การเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กระดับขยายกำลังผลิตเพื่อผลิตน้ำมันสาหร่ายและไบโอดีเซล

Large-scale microalgae cultivation for algat oil and biodiesel proeuction

Name: ณัฐวุฒิ ยอดสุวรรณ

ThaSH: มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ -- วิทยานิพนธ์. ปร.ด. (เทคโนโลยีชีวภาพ) 2562

Classification :.LCCS: QK568.M52

ThaSH: มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. -- สาขาเทคโนโลยีชีวภาพ -- วิทยานิพนธ์

ThaSH: สาหร่ายขนาดเล็ก

ThaSH: น้ำมันสาหร่าย -- การผลิต

ThaSH: เชื้อเพลิงไบโอดีเซล -- การผลิต

Abstract: การบ่งชี้สายพันธุ์สาหร่ายขนาดเล็ก Chlorella sp. TISTR 8990 ด้วยเทคนิคทางชีวโมเลกุล โดยใช้ลำดับ นิวคลีโอไทด์ 18 เอส อาร์ดีเอ็นเอ เปรียบเทียบกับฐานข้อมูลรหัสพันธุกรรม หรือธนาคารยีน (GenBank) พบความเหมือนกับสาหร่ายชนิดน้ำจืดสายพันธุ์ Chlorella sorokiniana เท่ากับ 99 เปอร์เซ็นต์ การเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็ก C. sorokiniana แบบให้แสงเพื่อศึกษาการเจริญเติบโตและการสะสมไขมันในขวดน้ำดื่มขนาด 1.5 ลิตร ภายในอาคาร พบว่า ภาวะของการเพาะเลี้ยงที่เติมโพแทสเซียมไนเทรตความเข้มข้น 0.45 กรัมต่อลิตร ให้ความเข้มข้นเซลล์สูงสุดเท่ากับ 1.54 กรัมต่อลิตร มีอัตราเชิงปริมาตรและอัตราจำเพาะของการผลิตเซลล์เท่ากับ 5.71 มิลลิกรัมต่อลิตร ชั่วโมง และ 2.7410-2 ต่อชั่วโมง ตามลำดับ ในขณะที่การเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็ก C. sorokiniana ภายใต้ภาวะไม่เติมโพแทสเซียมไนเทรต (ขาดแคลนไนโตรเจน) ให้ปริมาณไขมันสูงสุดเท่ากับ 37.54 เปอร์เซ็นต์ อัตราเชิงปริมาตรและอัตราจำเพาะของการผลิตไขมันเท่ากับ 0.97 มิลลิกรัมต่อลิตร ชั่วโมง และ 2.52 มิลลิกรัมต่อมิลลิกรัม ชั่วโมง ตามลำดับ ดังนั้นภาวะทั้งสองจึงถูกนำมาใช้สำหรับเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กแบบสองขั้นตอน คือ ขั้นตอนการผลิตเซลล์เป็นขั้นตอนแรก และต่อเนื่องด้วยขั้นตอนการสะสมไขมัน นำผลการทดลองที่ได้ไปศึกษาต่อถึงอิทธิพลของโซเดียมคลอไรด์ต่อการสะสมไขมัน ในการเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็ก C. sorokiniana แบบสองขั้นตอน พบว่าการเติมโซเดียมคลอไรด์ 5 กรัมต่อลิตร ร่วมกับภาวะขาดแคลนไนโตรเจน ส่งผลให้เกิดการสะสมไขมันเพิ่มขึ้นถึง 72.4 เปอร์เซ็นต์ โดยปริมาณกรดไขมันอิ่มตัวและกรดไขมันไม่อิ่มตัวชนิดหลายพันธะลดลง เมื่อเทียบกับภาวะขาดแคลนไนโตรเจนเพียงอย่างเดียว และพบว่าคุณสมบัติของไบโอดีเซลที่คำนวณได้จากปริมาณกรดไขมันที่พบในน้ำมันสาหร่ายมีค่าเป็นไปตามเกณฑ์มาตรฐานและไม่แตกต่างกับไบโอดีเซลที่ผลิตได้จากน้ำมันชนิดอื่น นำภาวะการเพาะเลี้ยงสาหร่ายที่เหมาะสมไปขยายขนาดการเพาะเลี้ยงในบ่อเปิดแบบรางคู่ขนาด 200 ลิตร ภายในอาคาร โดยการเพาะเลี้ยงแบบสองขั้นตอน พบว่าในขั้นตอนแรกคือการผลิตเซลล์ สามารถผลิตเซลล์ได้ 0.42 กรัมต่อลิตร และมีปริมาณไขมัน 2.3 เปอร์เซ็นต์ และในขั้นตอนการสะสมไขมัน ที่มีการเติมโซเดียมคลอไรด์ 5 กรัมต่อลิตร ร่วมกับภาวะขาดแคลนไนโตรเจน สามารถเก็บเกี่ยวเซลล์ได้ 0.63 กรัมต่อลิตร และมีปริมาณไขมันสูงถึง 79.4 เปอร์เซ็นต์ นำผลข้อมูลจากการเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กในขวดน้ำดื่มขนาด 