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Production de biodiesel à partir d'huiles microbiennes accumulées dans Trichosporon oleaginosus ATCC 20905 cultivées dans un mélange de glycérol brut et des boues d'épuration.

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Chen, Jiaxin (2018). Production de biodiesel à partir d'huiles microbiennes accumulées dans Trichosporon oleaginosus ATCC 20905 cultivées dans un mélange de glycérol brut et des boues d'épuration. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 382 p.

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Résumé

En tant qu'énergie propre et renouvelable, le biodiesel est une alternative prometteuse au diesel. Au cours des dernières décennies, la production de biodiesel augmente rapidement. De nos jours, la production de biodiesel est limitée aux matières premières (huiles végétales et graisses animales). Afin d'augmenter la production de biodiesel, des matières premières alternatives sont nécessaires. La plupart des micro-organismes peuvent stocker des huiles microbiennes (lipides mono-cellulaires) dans les cellules sous forme d'énergie. Certains micro-organismes ont la capacité d'accumuler une très forte teneur en lipides (masse lipidique/masse sèche) et les lipides sont similaires aux huiles végétales. Les chercheurs accordent une grande attention à la production de biodiesel à partir de lipides. Cependant, la production de biodiesel à partir de lipides n'est pas économiquement viable en raison du coût élevé du substrat, de la faible production de lipides, ce qui limite le processus de production de lipides à grande échelle. De plus, la corrélation entre l'utilisation de substrats, la production de biomasse et la production de lipides n'est toujours pas clairement mise en évidence. Dans cette étude, des boues d'épuration et du glycérol brut à faible coût ont été étudiés pour la production de lipides à l'aide de la levure oléagineuse Trichosporon oleaginosus. Le glycérol brut utilisé dans cette étude contenait une teneur élevée en savon (26,80% p/p) mais une faible teneur en glycérol (15,05% p/p), qui était différente des recherches rapportées dans les littératures. Afin de bien comprendre la possibilité d'utiliser ce glycérol brut pour la production de lipides, les expériences ont d'abord été menées dans un milieu synthétique de glycérol brut. Après l'amélioration et le développement des méthodes de production de lipides dans le glycérol brut, des boues d'épuration ont été utilisées (comme milieu de culture) pour remplacer le milieu synthétique. Des expériences ont été conduites dans des boues d'épuration enrichies avec du glycérol brut. Les résultats obtenus à partir des boues d’épuration enrichies avec du glycérol brut ont ensuite été utilisés pour l'étude de l'équilibre énergétique, l'émission de gaz à effet de serre et l'estimation des coûts pour évaluer la faisabilité de la pratique industrielle de la production du biodiesel à partir des lipides en utilisant les méthodes développées dans cette étude. Dans le milieu synthétique de glycérol brut, le rapport C/N optimal, qui était le paramètre le plus important pour la production des teneurs élevées en lipides, a été étudié. Le rapport C/N 45 a été trouvé optimal pour la production de lipides en utilisant T. Oleaginosus, cependant, le rapport C/N 30 montrait une production de lipides comparable. Après l'étude du rapport C/N, l'étude cinétique a été réalisée. Contrairement aux recherches précédentes, la concentration en azote a été jugée critique pour la production élevée