctica CHC28 was evaluated in a flask scale. The results presented that the oleaginous yeast could grow well and produce the biomass and microbial oil for 11.10 g/L and 4.07 g/L, respectively at 168 HRS of cultivation. This experiment showed that the acidification process could be used for the practical removal of impurities in BDCG. Secondly, the chemical and physical factors affecting the growth and the production of microbial oil P. Parantarctica CHC28 from BDCG by using RSM was studied. It was revealed that the glycerol concentration, KH2PO4, and temperature were the important factors affecting the growth and the production of microbial oil of yeast. The optimum condition of microbial oil production from PT-BDCG was investigated in batch fermentation. It was found that the maximum biomass, oil concentration, and oil content were at 4.93 g/L, 1.82 g/L, and 36.92% w/w (The actual experimental values equaled 5.65 g/L, 2.06 g/L, and 36.70% w/w of biomass dry weight), respectively, at 72 HRS in a flask scale. Moreover, the biomass and oil concentration were increased to 16.18 g/L and 6.60 g/L, respectively in 5L bioreactor (at 168 HRS). The 4-cycles repeated batch fermentation was conducted. Some parts of the cultivated medium were decanted and refilled with the same volume of the new medium into the fermentation flask. The result demonstrated that total biomass and oil production were 5.64 and 2.80 g/L, respectively at a drained volume of 90% v/v. Finally, the kinematic model was applied to simulate microbial cultivation behavior. The model could describe the growth, microbial oil production, and reactant consumption effectively. In addition, the major fatty acids (FAs) in microbial oil of oleaginous yeast P. Parantarctica CHC28 consisted of C16 and C18 which were similar to FAs profile in vegetable oil. The biodiesel properties related to FAs profile of microbial oil from yeast were in line with the biodiesel ASTM standard. In conclusion, the BDCG is an interesting inexpensive raw material used as a carbon source to produce microbial oil. Furthermore, the produced microbial oil can be possibly utilized as an alternative feedstock for biodiesel production.