1.5 ลิตร และในบ่อเปิดแบบรางคู่ขนาด 200 ลิตร มาเลียนแบบโดยใช้สมการโลจิสติกส์และสมการของ Luedeking–Piret พบว่าสามารถอธิบายการเจริญและการผลิตไขมันในระยะเหนี่ยวนำสะสมไขมันของทั้งสองระบบการเพาะเลี้ยงได้เป็นอย่างดี การหาภาวะที่เหมาะสมของการพรีทรีตเม้นต์สาหร่ายขนาดเล็กโดยวิธีโอห์มมิก ซึ่งออกแบบการทดลองโดยวิธีทะกุจิ ที่ปริมาตรทำงาน 10 มิลลิลิตร ได้ภาวะการพรีทรีตเม้นต์ที่เหมาะสม คือ ความถี่ 5 เฮิร์ซ อุณหภูมิ 70 องศาเซลเซียส อัตราส่วนโดยมวลของสาหร่ายเปียกต่อน้ำ 1 ต่อ 2 และ ระยะเวลาบ่ม 2 นาที จากนั้นนำไปผลิตไบโอดีเซลด้วยวิธีการสกัดไขมันร่วมกับการทำปฏิกิริยาทรานสเอสเทอริฟิเคชันด้วยเอนไซม์ตรึงไลเพส Novozym 435 พบว่าอัตราเร็วเริ่มต้นของการผลิตไบโอดีเซลเท่ากับ 0.995 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร กรัม ชั่วโมง ซึ่งสูงกว่าการผลิตจากเซลล์ที่ไม่ผ่านการพรีทรีตเม้นต์ นอกจากนี้ พบว่าการขยายขนาดการพรีทรีตเม้นต์ในถังปฏิกรณ์ชีวภาพขนาด 1 ลิตรที่มีปริมาตรทำงานเท่ากับ 450 มิลลิลิตร ให้ผลสอดคล้องกับผลการทดลองข้างต้น โดยมีอัตราเร็วเริ่มต้นของการผลิตไบโอดีเซลเท่ากับ 0.922 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร กรัม ชั่วโมง การประเมินผลกระทบสิ่งแวดล้อมตลอดวัฏจักรชีวิตของการเพาะเลี้ยงสาหร่ายขนาดเล็กภายในอาคารพบว่าส่งผลกระทบด้านปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ เนื่องมาจากปริมาณการใช้ไฟฟ้าสูงในระหว่างการเพาะเลี้ยงซึ่งส่งผลต่อต้นทุนการผลิตชีวมวลสาหร่ายที่เพิ่มสูงขึ้นด้วย The microalgae strain, Chlorella sp. TISTR 8990, was identified by the molecular biology technique using 18S rDNA sequence analysis. The comparison with data in GenBank showed 99% identity corresponding to freshwater microalgae named Chlorella sorokiniana. Photoautotrophic cultivation of C. sorokiniana in 1.5-L drinking water bottle was investigated under indoor condition. The results showed an addition of 0.45 g L-1 KNO3 provided the maximal cell concentration (CX,max) of 1.54 g L-1. The volumetric rate (QX) and specific rate (µ) of growth were 5.71 mg L-1 h-1 and 2.7410-2 h-1, respectively. Meanwhile, the cultivation of C. sorokiniana under without KNO3 condition (nitrogen starvation) gave the maximal lipid content, the volumetric rate (QP) and specific rate (qP) of lipid formation of 37.54%, 0.97 mg L-1 h-1 and 2.52 mg mg-1 h-1, respectively. Thus, these two conditions were used for the two-stage cultivation which were biomass production phase at the first step continue with lipid accumulation phase. These results were used to design the further study which was the effect of NaCl on lipid accumulation under the two-stage cultivation of C. sorokiniana. The concentration of NaCl at 5 g L-1 with nitrogen starvation gave high potential of lipid production which was 72.4% lipid content. Interestingly, saturated fatty acids and polyunsaturated fatty acids were reduced comparing with a