et rapide de biomasse, une fermentation «Fed-batch», qui était basée sur l'étude cinétique, a ensuite été effectuée. Une production élevée de biomasse de 43,82 g/L et une production élevée de lipides de 21,87 g/L avec une très forte productivité lipidique de 0,42 g/L/h ont été obtenues lors de la fermentation fed-batch. Le méthanol, qui était le composant principal du glycérol brut, était fatal (à forte concentration) à la croissance cellulaire de la plupart des micro-organismes. La tolérance au méthanol était différente entre les espèces de micro-organismes. T. oleaginosus avait une tolérance au méthanol plus élevée que les contaminants (principalement des bactéries). Ainsi, la concentration de méthanol a été ajustée pour la production des lipides en utilisant T. oleaginosus dans des conditions non stériles. À la concentration de méthanol de 1,4% p/v, la croissance des contaminants a été inhibée et la croissance de T. oleaginosus n'a pas été fortement affectée. La production de lipides à l'aide de T. oleaginosus pouvait être réalisée dans des conditions non stériles avec l'aide d'une concentration de méthanol de 1,4% p/v. Une fermentation discontinue dans des conditions non stériles a été réalisée. Une production de biomasse de 43,39 g/L et une production de lipides de 20,42 g/L ont été obtenues, lesquelles concentrations étaient légèrement inférieures à celles obtenues dans la fermentation stérile. Le savon était le composant secondaire dans le glycérol brut. Il a été constaté que le pH, qui déterminait la concentration de savon dans le milieu, était le paramètre le plus important. Bien que pH 7 ait été optimal pour la croissance de T. oleaginosus dans le milieu YPD, la concentration élevée de savon à pH 7 a inhibé significativement la croissance de T. oleaginosus lorsque du glycérol brut a été utilisé comme milieu de fermentation. pH 5 a été trouvé suffisant pour convertir le savon en acide gras libre afin d'éviter l'inhibition du savon. Une fermentation discontinue basée sur le contrôle du pH, qui pourrait être auto-contrôlée, a été réalisée. La production de biomasse et la production de lipides étaient de 65,63 g/L et de 35,79 g/L, respectivement. Basé sur la loi de la conservation de l'énergie, l'énergie était constante dans un système isolé. Chaque cellule oléagineuse de T. oleaginosus peut être considérée comme un système isolé. Par la suite, un nouveau modèle thermodynamique de production de lipides utilisant T. oleaginosus a été établi. Une nouvelle équation mathématique a été établie, qui était absolument différente du modèle actuel de Lueding-Piret. La corrélation entre l'utilisation des substrats, la production de biomasse et la production de lipides a été redéfinie. Les méthodes et les stratégies, qui ont été réalisées dans le milieu synthétique de glycérol brut, ont ensuite été introduites dans un mélange de la boue avec de glycérol brut. Les résultats ont montré que toutes les méthodes développées dans le milieu de glycérol brut pourraient être parfaitement appliquées dans le mélange de la boue avec de glycérol brut. Le bilan énergétique, les émissions de gaz à effet de serre et l'estimation des coûts ont été étudiés pour évaluer la faisabilité de la production de biodiesel à partir de lipides accumulés par T. oleaginosus cultivé dans le milieu composé de boues et de glycérol brut. L'étude a montré que la production de biodiesel à partir de lipides accumulés par T. oleaginous dans le milieu composé de boues et de glycérol brut était faisable et applicable pour des opérations industrielles.

