Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/9466
Title: Kinetic study of biomass growth and lipid synthesis of the microalga Chlorella vulgaris under heterotrophic conditions and energy valorization of the produced biomass
Other Titles: Κινητική μελέτη της ανάπτυξης και της λιπιδιακής σύνθεσης του μικροφύκους Chlorella vulgaris υπό ετερότροφες συνθήκες και ενεργειακή αξιοποίηση της παραγόμενης βιομάζας
Authors: Σακαρίκα, Μυρσίνη
Keywords: Microalgae
Lipid synthesis
Biomass growth
Heterotrophic conditions
Energy valorization
Chlorella vulgaris
Keywords (translated): Μικροφύκη
Λιπιδική σύνθεση
Παραγωγή βιομάζας
Ετερότροφες συνθήκες
Abstract: The present study focuses on the kinetic study of biomass growth and lipid synthesis of the microalga C. vulgaris under heterotrophic conditions in addition to the energy valorization of the produced biomass. The main reason of this strain attracting so much attention is that it constitutes a versatile microorganism. It has the ability to grow fast, in various kinds of media and wastewaters, on extreme conditions such as extreme pH values and temperatures and tolerate the presence of toxic compounds. Moreover, it accumulates intracellular lipids resulting in high lipid content, the composition of which is suitable for biodiesel production. The goal of the first set of experiments was to investigate the pH range that can support the growth of C. vulgaris, and, more specifically, to identify the optimal pH for the microalga’s growth, under heterotrophic conditions. Furthermore, the effect of pH on accumulation of intracellular lipids was studied. A wide range of pH values was tested using buffer solutions. The optimal pH for biomass growth and lipid accumulation under sulfur starvation was found to be 7.5, resulting in the maximum specific growth rate of 0.541 days-1 and the maximum total lipid content of 53.43% g gDW-1. The aim of the second set of experiments was to determine the effect of starvation from different nutrients (S, P and N) on biomass growth and lipid accumulation of C. vulgaris. The potential differences in the effect of nutrient starvation could affect the selection of the most appropriate wastewater mixture for microalgal cultivation, as in many cases, in a realistic application of wastewater treatment using microalgae the mixture of various wastewaters is used as a substrate. The nutrient starvation that had the most significant effect on lipid accumulation was that of sulfur. Moreover, the use of Volatile Fatty Acids as potential carbon sources for C. vulgaris was investigated. VFAs are metabolic products, intermediate or final, of many processes, such as anaerobic digestion, dark fermentation and acidogenesis. The goal was to identify the VFAs that can be used as carbon sources by C. vulgaris, individually or in a combination with glucose, grown without the presence of light. The VFAs tested were acetic, propionic, butyric and isobutyric acid. C. vulgaris failed to grow on propionic, butyric and isobutyric acid as sole carbon sources. However it was able to grow on acetic acid, resulting in a maximum specific growth rate of 0.429 days-1. Moreover, the combination of the VFAs mentioned above in addition to glucose was used as carbon source, simulating the case in which the