LIANDONG ZHU Sustainable Biodiesel Production from ... Sustainable Biodiesel Production from Microalgae

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of LIANDONG ZHU Sustainable Biodiesel Production from ... Sustainable Biodiesel Production from...

  • Sustainable Biodiesel Production from Microalgae Cultivated with Piggery Wastewater

    LIANDONG ZHU

    ACTA WASAENSIA 292 INDUSTRIAL MANAGEMENT 33

  • Reviewers Professor Donald Huisingh Institute for a Secure and Sustainable Environment University of Tennessee Knoxville, TN USA Professor Tapio Katko Department of Chemistry and Bioengineering Tampere University of Technology P.O. Box 527 FI–33101 Tampere

    Finland

  • III

    Julkaisija Julkaisupäivämäärä Vaasan yliopisto Tammikuu 2014 Tekijä(t) Julkaisun tyyppi Liandong Zhu Artikkelikokoelma

    Julkaisusarjan nimi, osan numero Acta Wasaensia, 292

    Yhteystiedot ISBN Vaasan yliopisto Teknillinen tiedekunta Tuotantotalouden yksikkö PL 700 65101 Vaasa

    978–952–476–500–8 (nid.) 978–952–476–501–5 (pdf) ISSN 0355–2667 (Acta Wasaensia 292, painettu) 2323–9123 (Acta Wasaensia 292, verkkojulkaisu) 1456–3738 (Acta Wasaensia. Tuotantotalous 33, painettu) 2324–0407 (Acta Wasaensia. Tuotantotalous 33, verkkojulkaisu) Sivumäärä Kieli 122 Englanti

    Julkaisun nimike Kestävä biodieseltuotanto sikalan jätevedellä kasvatetusta mikrolevästä Tiivistelmä

    Vastauksena energiakriisiin, globaalisen lämpenemiseen ja ilmaston muutoksen haasteisiin, mik- rolevien käyttöön biodieselin tuotannossa on kiinnitetty paljon huomiota pyrittäessä kohti kestä- vää kehitystä. Mikrolevien käyttö biodieselin raaka-aineena sisältää monia etuja liittyen ympäröi- vään luontoon, ruokaturvallisuuteen ja maankäyttöön. Yhdistämällä makean veden mikrolevän Chlorella zofingiensis viljely ja sikaloiden jätevesien käsittely saadaan lupaava sovellutus sekä ravinteiden erottamiseen että biodieselin tuotantoon. 1900 mgL-1 COD:llä laimennettu sikaloiden jätevesi sisältää optimaalisen ravinnepitoisuuden levän C. zofingiensis viljelyyn: ravinteiden pois- to jätevedestä sekä biomassan, lipidien ja biodieselin tuotto ovat edullisimmillaan. Viljelyvettä kierrätettäessä havaittiin, että ravinteiden puute saattoi lisätä lipidien kertymistä. Tällöin N- ja P- rajallisessa ympäristössä havaittiin korkein FAME tuotto 10,95 %:n kuiva-ainepitoisuudella sa- malla, kun viljely tuotti korkeimmat biodieseltuotot noin 20 mg L-1 päivä-1. Myös havaittiin, että viljelyvesi voitiin kierrättää kaksi kertaa levän kasvattamiselle optimaalisena ravinneliuoksena. Mahdollisuuksia levän tuotantoon eri suuruusluokissa kokeiltiin käyttäen laimennettuja sikalajäte- vesiä optimaalisella pitoisuudella. Kokeissa havaittiin, että NaClO:n käyttö on tehokas ja helppo tapa esikäsitellä sikalan jätevettä ilman havaittavia vaikutuksia ravinteiden poistoon ja biomassan, lipidien sekä biodieselin tuotantoon. Kontrolloimattomissa olosuhteissa ulkona C. zofingiensis voi kasvaa ja kerätä runsaasti biomassaa ja lipidejä. Tulosten mukaan stabiili biomassan tuotto 1,314 gL-1päivä-1 saavutetaan, kun 50 % mikroleväviljelystä korvataan uudella jätevedellä aina 1,5 päi- vän jälkeen. Tämä yhdistettynä levän viljelyveden kierrätykseen johtaa johtopäätökseen, että levän C. zofingiensis viljely sikalan jätevedessä ravinteiden keräämiseksi ja biodieselin tuottamiseksi voidaan toteuttaa eri suuruusluokan yksiköissä. Levän C. zofingiensis viljely sikalan jätevedessä biodieselin tuottamiseksi toteuttaa kestävän kehi- tyksen periaatteita ympäristön ja erityisesti veden käytön kannalta. Kustannustehokkuutta pitäisi tulevaisuudessa parantaa esimerkiksi levän biologisia ominaisuuksia kehittämällä. Mikrolevän käyttö biodieselin tuotantoon käyttäen jätevettä on kestävää kehitystä ajatellen ilmeisen lupaavaa, mutta vain jos sen taloudellista kannattavuutta voidaan parantaa riittävästi suuren mittakaavan tuotannossa. Asiasanat Mikrolevä, Chlorella zofingiensis, sikalan jätevesi, ravinteiden erottaminen, levän viljelyveden uudelleenkierto, lipidi, biodieseltuotanto, kestävyys