sole nitrogen starvation condition. In addition, biodiesel properties which was calculated from fatty acids presenting in microalgal oil reached the required minimum specification for biodiesel standard and were not different from biodiesel produced from various types of raw material. The optimal condition of microalgal cultivation was scaled-up into indoor 200-L raceway pond using two-stage cultivation. The first stage (biomass production phase) provided 0.42 g L-1 cell concentration and 2.3% lipid content while the second stage (lipid accumulation phase) which 5 g L-1 NaCl and nitrogen starvation were applied provided 0.63 g L-1 cell concentration and 79.4% lipid content. The data obtained from 1.5-L drinking water bottle and indoor 200-L raceway pond cultivations were simulated using Logistic and Luedeking–Piret equations. The results showed clearly explanation of using these equations to describe the growth and lipid production in lipid accumulation phase in both systems. The ohmic pretreatment at working volume of 10 mL was optimized using an experimental design based on Taguchi method. The optimal condition for ohmic pretreatment was 5 Hz current frequency, 70 oC, 1: 2 mass ratio of biomass to water and incubation time of 2-min. The biodiesel production in extraction-transesterification operation was performed using immobilized lipase, Novozym 435. The initial velocity of biodiesel production was found at 0.995 mg mL-1 g-1 h-1 which was greater than without ohmic pretreatment condition. In addition, the scale-up of pretreatment was performed in 1-L bioreactor (working volume at 450 mL). The results corresponded to the previous experiment and initial velocity of biodiesel production was found at 0.922 mg mL-1 g-1 h-1. Regarding to Life cycle assessment (LCA), it was found that the indoor-microalgal cultivation caused the climate change because of the high consumption of electricity during the cultivation led to the high cost of microalgal biomass production.

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์. สำนักหอสมุด

Address: กรุงเทพมหานคร

Email: tdckulib@ku.ac.th

Name: สาโรจน์ ศิริศันสนียกุล

Role: อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์หลัก

Created: 2562

Modified: 2567-05-28

Issued: 2567-05-28

วิทยานิพนธ์/Thesis

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

URL: https://kasetsart.idm.oclc.org/login?url=https://www.lib.ku.ac.th/KUthesis/2562/natthawut-yod-all.pdf

CallNumber: QK568.M52.ณ113

tha

DegreeName: ปรัชญาดุษฎีบัณฑิต

Level: ปริญญาเอก

Descipline: เทคโนโลยีชีวภาพ

Grantor: มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

©copyrights มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	natthawut-yod-all.pdf	9.41 MB

ใช้เวลา

0.020585 วินาที