produced effluent streams of these processes contain VFAs in addition to other organic compounds. The microalga was again unable to assimilate propionic, butyric and isobutyric acid. The maximum specific growth rate obtained from the assimilation of glucose and acetic acid was 0.534 days-1. In the following part of the present study, phenolic compounds were tested as potential carbon sources for the microalga. Before carrying out the experiments with different phenols used individually as sole carbon source, an acclimation stage took place. The phenolic compounds tested as potential carbon sources for C. vulgaris were vanillic, ferulic, syringic, gallic, p-hydroxybenzoic acid and catechol, in a concentration of 0.5 g L-1. Catechol inhibited the growth of the microalga from the second stage of the acclimation process, in a concentration of 100 mg L-1, verifying the highly toxic effect of the specific phenolic compound. C. vulgaris failed to grow on vanillic, ferulic and p-hydroxybenzoic acid as sole carbon sources in a cultivation period of 15 days. However, gallic and syringic acid were degraded by C. vulgaris in the respective experiments, resulting in low μmax (0.063 and 0.103 days-1 respectively). The biotreatment of Olive Mill Wastewater using C. vulgaris was subsequently investigated. OMW is a wastewater with complex composition with the most distinctive features being the high concentration of phenolic compounds, and the low nitrogen content, all present in the form of organic nitrogen, which make OMW a non-easily degradable substrate for microalgae. The microalga was unable to grow on OMW, even after the regulation of pH at the optimal value and the addition of a sulfur and nitrogen source. However, the growth of the microalga in a medium containing 10% v v-1 OMW supplemented with glucose and BG-11 broth showed that it can tolerate the phenols present (in a concentration of approximately 0.5 g L-1), and that the inhibiting factor in OMW is the lack of nutrient bioavailability. The next part of the present study concerns the energy valorization of the produced C. vulgaris biomass. Biodiesel production from microalgal biomass apart from harvesting and drying also requires the additional steps of transesterification and purification. These steps augment the cost of biofuel production, thus making it an economically unviable solution. In an effort to explore the potentials of microalgal biomass exploitation, the energy valorization of C. vulgaris biomass through direct combustion and anaerobic digestion were also investigated. The specific calorific value of C. vulgaris dry biomass was found to be 24,525 ± 182 kJ kg-1 or 5,861 ± 44 kcal kg-1. The methane potential of C. vulgaris biomass was evaluated by conducting BMP assays in mesophilic and thermophilic conditions, with and without pretreatment (ultrasonication). The maximum yield was obtained in mesophilic conditions without pretreatment, presenting the value of 389.07 ml gVS-1added. Finally, by comparing the energy valorization methods, the highest energy productivity (20.331 kJ Lreactor-1 day-1) was obtained from the direct combustion of C. vulgaris biomass. Last but not least, the modeling of the behavior of C. vulgaris in pH 7.5 under sulfur stress took place, resulting in satisfying data fitting and parameter estimation.
Abstract (translated): Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εστιάζει στην κινητική μελέτη ανάπτυξης και λιπιδιακής σύνθεσης του μικροφύκους C. vulgaris, υπό ετερότροφες συνθήκες, και την ενεργειακή αξιοποίηση της παραγόμενης βιομάζας. Ο βασικός λόγος για τον οποίο το στέλεχος αυτό έχει κεντρίσει το επιστημονικό ενδιαφέρον είναι ότι πρόκειται για έναν ευπροσάρμοστο μικροοργανισμό. Έχει την ικανότητα να αναπτύσσεται με γρήγορο ρυθμό, σε διαφόρων ειδών θρεπτικά μέσα και υγρά απόβλητα, σε ακραίες συνθήκες pH και θερμοκρασίας καθώς επίσης μπορεί να ανεχτεί την παρουσία τοξικών συστατικών. Επιπρόσθετα, συσσωρεύει ενδοκυτταρικά λιπίδια καταλήγοντας σε υψηλό λιπιδιακό περιεχόμενο, η σύσταση του οποίου είναι κατάλληλη για παραγωγή βιοντίζελ. Ο στόχος του πρώτου σετ πειραμάτων ήταν η διερεύνηση του εύρους pH στο οποίο μπορεί να αναπτυχθεί το μικροφύκος C. vulgaris, καθώς και ο προσδιορισμός της βέλτιστης τιμής pH για την ανάπτυξη του συγκεκριμένου στελέχους. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση του pH στη συσσώρευση ενδοκυτταρικών λιπιδίων. Ένα ευρύ φάσμα τιμών pH δοκιμάστηκε, χρησιμοποιώντας τα αντίστοιχα ρυθμιστικά διαλύματα. Η βέλτιστη τιμή pH τόσο για την ανάπτυξη βιομάζας όσο και για τη συσσώρευση λιπιδίων βρέθηκε να είναι 7.5, καταλήγοντας σε μέγιστο ειδικό ρυθμό ανάπτυξης 0.541 days-1 και μέγιστο συνολικό λιπιδιακό περιεχόμενο 53.43% g gDW-1. Το δεύτερο σετ πειραμάτων αφορούσε τη διερεύνηση της επίδρασης της στέρησης διαφόρων θρεπτικών συστατικών (S, P και N) στην ανάπτυξη της βιομάζας και τη λιπιδιακή σύνθεση του συγκεκριμένου μικροφύκους. Οι εν δυνάμει διαφορές στην επίδραση της στέρησης των συστατικών αυτών μπορούν να αποτελέσουν κριτήριο για την επιλογή του κατάλληλου μίγματος υγρών αποβλήτων που θα υποστεί επεξεργασία με τη χρήση του συγκεκριμένου μικροφύκους. Το συστατικό του οποίου η στέρηση είχε τη σημαντικότερη επίδραση στη συσσώρευση ενδοκυτταρικών λιπιδίων ήταν το θείο. Στη συνέχεια μελετήθηκε η χρήση Πτητικών Λιπαρών Οξέων (VFAs) ως πιθανές πηγές άνθρακα. Τα VFAs είναι μεταβολικά προϊόντα, ενδιάμεσα ή τελικά, διαφόρων ζυμωτικών διεργασιών. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο στόχος ήταν η διερεύνηση των VFAs που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγές άνθρακα από το συγκεκριμένο μικροφύκος υπό ετερότροφες συνθήκες. Τα VFAs που δοκιμάστηκαν ήταν τα οξικό, προπιονικό, βουτυρικό και ισοβουτυρικό οξύ. Παρόλο που το μικροφύκος C. vulgaris δεν κατάφερε να αναπτυχθεί σε μέσο με μόνη πηγή άνθρακα τα οξέα προπιονικό, βουτυρικό και ισοβουτυρικό, ήταν ικανό να αποδομήσει το οξικό οξύ όπου παρουσίασε ειδικό ρυθμό ανάπτυξης 0.429 days-1. Επιπρόσθετα, χρησιμοποιήθηκε σαν πηγή άνθρακα ο συνδυασμός των οξέων που προαναφέρθηκαν με προσθήκη γλυκόζης, προσομοιώνοντας την περίπτωση όπου οι βιολογικές διεργασίες που έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή VFAs να υπολειτουργούν και τα ρεύματα εξόδου να περιέχουν, εκτός από οξέα, και άλλα οργανικά συστατικά. Και στην περίπτωση αυτή, το συγκεκριμένο μικροφύκος δεν αποδόμησε τα οξέα προπιονικό, βουτυρικό και ισοβουτυρικό. Ωστόσο, ο μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης που παρατηρήθηκε από την αποδόμηση του οξικού οξέος και της γλυκόζης ήταν 0.534 days-1. Στο