  • V

    Publisher Date of publication Vaasan yliopisto January 2014 Author(s) Type of publication Liandong Zhu Selection of articles

    Name and number of series Acta Wasaensia, 292

    Contact information ISBN University of Vaasa Faculty of Technology Department of Production P.O. Box 700 FI–65101 Vaasa Finland

    978–952–476–500–8 (print) 978–952–476–501–5 (online) ISSN 0355–2667 (Acta Wasaensia 292, print) 2323–9123 (Acta Wasaensia 292, online) 1456–3738 (Acta Wasaensia. Industrial Management 33, print) 2324–0407 (Acta Wasaensia. Industrial Management 33, online) Number of pages Language 122 English

    Title of publication Sustainable Biodiesel Production from Microalgae Cultivated with Piggery Wastewater Abstract

    In response to the world energy crisis, global warming and climate change, microalgal biodiesel production has received much interest in an effort to search for sustainable development. Using microalgae as a biofuel feedstock holds many advantages in relation to the environment, food security and land use. The integrated approach, which combines freshwater microalgae C. zofingiensis cultivation with piggery wastewater treatment, is a promising solution for nutrient removal and biodiesel production. Diluted piggery wastewater with 1900 mg L–1 COD provided an optimal nutrient concentration for C. zofingiensis cultivation, where advantageous nutrient removal and the highest productivities of biomass, lipid and biodiesel were presented. When recycling harvest water to re-cultivate C. zofingiensis, it was found that nutrient limitation could favor lipid accumulation. The N- and P-limited medium showed the highest FAME yield at 10.95% of dry weight, while the N-limited culture and P-limited culture shared the highest bio- diesel productivity at around 20 mg L–1 day–1. It was also shown that harvest water could be 100% recycled twice to prepare a full nutrient medium to re-grow C. zofingiensis.

    The potential to scale up production was tested, using the diluted piggery wastewater with the optimal concentration to grow C. zofingiensis. It was found that using NaClO is an effective and easy way to pretreat piggery wastewater without any obvious impacts on the nutrient removal and the productivity of biomass, lipid and biodiesel. In an uncontrolled outdoor environment C. zofingiensis could grow well to robustly accumulate biomass and lipids. The results also indicat- ed that the semi-continuous feeding operation, replacing 50% of microalgae culture with fresh wastewater every 1.5 days, could provide a stable net biomass productivity of 1.314 g L–1 day–1. These findings plus the potential of harvest water recycling can lead to the conclusion that C. zofingiensis cultivation in piggery wastewater for nutrient removal and biodiesel production is potentially scalable.

    Therefore, C. zofingiensis cultivation in piggery wastewater for biodiesel production can realize environmental sustainability, especially water sustainability. However, its cost-effectiveness should be further enhanced in future via methods such as algal biological property improvement. Undoubtedly, microalgae biodiesel production using wastewater is an apparently promising solu- tion offering all-round sustainability. However, this can only be realized if the economic viability of large-scale production is improved. Keywords Microalgae, Chlorella zofingiensis, Piggery wastewater, Nutrient removal, Harvest water recycling, Lipid, Biodiesel production, Sustainability

  • VII

    ACKNOWLEDGEMENTS

    Nine-tenths of achievement is from support and encouragement.

    This thesis is a compilation of four peer-reviewed journal articles. The work could not have been completed without three years of support and encouragement from the following individuals and organizations.

    To begin with, I would like to stress my deepest appreciation to my supervisor Prof. Josu Takala for his constant support, encouragement and close supervision of this work. His support in terms of mentality, study materials and advice has been inspiring and constructive, and has greatly helped me to concentrate on my research. I have come to view him not only as a supervisor but also as a mentor and friend, and he has influenced my life both personally and professionally.

    Second, I would like to thank Prof. Erkki Hiltunen. As my secondary supervisor, he has supported and encouraged me a great deal, and has also become my friend. I will always be grateful for his guidance in research and his efforts to find the funding for me. Furthermore, I want to express my gratitude to Prof. Tarja Ketola, who has supervised me for about one year. She inspired my thesis topic selection and supported me with my funding application, and I wish her all the best in her new position. I am also thankful to Prof. Marja Naaranoja, who has given me much assistance as well.

    Special thanks go to the following professors and members of staff in our univer- sity for their concerns on my thesis (alphabetical order): Erkki Antila, Jussi Kan- tola, Pekka Peura, Petri Helo, Petri Ingström, Ulla Laakkonen. I am indebted to Ms. Tarja Salo and Virpi Juppo for their amazing formatting work and Prof. Erkki Hiltunen for his wonderful translation of the abstract from English into Finnish.

    I must also thank my Chinese professors, who have followed my life and studies in Finland with interest. Prof. Zhaohua Li from the Hubei University has never stopped offering me his support since I entered u