Développement d'un procédé en aval pour la production de biodiesel en utilisant la biomasse de levure oléagineuse et la boue municipale.

Yellapu, Sravan Kumar (2018). Développement d'un procédé en aval pour la production de biodiesel en utilisant la biomasse de levure oléagineuse et la boue municipale. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 298 p.

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Résumé

La production de biodiesel a attiré l’attention au cours des dernières décennies. Grâce à une réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES), les biodiesels peuvent désormais compétitionner avec les sources de carburants à base de pétrole. Actuellement, de manière globale, les usines de production de biodiesel utilisent de l’huile végétale (comestible et non-comestible) et des graisses animales comme matière première. Par contre, ces usines cherchent des alternatives à plus faible coût pour remplacer ces matières. La production de lipides par des microorganismes oléagineux est une approche intéressante pour les chercheurs et les producteurs de biodiésel. Par contre, la production du biodiésel à partir de lipides demeure économiquement impraticable due au coût élevé de la matière première et des différentes étapes de production telles que la récolte des microorganismes, le séchage de la biomasse, la perturbation des parois cellulaires, l’utilisation de solvants organiques pour l’extraction lipidique, la transestérification et la purification. Dans cette étude, des matières destinées à l’enfouissement telles que de l’écume (usine d’épuration) et des boues primaires et secondaires ont été étudiées pour en extraire de l’huile. Due à la présence de seulement 30% m/m d’huile dans l’écume, les levures oléagineuses cultivées en présence de glycérol brut (Yarrowia lipolytica et Trichosporon aleaginous) ont été identifiées comme une meilleure alternative puisqu’elles croissent rapidement et qu’elles peuvent atteindre des concentrations de 80 g/L de biomasse avec 50 à 80% m/m de lipides. Par contre, la barrière technologique pour la production de biodiésel à partir de microorganismes oléagineux est le procédé de d’extraction et de purification. Donc, la récolte de biomasse s’est effectuée par la technologie de floculation avec l’utilisation de polymères extracellulaires (PEC) produit par fermentation des biosolides municipaux. Ensuite, une nouvelle approche de perturbation de la membrane cellulaire en milieu humide et de nouveaux solvants tels que le diésel conventionnel ont été étudiés dans le cadre de cette étude. Les lipides ainsi récupérés dans le diésel ont été trans-estérifiés en biodiésel sans évaporation du solvant. Une recherche rigoureuse a été menée et les matières premières de 3e génération à haut contenu lipidique tel que les levures oléagineuses ont démontré un potentiel intéressant pour une production profitable de biodiésel. Par contre, le procédé d’extraction et de purification demeure le principal défi pour la production de biodiésel à partir de levures. Dans un premier temps, le problème de la récolte des levures a été exploré. Dans cette recherche, un nouveau procédé de récolte de la biomasse oléagineuse (Yarrowia lipolytica) par floculation suivi d’une perturbation des parois cellulaires et de l’extraction des lipides avec du diésel conventionnel comme solvant a été développé. L’alun et le chlorure de calcium comme coagulants avec des PES comme floculant ont été évalués pour la précipitation de biomasse oléagineuse. Les meilleures performances de floculation avec le chlorure de calcium (36 mM) combiné avec des PES (5.85 mg EPS/g biomass) et l’alum (1.2 mM) avec des PES (18 mg PES/g biomasse) ont été de 74.3 % et 79%, avec des vitesses de décantation de 2.93 et 1.46 mm/s, respectivement. La concentration finale de biomasse obtenue dans le précipité était de 166 g/L. Dans le cadre de cette étude, afin de réduire les coûts du précédé, la perturbation des parois cellulaires a été réalisée sur de la biomasse humide en utilisant une extraction assistée au détergent plutôt que de faire de l’extraction sur de la biomasse sèche comme le procédé conventionnel. La méthode des surfaces de réponse (MSR) a été utilisée pour évaluer l’effet de 3 principaux paramètres (concentration de N-LS, le temps et la température) sur l’efficacité d’extraction (% w/w). Les résultats obtenus à partir de l’analyse statistique indiquent que le model quadratique s’applique dans chacun des cas. Une récupération maximum de 95.3 ± 0.3% w/w