Abstract

As a clean and renewable energy, biodiesel is a promising alternative to diesel. In the last decades, biodiesel production grows rapidly. Nowadays, the biodiesel production is limited to the available feedstocks (vegetable oils and animal fats). In order to increase the biodiesel production, additional and abundant feedstocks are necessary for biodiesel production. Most of the microorganisms can store microbial oils (also recognized as single cell oils or lipids) in the cells as energy. Some microorganisms have the ability to accumulate very high lipid content (lipid/dry cell mass) and the lipids are found similar to vegetable oils. Researchers pay great attention to produce biodiesel from lipids. However, biodiesel production from lipids is still not economically feasible due to high substrate cost, low lipid production, complicating lipid production and extraction process. In addition, the correlation of substrate utilization, biomass production and lipid production is still unclear. In this study, free cost sewage sludge and low-cost crude glycerol were investigated for lipid production using oleaginous yeast Trichosporon oleaginosus. The crude glycerol used in this study contained high soap content but low glycerol content which was quite different from previous researches done in our lab and reported by others. In order to fully understand the possibility of using this special crude glycerol for lipid production, the experiments were firstly conducted in crude glycerol synthetic medium. After amelioration and development of the lipid production methods in the crude glycerol, sewage sludge was employed to replace the synthetic medium and experiments were conducted in sewage sludge fortified with crude glycerol medium. The results obtained from the culture medium containing sludge and crude glycerol were then used for energy balance, greenhouse gas emission and cost estimation to evaluate the feasibility of industrial practice for the lipid production using the methods developed in this study. In the crude glycerol synthetic medium, the optimal C/N ratio for lipid production was investigated because C/N ratio was the most important parameter for high lipid production. It was found that the C/N ratio of 45 was optimal for lipid production using T. oleaginosus, however, the C/N ratio of 30 showed the comparable lipid production. The results confirmed that low nitrogen content in the culture media favors the accumulation of lipid in T. oleaginosus. Following the C/N ratio investigation, the kinetic study was performed. Different from the previous researches, the nitrogen concentration was found critical for the high and fast biomass production in this study. A fed-batch fermentation was then developed based on the kinetic study, high biomass production of 43.82 g/L and high lipid production of 21.87 g/L with a very high lipid productivity of 0.42 g/L/h were simultaneously achieved in 52 hours of fed-batch fermentation. Methanol, which was the primary component of crude glycerol, was found fatal to the cell growth of most of the microorganisms at a high concentration. The tolerance toward methanol was different among microorganisms. T. oleaginosus had a higher methanol tolerance than the contaminants (mainly bacteria in sludge). Thus, methanol concentration was manipulated to produce lipid using T. oleaginosus in non-sterile conditions. At methanol concentration of 1.4% (w/v), the growth of the contaminants was inhibited and the growth of T. oleaginosus was not highly affected. It was approved that lipid production using T. oleaginosus could be accomplished in non-sterile conditions with the assistance of methanol concentration at 1.4% (w/v). The fed-bath fermentation in non-sterile conditions was performed. Biomass production of 43.39 g/L and lipid production of 20.42 g/L were obtained within 60 hours of the fermentation which were slightly less than those from the sterile fed-batch fermentation. Soap was the secondary component in the crude glycerol. It was found that pH, which determined the soap concentration in the medium, was the most important parameter for high lipid production. Even though pH 7 was optimal for the growth of T. oleaginosus in yeast- peptone -dextrose (YPD) medium; the high soap concentration at pH 7 significantly inhibited the growth of T. oleaginosus when crude glycerol was used as fermentation medium. Therefore, pH 5 was found necessary to convert soap to free fatty acid (FFA) in order to avoid the soap inhibition. A fed-batch fermentation based on pH, which could be auto-controlled, was designed. The biomass production and lipid production were 65.63 g/L and 35.79 g/L, respectively, from the pH based fed-batch fermentation. Based on the law of conservation of energy, the energy was constant, which could only be transformed but neither be generated nor be destroyed, in an isolated system. Accordingly, each oleaginous cell of T. oleaginosus was considered as an isolated system. Thus, the energy in the cell should maintain constantly. Thereafter, a new thermodynamic model of lipid production using T. oleaginosus was established. The new mathematic equation was absolutely different from the current Luedking–Piret model. The correlation of substrate utilization, biomass production and lipid production was redefined. The methods and strategies for high lipid production with the less operational process, which were done in crude glycerol synthetic medium, were then introduced into the sludge fortified with crude glycerol medium. The results showed that all the methods developed in crude glycerol medium had very good applicability in sludge fortified with crude glycerol medium. Energy balance, greenhouse gas emissions, and cost estimation were studied to evaluate the feasibility of biodiesel production from lipid accumulated by T. oleaginosus cultivated in sludge with crude glycerol medium. The study showed that biodiesel production from lipid accumulated by T. oleaginosus in sludge and crude glycerol medium was feasible for industrial practice.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tyagi, Rajeshwar Dayal
Co-directeurs de mémoire/thèse: Drogui, Patrick
Mots-clés libres: biodiesel; Trichosporon oleaginosus; glycerol; boues d'épuration; biotechnologies
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 janv. 2019 15:52
Dernière modification: 07 févr. 2019 16:20
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7673

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