Mikrolevien soveltuvuus biodieselin tuotantoon : lipidikoostumus ja uuttomenetelmien vertailu

Abstract

Fossilisten polttoaineiden vähentyminen ja kasvava energiantarve edellyttävät bioperäisten polttoaineiden kehittämistä. Mikrolevien käyttö biodieselin raaka-aineena herättää kiinnostusta, sillä ne kasvavat nopeasti ja sisältävät runsaasti lipidejä, eikä niiden kasvatus vaadi laajoja maa-alueita.

Tämä opinnäytetyö tehtiin osana ALDIGA-projektia, joka tutki mahdollisuuksia ekotehokkaaseen levämassan bioenergiatuotantoon. Tämän työn tarkoitus oli selvittää kahden mikrolevälajin (Chlorella sorokiniana ja Selenastrum sp.) soveltuvuus biodieselin raaka-aineeksi ja vertailla kahta eri lipidien uuttomenetelmää. Mikrolevät kasvatettiin suljetuissa fotobioreaktoreissa ja niistä uutettiin lipidit kahdella eri tavalla. Uuttomenetelmiä vertailtiin saantojen ja ohutlevykromatografian avulla. Uutetut lipidit metyloitiin rasvahappojen metyyliestereiksi, jotka analysoitiin kvantitatiivisesti kaasukromatografi-massaspektometrilla. Rasvahappoprofiilin perusteella laskettiin biodieselin laatuparametreja, joita vertailtiin SFS-EN 14214-standardiin.

Biomassan kasvunopeus oli C. sorokinianalla 40,3 mg/l/vrk ja Selenastrumilla 71,3 mg/l/vrk. C. sorokinianasta uuttui liuotinuutolla lipidejä 15,3 % kuivapainosta ja Selenastrumin liuotinuuttossa uuttui 55,2 %. Rasvahappoja oli uutetuissa lipideissä 4.6 % ja 7.9 %. Ylikriittisellä uutolla tulokset olivat huomattavasti pienempiä. Liuotinuuton todettiin soveltuvan paremmin lipidien uuttoon kuin ylikriittisen uuton. Polttoaineominaisuuksiensa perusteella liuotinuutettu Selenastrum oli polttoainekäyttöä ajatellen parempi kuin C. sorokiniana, sillä C. sorokinianan liuotinuuton setaaniluku ja linoleenihapon määrä ei täyttänyt standardin vaatimuksia ja Selenastrumin kinemaattinen viskositetti oli parempi kuin C. sorokinianan.

Kumpikaan laji ei näissä olosuhteissa kasvatettuna sovellu biodieselin tuotantoon puutteellisten polttoaineominaisuuksien ja pienten saantojen johdosta. Selenastrum vaikuttaa kuitenkin lupaavalta, jos lipidien määrää ja laatua saadaan muokattua kasvatusolosuhteita muuttamalla.

Diminishing fossil fuels and increasing energy consumption require development of biomass based fuels. Microalgae are a promising resource of renewable energy because of their rapid growth and high lipid content. Growing them does not require arable land, either.

This study was a part of the ALDIGA project, which examined the potential of microalgae for eco-efficient energy production. The focus of this work was to study the suitability of two microalgae species (Chlorella sorokiniana and Selenastrum sp.) for biodiesel production. Microalgae were grown in photoreactors and lipids were extracted with two different extraction methods. The methods were compared by yields and thin layer chromatography. The lipids were methylated and fatty acid methyl esters were analyzed using a gas chromatograph mass spectrometer. The results were used to calculate the quality parameters for biodiesel, which were compared with the SFS-EN 14214 standard.

The average biomass growth rate was 40.3 mg/l/d for the C. sorokiniana and 71.3 mg/l/d for the Selenastrum. The lipid content of C. sorokiniana and Selenastrum was 15.3 % and 55.2 % and fatty acid content was 4.6 % and 7.9 %, respectively, as determined by using a solvent extraction method. The super-critical fluid extraction results were considerably smaller. The solvent extraction method was found to be more efficient for lipid extraction.

Selenastrum fatty acids were found to be more suitable for biodiesel production because cetane number and linolenic acid concentrations of C. Sorokiniana fatty acids did not meet the requirements of the standard. Kinematic viscosity in Selenastrum was also better than in C. Sorokiniana.

Neither species grown under the conditions of the experiment is suitable for biodiesel production because of their insufficient fuel properties and low yield of fatty acids. However, Selenastrum seems promising, if the quantity and quality of lipids can be modified by altering growth conditions.