de lipides a été obtenue dans les conditions suivantes : 24.4 mg de N-LS (équivalent à 48 mg N-LS/g biomasse sèche), 8.8 min de traitement, à 30.2°C. L’étude confirme que les le traitement de la biomasse des levures oléagineuses avec le N-LS est une alternative prometteuse pour la perturbation des parois cellulaires. Par conséquent, une étude plus approfondie a été menée et après perturbation des parois cellulaires à l’aide de N-LS, les lipides libérés en solution ont été directement convertis en biodiesel sans étape de récupération d’huile. De plus, le traitement de la biomasse suivi du traitement par des ultrasons a démontré un rendement maximum d’esters méthyliques d’acide gras (EMAGs) de 94.3 ± 1.9% w/w de lipide en présence de méthanol (ratio molaire méthanol sur lipide de 360:1) et une concentration de catalyseur de 360 mM (64 μL H₂SO₄/g de lipide). La durée de la réaction étant de 5 minutes. Ces résultats ont révélé que les lipides issus des levures oléagineuses peuvent être une bonne alternative pour la production de biodiésel industrielle. Afin de réduire le coût de production du biodiésel et d’augmenter les crédits de taxes gouvernementaux, des boues municipales secondaires ont été utilisées en amont du procédé pour la production de lipide microbiens. Dans cette étude, de la biomasse de levure oléagineuse (Trichosporon oleaginous) a été cultivée dans des boues municipales et la précipitation de la biomasse à l’aide de PES a été étudiée. La concentration obtenue en solides décantés était de 210 g/L. La biomasse décantée a été traitée avec un traitement séquentiel utilisant le FNA et le N-LS pour perturber la paroi cellulaire. Les lipides microbiens ont été séparés des cellules perturbées en utilisant du chloroforme et du méthanol (1 :1) ou du diésel d’origine pétrolière comme solvant. Les lipides microbiens séparés ont été transestérifiés en biodiésel en conditions ex-situ. Les efficacités maximums d’extraction des lipides de 98.1 ± 1.6 et 95.8 ± 1.1% m/m ont été obtenus en utilisant 75 mg N-LS/g de biomasse, et du chloroforme/méthanol (1 :1) et du diésel comme solvant, respectivement. Dans le cas de l’extraction de lipide assistée avec du FNA, les efficacités maximums d’extraction des lipides de 94.3 ± 1.6 et 90.7 ± 1.1% m/m ont été obtenues avec 40 mg FNA/g de biomasse, et du chloroforme/méthanol (1 :1) et du diésel comme solvant, respectivement. Par contre, durant l’extraction assistée au FNA, l’augmentation de la concentration en FNA au-delà de 10 mg FNA/g de biomasse a affecté le profil des acides gras. Par conséquent, le traitement séquentiel au FNA et au N-LS en utilisant des faibles concentrations de FNA (10 mg FNA/ g de biomasse) suivi par le N-LS (20 mg N-LS/g de biomasse) a été employé et les efficacités maxima d’extraction des lipides de 95.1 et de 92.3% m/m en utilisant l’hexane et le diésel comme solvant, respectivement, ont été obtenues, et ce, sans affecter le profil des acides gras non saturés. Dans cette étude préliminaire, plusieurs paramètres tels que le volume de solvant, la température, l’agitation et la teneur en eau ont été optimisés pour maximiser l’efficacité d’extraction de l’huile à partir d’écume lyophilisée. L’hexane et le diésel conventionnel ont été comparés pour chaque paramètre afin de déterminer leur efficacité pour l’extraction d’huile. Les paramètres physiques optimaux identifiés pour l’extraction d’huile à partir d’écume lyophilisée sont 75 g de solide/L de solvant à 60°C, sous agitation à 300 rpm pour 30 minutes. Les maximums d’efficacité de récupération obtenus sont de 100% and 94.3% w/w avec l’hexane et le diésel, respectivement. Les paramètres optimaux pour l’écume lyophilisée ont aussi été appliqués pour séparer l’huile à partir des boues primaires et secondaires. Des efficacités de récupération de 95.2% et 94.7% w/w ont été obtenues avec l’hexane et le diésel, respectivement. De plus, la transestérification ex-situ a été réalisée et les résultats ont démontrés que l’écume contient plus de lipides neutres que les boues primaires et secondaires. En bref, l’écume est une matière première potentielle pour la production de biodiésel mais son contenu en huile est de l’ordre de 30% m/m. Le procédé avancé d’extraction de lipides microbiens développé dans le cadre de cette recherche qui utilise les boues municipales et les levures oléagineuses (Yarrowia lipolytica and Trichosporon oleaginous) pourrait permettre d’abaisser les coûts du procédé et rendre le procédé faisable à l’échelle industrielle.

Biodiesel production has received significant attention during the last few decades. Due to a decrease in greenhouse gases emissions (GHG), it has become an efficient approach to compete with that of petroleum-based conventional fuels. Nowadays, world-wide biodiesel industries are using vegetable oil (edible and non-edible) and animal fats for biodiesel production, but they are looking forward towards low-cost feedstocks. The microbial lipid produced by the oleaginous microorganism is an attractive approach for researchers as well as biodiesel industries. However, biodiesel production from lipids is still not economically feasible due to high feedstock cost and multiple steps involved in downstream processing such as biomass harvesting, biomass drying, cell wall disruption, microbial lipid extraction using organic solvent, transesterification and biodiesel purification. In this study, diverted waste feedstocks such as scum, primary and secondary sludge were investigated for oil extraction. Due to the presence of less than 30% w/w oil content in scum, an alternative feedstock such as oleaginous yeast grown in crude glycerol medium (Yarrowia lipolytica and Trichosporon oleaginous) was identified, which grow rapidly and produce up to 80g/L biomass with 50 - 80% w/w lipid content. However, the bottleneck for biodiesel production using microbial lipid bearing biomass is downstream processing. Therefore, biomass harvesting was done by flocculation technology with extra polymeric substances (EPS) produced using waste water sludge. Furthermore, a cell wall disruption approach using wet biomass for cell wall disruption and novel solvent such as petroleum diesel were investigated in this study to recover lipids. The recovered lipids present in petroleum diesel were further transesterified to biodiesel without solvent drying. A rigorous research was conducted and high lipid containing 3rd generation feedstock such as microbial oil from oleaginous yeast was found to be proficient for biodiesel production. However, downstream processing is a massive challenge for oleaginous yeast biomass and the preliminary step was biomass harvesting without centrifugation. In this research, a new process of harvesting the oleaginous yeast biomass (Yarrowia lipolytica) by flocculation followed by cell wall disruption and lipid extraction with petroleum diesel as a solvent was developed. Alum and calcium chloride along with EPS as a flocculant were evaluated for lipid bearing biomass settling. The maximum flocculation activity of biomass using calcium chloride (36 mM) in combination with EPS (5.85 mg EPS/g biomass) or Alum (1.2mM) with EPS (18 mg EPS/g biomass) was 74.3 and 79 % and the settling velocity was 2.93 and 1.46 mm/s, respectively. The final settled biomass concentration obtained was 166g/L. In this study, in order to reduce the process costs, the cell wall disruption was performed on wet biomass using detergent assisted lipids extraction as opposed to the conventional process that uses dry biomass. Response surface methodology (RSM) was used to investigate the effect of three principle parameters [N-lauroyl sarcosine (N-LS) concentration, time and temperature] on microbial lipid extraction efficiency (% w/w). The results obtained by statistical analysis showed that the quadratic model fits in all cases. Maximum lipid recovery of 95.3 ± 0.3 % w/w was obtained at the optimum level in the following conditions of process variables [N-LS concentration 24.42 mg (equal to 48 mg N-LS/g dry biomass), treatment time 8.8 min and reaction temperature 30.2 oC. The study confirmed that oleaginous yeast biomass treatment with N-LS would be a promising approach for cell wall disruption. Hence, further study was conducted and after N-LS assisted cell wall disruption, the lipid in solution was directly converted to biodiesel without oil recovery. Moreover, The N-LS treatment of biomass followed