Please use this identifier to cite or link to this item: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19321
Title: Butanol Production from Micro-algae by Combining Dark Fermentation and ABE Fermentation Equipped with Gas Sparging
Other Titles: การผลิตบิวทานอลจากจุลสาหร่ายด้วยกระบวนการหมักสองขั้นตอนที่มีการแยกบิวทานอลโดยระบบเป่าไล่ด้วยแก๊ส
Authors: Prawit Kongjan
Nikannapas Usmanbaha
คณะวิศวกรรมศาสตร์ สาขาวิชาเทคโนโลยีพลังงาน
Faculty of Engineering (Energy Technology)
Keywords: Butanol;Clostridium beijerinckii;Butyric acid;Hydrogen;Chlorella sp.,;Gas stripping.;ABE fermentation
Issue Date: 2023
Publisher: Prince of Songkla University
Abstract: Micro-algae Chlorella sp. as the third-generation biomass for biofuel production was used to evaluate the production of butanol via two-stage dark fermentation and solventogenesis process. Batch dark fermentation was carried out to investigate the effects of initial algae concentration (20, 40, 60, 80, 100, 120 g-VS/L), initial pH (5 and 7) , Temperature (35 ºC and 55 ºC), and inoculums (mesophilic mixed-cultures and thermophilic mixed-cultures) on formation of volatile fatty acids (VFAs). The optimal effect of thermophilic mixed-cultures fermentation for 72 h at 55 ºC, initial pH 7 was investigated. The highest butyric acid production from initial algae concentration at 80 g-VS/L was produced of 10.67 g/L which is a precursor for butanol generation in the solventogenesis stage. Thermolysis pretreated microalgae 60 g-VS/L with BA medium can produce butyric acid 11.42 g/L higher than without pretreatment, which produced hydrogen production of 224.43 mL-H2 (46.76 mL-H2/g-VS). Production of volatile acid in 2 L CSTR was operated at 9 conditions. The condition of the highest product is both hydrogen production (119-124 mL-H2/ g-VS or 1,190-1288 mL-H2/L-reactor.d) and butyric acid of 5.23-5.49 was investigated on 1.35 L working volume at operation of 6-day HRT from microalgae pretreated 50 g-VS/L along with 10 g-sucrose/L by thermophile mixed culture source at 55 °C. The optimal condition from 2 L CSTR reactor was operated under scale up to 10 L CSTR reactor at 5 L working volume. The production of hydrogen yield of 161-189 mL-H2/g-VSadd and hydrogen production rate of 1,938-2,269 mL-H2/L-reactor with the production of acetic acid propionic acid and butyric acid produced during the experiment were in the range of 5.25±0.14 g/L, 0.76±0.02 g/L and 7.50±0.15 g/L, respectively was investigated. biogas production 23.4 L-biogas/d of this stage can be used as a concept for gas stripping of butanol product recovery in second CSTR fermentation. Although, flow rate 3 L/min or 4,320 L/day was used as stripping gas recovery. However, gas stripping recovery can used as circulation system of gas flow with flow rate control to get the desired flow rate value and this process can reduce the cost of operating the system. The total tags data of this sample is 172,245 with 280 observed species. The main bacterial in the fermentation of mixed culture were Comamonas spp. (33%), Lysinibacillus macrolides (23%), Advenella sp. (13%), Dysgonomonas mossii (9%), Proteiniphilum spp. (4%), Acinetobacter sp. (3%), Clostridiales spp. (3%), Acetobacter pasteurianus (2%), and Caproicproducens spp. (2%). Two ABE fermentation bacteria of Clostridium butylicum TISTR1032 and Clostridium beijerinckii ATCC10132 was investigated at difference initial concentration of 20, 40, 60, and 80 g-VS/L. Highest butanol concentration of 10.17 g/L was obtained from Clostridium beijerinckii ATCC10132 at 40 g-VS/L initial glucose concentrations. The initial concentration 40 g-VS/L of microalgae pretreatment with TYA nutrient addition could provide butanol 2.30 g/L which is higher than untreated microalgae. In addition, by studying the B/G ratio from the Taguchi experimental design, the combination of 10 g/L butyric acid with 20 g/L glucose yielded the highest butanol yield at 3.67 g/L from the 15% inoculation concentration, which butyric acid concentrations up to 14 g/L can inhibit for this fermentation system. In addition, Butanol production yield from CSTR with semi-continuously fed 20 g-VS/L glucose on TYA medium at HRT 2 day was constant in the range of 5.51 g/L, 38% hydrogen concentration with yield of 74 mL-H2/g-VS (740 mL-H2/L/d). Using stripping gas having 70% CO2 and 30% H2 at 3 L/min and using sparging time for 48 hours, the stripping gas efficiency 43.86% can calculated after removal of butanol from fermenter with gas stripping while 75.69% efficiency of condensation. Recovered butanol was obtained highest concentration of 45.17g/L during the first 4-hr gas stripping from the fermented of 5.51 g/L butanol concentration. This stripping process is suitable when fermentation process provides high solvent production yield. In addition, using rich butyric acid dark fermentation effluent with 20 g-VS/L glucose could be capable of covering 5.54 g/L butanol with hydrogen production 117.68 mL-H2/g-VS in the early stage of ABE fermentation. Acid content was increased and consequently inhibited growth and activity of Clostridium beijerinckii. COD balance of substrate from microalgae in 10 L CSTR system from two-stage fermentation was investigated. The last production in the form of solution and hydrogen at the final stage can be produced from g-COD of the substrate in the system as 45.79%.