επόμενο κομμάτι της παρούσας εργασίας, φαινολικές ενώσεις δοκιμάστηκαν ως πιθανές πηγές άνθρακα. Πριν από τη διεξαγωγή των συγκεκριμένων πειραμάτων έλαβε χώρα η διαδικασία του εγκλιματισμού. Οι φαινολικές ενώσεις που δοκιμάστηκαν ήταν τα βανιλλικό, συριγγικό, φερουλικό, γαλλικό, p-υδροξυβενζοϊκό οξύ και η κατεχόλη σε συγκέντρωση 0.5 g L-1. Η κατεχόλη παρεμπόδισε την ανάπτυξη του μικροφύκους κατά τη διαδικασία του εγκλιματισμού, σε συγκέντρωση 100 mg L-1, επιβεβαιώνοντας την ισχυρά τοξική επίδραση της φαινολικής αυτής ουσίας. Το μικροφύκος δεν ήταν ικανό να αναπτυχθεί σε θρεπτικό μέσο που είχε σαν μόνη πηγή άνθρακα τις φαινολικές ουσίες βανιλικό, φερουλικό και p-υδροξυβενζοϊκό οξύ σε χρονικό διάστημα 15 ημερών. Τα οξέα γαλλικό και συριγγικό αποδομήθηκαν από το μικροφύκος, καταλήγοντας όμως σε μικρό ειδικό ρυθμό ανάπτυξης (0.063 και 0.103 days-1). Στη συνέχεια ερευνήθηκε η επεξεργασία υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου (OMW) με τη χρήση του μικροφύκους C. vulgaris. Το OMW είναι ένα πολυσύνθετο απόβλητο με τα πιο βασικά χαρακτηριστικά του να είναι η υψηλή συγκέντρωση φαινολικών ουσιών και το χαμηλό περιεχόμενό του σε άζωτο, το οποίο βρίσκεται σε μορφή οργανικού αζώτου, χαρακτηριστικά που το μετατρέπουν σε δύσκολα αποδομήσιμο υπόστρωμα για μικροφύκη. Το μικροφύκος δεν αναπτύχθηκε στο OMW, ακόμα και μετά τη ρύθμιση του pH στη βέλτιστη τιμή και την προσθήκη πηγής θείου και αζώτου. Ωστόσο, η ανάπτυξη του μικροφύκους σε μέσο αποτελούμενο από 10% v v-1 OMW, γλυκόζη και BG-11 θρεπτικό μέσο υπέδειξε ότι μπορεί να ανεχθεί τις υπάρχουσες φαινόλες (σε συγκέντρωση 0.5 g L-1), καθώς και ότι ο παρεμποδιστικός παράγοντας στο OMW είναι η χαμηλή βιοδιαθεσιμότητα θρεπτικών συστατικών. Το επόμενο κομμάτι της παρούσας εργασίας αφορά την ενεργειακή αξιοποίηση της παραγόμενης βιομάζας. Η παραγωγή βιοντίζελ από μικροφύκη, εκτός από τη συλλογή και ξήρανση της βιομάζας επίσης απαιτεί τα επιπρόσθετα βήματα της τρανσεστεροποίησης και του καθαρισμού του παραγόμενου βιοντίζελ. Οι διεργασίες αυτές αυξάνουν το κόστος της παραγωγής βιοντίζελ και το καθιστούν μη-βιώσιμη επιλογή. Στην προσπάθεια εύρεσης των τρόπων ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας, έλαβαν χώρα η μέτρηση της θερμογόνου δύναμης μέσω της καύσης και η αξιολόγηση του Βιοχημικά Μεθανογόνου Δυναμικού. Η θερμογόνος δύναμη της παραγόμενης βιομάζας βρέθηκε ίση με 24,525 ± 182 kJ kg-1 ή 5,861 ± 44 kcal kg-1. Το μεθανογόνο δυναμικό της βιομάζας αξιολογήθηκε μέσω της διεξαγωγής BMP τεστ σε μεσόφιλες και θερμόφιλες συνθήκες, χωρίς και με προεπεξεργασία (χρήση υπερήχων). Η μέγιστη απόδοση παρατηρήθηκε στις μεσόφιλες συνθήκες χωρίς προεπεξεργασία, παρουσιάζοντας την τιμή 389.07 ml gVS-1added. Συγκρίνοντας τις μεθόδους ενεργειακής αξιοποίησης, η μέγιστη ενεργειακή παραγωγικότητα (20.331 kJ Lreactor-1 day-1) λήφθηκε μέσω της απευθείας καύσης της βιομάζας. Τέλος, έλαβε χώρα η μαθηματική μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του μικροφύκους σε pH 7.5 υπό συνθήκες περιορισμού θείου, η οποία είχε ως αποτέλεσμα την ικανοποιητική προσαρμογή του μοντέλου στις πειραματικές τιμές και τον υπολογισμό των κινητικών του παραμέτρων.
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Master Thesis - Myrsini Sakarika.pdf4.49 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.