with ultrasonication revealed maximum Fatty acid methyl esters (FAMEs) yield of 94.3 ± 1.9 % w/w using methanol to lipid molar ratio 360:1 and catalyst concentration 360 mM (64 μL H₂SO₄/g lipid) within 5 minutes reaction time. These results revealed that the microbial lipid from oleaginous yeast can be good alternation for industrial biodiesel production. To decrease the cost of biodiesel production and for tax credits, in upstream processing, municipal secondary wastewater sludge was used for microbial lipid production. In this study, oleaginous yeast biomass (Trichosporon oleaginous) was cultivated in a municipal wastewater sludge and develped biomass settling method usig EPS was investigated . The obtained concentration of settled solids was 210 g/L after biomass settling. The settled sludge biomass was treated with sequential treatment using (FNA) Free nitrous acid and N-LS to disrupt cell wall. The microbial lipid was separated from the disrupted cells using chloroform and methanol (1:1) or petroleum diesel as solvent. The separated microbial lipid was ex-situ trans esterified to biodiesel. The maximum lipid extraction efficiencies of 98.1± 1.6 and 95.8 ± 1.1% w/w were achieved using 75 mg N-LS/g of biomass, and chloroform/methanol (1:1) and petroleum diesel as solvent, respectively. In case of FNA assisted lipid extraction, the maximum lipid extraction efficiencies of 94.3 ± 1.6 and 90.7 ± 1.1 %w/w were obtained at 40 mg FNA/g biomass using chloroform and methanol (1:1) and petroleum diesel as a solvent, respectively. However, during FNA assisted lipid extraction, increase in FNA concentration beyond 10 mg FNA/g biomass, affected the fatty acid profile. Therefore, sequential FNA and N-LS treatment using low concentration of FNA (10 mg FNA/g biomass) followed by N-LS (20 mg N-LS /g biomass) was employed and maximum lipid extraction efficiency of 95.1 and 92.3% w/w using hexane and petroleum diesel was obtained without any effect on unsaturated fatty acids profile. Low cost feedstock such as primary, secondary sludge and scum obtained from the municipal wastewater treatment plant for biodiesel production were investigated. Various parameters such as solvent volume, temperature, agitation and moisture content were optimized to maximize the oil extraction efficiency using freeze-dried scum. The oil extraction efficiency was compared for each parameter using hexane and petroleum diesel as a solvent. The optimum physical parameters for oil extraction using freeze-dried scum were 75 g solids/L solvent, temperature 60oC, agitation 300 rpm for 30 min and maximum oil extraction efficiency of 100 and 94.3% w/w were obtained using hexane and petroleum diesel respectively. The optimized parameters for freeze-dried scum were further used to separate oil from dried primary and secondary sludge and oil extraction efficiency of 95.2 and 94.7 % w/w was obtained using hexane and petroleum diesel respectively. Furthermore, the ex-situ transesterification was performed, and results showed that scum had a higher content of neutral lipid than that of primary and secondary sludge. In brief, scum is a potential feedstock for the production of biodiesel but the oil content in scum is ≤ 30% w/w. The advanced downstream process for lipid extraction from oleaginous biomass and municipal sludge (scum) followed by lipid conversion to biodiesel developed during this research will make biodiesel production feasible at industrial scale.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Tyagi, Rajeshwar Dayal
Mots-clés libres:	biodiesel; biomasse; levure oléagineuse; boues d'épuration municipale; lipides; glycérol brut; Yarrowia lipolytica; Trichosporon aleaginous;
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	22 oct. 2018 21:17
Dernière modification:	03 mars 2022 17:16
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/7629

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