Abstract(Thai): จุลสาหร่าย Chlorella sp. ได้ถูกนำมาใช้สำหรับการผลิตบิวทานอลด้วยกระบวนการสองขั้นตอนของการหมักไร้แสงและการผลิตตัวทำละลาย ทั้งนี้ได้ศึกษาปัจจัยของการหมักไร้แสงในแบทช์ที่ปัจจัยต่างๆได้แก่ ความเข้มข้นของจุลสาหร่าย (Chlorella sp.) เริ่มต้น (20, 40, 60, 80, 100, และ 120 g-VS/L), pH เริ่มต้น (5 และ 7), อุณหภูมิ (35 ºC และ 55 ºC), และนำมาใช้ของแหล่งกล้าเชื้อ (กล้าเชื้อผสมที่สภาวะเมโซฟิลิก และกล้าเชื้อผสมที่สภาวะเทอร์โมฟิลิก) ต่อการผลิตกรดไขมันระเหยได้โดยเฉพาะกรดบิวทิริกซึ่งเป็นสารตั้งต้นสำหรับการผลิตบิวทานอลในขั้นตอนการผลิตตัวทำละลาย ปัจจัยที่เหมาะสมคือสภาวะที่ pH เริ่มต้น 7 ด้วยกล้าเชื้อผสมจากแหล่งอุณหภูมิเทอร์โมฟิลิก (55 ºC) โดยผลผลิตกรดบิวทิริกสูงสุดจากจุลสสาหร่ายคือ 10.67 g/L ที่ความเข้มข้นเริ่มต้นของจุลสาหร่าย 80 g-VS/L โดยผลการทดลองเมื่อทำการปรับสภาพจุลสาหร่าย 60 g-VS/L ด้วยวิธี thermolysis พบว่าผลผลิตกรดได้ 11.42 g/L จากการหมักรว่มกับการเติมสารอาหาร BA medium โดยให้ผลผลิตแก๊สไฮโดรเจน 224.43 mL-H2 (46.76 mL-H2/g-VS) นอกจากนี้ศึกษาสภาวะการผลิตกรด ในถังปฏิกรณ์ CSTR 2 L ที่ปริมาตรการทำงาน 1.35 L มีการศึกษาการทดลอง 9 สภาวะ โดยสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตกรดระเหยง่ายจากการหมักจุลสาหร่าย 50 g/L Chlorella sp. ร่วมกับน้ำตาลซูโครส 10 g/L ที่ระยะเวลาการกักเก็บ HRT 6 วันให้ผลผลิตกรดบิวทิริก 5.23-5.49 g/L และผลผลิตไฮโดรเจน 119-124 mL-H2/g-VS หรือ อัตราการผลผลิตต่อวัน 1190-1288 mL-H2/L.d โดยนำสภาวะที่ได้จากการทดลองมายกระดับขนาดถังหมักที่ 10 L ที่ปริมาตรการทำงาน 5 L ได้ทำการเพิ่มขนาดการหมัก พบว่าให้ผลผลิตไฮโดรเจน 161-189 mL-H2/g-VSadd หรืออัตราการผลิตต่อวัน 1,938-2,269 mL-H2/Lreactor และมีแก๊สชีวภาพเกิดขึ้น 23.4 L/d สามารถใช้เป็นแก๊สสำหรับการเป่าไล่ในขั้นต่อไป แม้ว่าจะมีปริมาณที่ต้องใช้น้อยกว่าเนื่องจากการเป่าใล่ใช้ 3 L/min อย่างไรก็ตามหากมีการใช้แก๊สแบบหมุนเวียนก็มีควมสามรถที่เป็นไปได้ในการนำไปใช้ในอนาคต โดยมีผลิตกรดอะซิติก กรดโพรพิออนิก และกรดบิวทิริกที่เกิดขึ้นระหว่างการทดลองอยู่ในช่วง 5.25±0.14 g/L, 0.76±0.02 g/L และ 7.50±0.15 g/L ตามลำดับ โดยพบว่ามีแบคทีเรียที่ตรวจพบทั้งหมด 280 สายพันธ์ จากการหมักเชื้อผสมนี้ โดยมีกลุ่มแบคทีเรียหลักๆ ได้แก่ Comamonas spp. (33%), Lysinibacillus macrolides (23%), Advenella sp. (13%), Dysgonomonas mossii (9%), Proteiniphilum spp. (4%), Acinetobacter sp. (3%), Clostridiales spp. (3%), Acetobacter pasteurianus (2%) และ Caproicproducens spp. (2%) เป็นต้น จากการศึกษาผลผลิตบิวทานอลในชุดการทดลองแบบแบทช์จากเชื้อสองชนิดของ Clostridium butylicum TISTR1032 และ Clostridium beijerinckii ATCC10132 ที่ใช้กลูโคสความเข้มข้นเริ่มต้น 20, 40, 60 และ 80 g-VS/L พบว่าการใช้กลูโคส 40 g-VS/L จากเชื้อ Clostridium beijerinckii ATCC10132 ให้ผลผลิตบิวทานอลสูงสุด 10.17 g/L และเมื่อทำการทดสอบการหมักโดยใช้จุลลสาหร่ายที่มีการปรับ และมีการเติมสารอาหารพบว่าได้ผลผลิตบิวทานอล 2.30 g/L ดีกว่าไม่ปรับสภาพ นอกจากนี้การศึกษา B/G ratio จากการออกแบบการทดลองด้วยทากูชิ พบว่าที่การใช้สัดส่วนกรดบิวทิริก 10 g/L ร่วมกับน้ำตาลกลูโคส 20 g/L ให้ผลผลิตบิวทานอลสูงสุด 3.67 g/L ด้วยการใช้เชื้อร้อยละ 15 โดยปริมาตร ใขขณะที่ความเข้มข้นบิวทิริกที่ 14 g/L ก่อให้เกิดการยับยั้ง นอกจากนี้การศึกษาผลผลิตบิวทานอลในถัง CSTR ด้วยการป้อนแบบกึ่งต่อเนื่องด้วยอาหาร TYA ที่มีน้ำตาลกลูโคส 20 g-VS/L ที่ระยะเวลาการกักเก็บของของเหลว (HRT) 2 วัน ให้ผลผลิตบิวทานอลคงที่อยู่ในช่วง 5.51 g/L พบไฮโดรเจนที่ร้อยละ 38 ซึ่งมีผลผลิตไฮโดรเจนเฉลี่ย 74 mL-H2/g-VS โดยมีอัตราการผลิตคงที่เฉลี่ย 740 mL-H2/L/d เมื่อศึกษาการเป่าไล่ด้วยแก๊ส 70% CO2 ร่วมกับ 30% H2 ที่อัตราการเป่าไล่ 3 L/min เป่าใล่ในระบบหมักตลอดการทดลองต่อเนื่อง 48 ชั่วโมง ได้ร้อยละการเก็บเกี่ยวของบิวทานอลเท่ากับ 43.86 มีค่าประสิทธิภาพการควบแน่นร้อยละ 75.69 โดยระหว่างการเป่าไล่ในช่วงแรกจากน้ำหมัก ที่มีความเข้มข้นบิวทานอล 5.51 g/L เมื่อเป่าไล่ในช่วง 4 ชั่วโมงแรกพบว่าได้บิวทานอลเข้มข้นสูงสุดในชุดควบแน่นแรกที่ 45.17g/L ทั้งนี้จากการทดสอบแสดงให้เห็นว่าระบบสามารถใช้งานได้เหมาะสมหากมีการผลผลิตตัวทำละลายจากกระบวนการหมักที่สูงขึ้นได้ นอกจากนี้ผลการทดสอบการผลิตบิวทานอลจากการหมักจากน้ำหมักที่อุดมไปด้วยกรดบิวทิริก ร่วมกับน้ำตาล 20 g-VS/L พบว่าในช่วงแรกสามารถให้ผลผลิตบิวทานอล โดยได้ผลผลิตบิวทานอล 5.54 g/L ผลผลิตแก๊ส 117.68 mL-H2/g-VS แต่เมื่อมีการป้อนเข้าออกพบว่า ปริมาณกรดต่างๆมีการสะสมเพิ่มขึ้นในระบบและส่งผลต่อการเจริญและกระบวนการทำงานของเชื้อ Clostridium beijerinckii. การคำนวณสมดุล COD ของสารตั้งต้นจากการใช้จุลสาหร่ายผ่านระบบการหมักสอง ขั้นตอน สามารถให้ผลผลิตสุดท้ายในรูปของแก๊ส และสารเคมีภัณณ์ในส่วนของของเหลว จากการใช้ g-COD เริ่มต้นไปร้อยละ 45.79 ตั้งแต่การป้อนสารตั้งต้นของจุลสาหร่ายในระบบหมักทั้งสองขั้นตอนจนกระทั้งได้ผลผลิตสุดท้าย
Description: Doctor of Philosophy (Energy Technology), 2023
URI: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19321
Appears in Collections:219 Thesis

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
5910130046.pdf2.37 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons