Feasibility of microbial biodiesel and carotenoid production considering the potential of food processing wastewaters as low cost carbon sources using the example of red yeast Rhodotorula glutinis

Braunwald, Teresa

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Braunwald, Teresa

Feasibility of microbial biodiesel and carotenoid production considering the potential of food processing wastewaters as low cost carbon sources using the example of red yeast Rhodotorula glutinis

Nutzung von Abwässern der lebensmittelverarbeitenden Industrie als kostengünstige Kohlenstoffquellen für die mikrobielle Produktion von Biodiesel und Carotinoiden am Beispiel der Rothefe Rhodotorula glutinis

(Übersetzungstitel)

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-8564
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2013/856/

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SWD-Schlagwörter:

Rhodotorula glutinis , Biodiesel

Freie Schlagwörter (Englisch):

Carotenoids , Wastewater , Microbial lipids

Institut:

Institut für Kulturpflanzenwissenschaften

Fakultät:

Fakultät Agrarwissenschaften

DDC-Sachgruppe:

Landwirtschaft, Veterinärmedizin

Dokumentart:

Dissertation

Hauptberichter:

Claupein, Wilhelm Prof. Dr.

Sprache:

Englisch

Tag der mündlichen Prüfung:

08.05.2013

Erstellungsjahr:

2013

Publikationsdatum:

08.07.2013

Lizenz:

Veröffentlichungsvertrag mit der Universitätsbibliothek Hohenheim

Kurzfassung auf Englisch:

Due to the increasing demand for sustainable biofuels, microbial oils as feedstock for the transesterification into biodiesel have gained scientific and commercial interest. Also microbial carotenoids have a considerable market potential as natural colorants. Against this background this thesis assessed the feasibility of biodiesel produced by heterotrophic microorganisms, particularly yeasts, using the example of oleaginous red yeast Rhodotorula glutinis. To improve the economic efficiency of this process, several studies have been conducted in order to test (i) whether wastewaters from the agricultural processing industry can be utilized as low-cost carbon and nutrient source for growth and lipid production by R. glutinis and (ii) if they also facilitate the simultaneous production of beta-carotene and other carotenoids as high-value by-products. It has been shown at a small scale, that agricultural processing wastewaters can be used as feedstock for the microbial production of lipids and carotenoids.
The general discussion continues to assess the approach of microbial biodiesel production in a broader context in terms of its economic, environmental and energetic performance. The calculated break-even price of microbial oil, excluding the cost of the carbon source for fermentation, is around double the price of conventional plant oils as competing products. To reduce the costs, cultivation in open raceway ponds was proposed, which led to a cost reduction of around 20 %. In order to assess the potential environmental benefits different life cycle assessments from algae biodiesel production, which share common features with the proposed process, have been analyzed. It was concluded, that microbial biodiesel cannot outperform common 1st generation biodiesel in terms of GHG emissions, whereas factors of eutrophication potential and land competition could be significantly improved. The high climate relevant emissions were mainly driven by the high energy requirements connected to the extraction of microbial oil, which also puts a heavy burden on the energetic efficiency of the process. Considering the potential of continued research and technical development along with the political commitment to promote 2nd and 3rd generation biofuels, it was concluded, that in the long term microbial biodiesel could become a commercial reality above laboratory and pilot scale. Due to the different restrictions this will probably not happen within the next 20-30 years.
Contrary to biodiesel, carotenoids are high-value products, with beta-carotene yielding around US$ 600 per kg. Sustained by this high price and allowing for certain improvements regarding beta-carotene yields and extraction techniques, it can be possible to economically and sustainable produce beta-carotene from R. glutinis in the near future.

Kurzfassung auf Deutsch:

Aufgrund des steigenden Bedarfs nach nachhaltigen Biokraftstoffen haben mikrobielle Öle als Rohstoff für die Umesterung in Biodiesel an wissenschaftlicher und kommerzieller Bedeutung gewonnen. Auch mikrobiell synthetisierte Carotinoide besitzen ein beachtliches Marktpotenzial im Bereich der natürlichen Farbstoffe. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Möglichkeit der Biodieselproduktion durch heterotrophe Mikroorganismen, insbesondere Hefen, am Beispiel der ölakkumulierenden Rothefe Rhodotorula glutinis. Um die Wirtschaftlichkeit dieses Ansatzes zu verbessern, wurden verschiedene Versuche durchgeführt, um zu überprüfen (i) ob Abwässer der landwirtschaftlichen Verarbeitungsindustrie und des Agribusiness als kostengünstige Kohlenstoff- und Nährstoffquellen für Wachstum und Lipidproduktion von R. glutinis genutzt werden können und (ii) ob sie darüber hinaus die simultane Produktion von Beta-Carotin und weiteren Carotinoiden als hochwertige Nebenprodukte ermöglichen.
In kleinem Maßstab konnte gezeigt werden, dass Abwässer aus der landwirtschaftlichen Verarbeitungsindustrie als Ausgangsstoff für die mikrobielle Produktion von Lipiden und Carotinoiden genutzt werden können. Die Gesamtdiskussion führte die Bewertung der mikrobiellen Biodieselproduktion in einem größeren Gesamtzusammenhang fort, der ökonomische, ökologische sowie energetische Parameter mit einschloss. Der errechnete Break-even Preis, exklusive der Kosten für die Kohlenstoffquelle, war etwa doppelt so hoch wie der Preis für herkömmliches Pflanzenöl als relevantem Konkurrenzprodukt. Um Kosten einzusparen, wurde die Kultivierung der Hefen in offenen Teichsystemen (raceway ponds) vorgeschlagen, was zu einer Kostenminderung von ca. 20 % führte. Um eventuelle umweltrelevante Vorteile zu beurteilen, wurden verschiedene Ökobilanzen ausgewertet, die sich mit der thematisch nah verwandten Produktion von Biodiesel aus ölakkumulierenden Algen beschäftigten. Es wurde festgestellt, dass mikrobieller Biodiesel im Vergleich zu konventionellem Biodiesel der 1. Generation keine Emissionseinsparungen aufweisen kann, während er hingegen in den Bereichen ?Eutrophierungspotential? und ?Landnutzungseffizienz? deutlich besser abschneidet. Die hohen klimarelevanten Emissionen werden zum Großteil durch den hohen Energieverbrauch während des Ölextraktionsprozess verursacht, was gleichermaßen auch eine große Belastung hinsichtlich der Energieeffizienz des Prozesses darstellt. Es wurde gefolgert, dass in Anbetracht des Potentials fortschreitender Forschung und technischer Entwicklung und einhergehend mit dem politischen Willen Biokraftstoffe der 2. und 3. Generation weiter zu fördern, die mikrobielle Biodieselproduktion langfristig zur wirtschaftlichen Realität werden kann. Aufgrund der genannten Restriktionen wird dies allerdings wahrscheinlich nicht innerhalb der nächsten 20-30 Jahre geschehen.
Abschließend wurde die Realisierbarkeit der Produktion von Carotinoiden durch R. glutinis bewertet. Im Gegensatz zu Biodiesel stellen Carotinoide hochwertige Produkte dar, wobei Beta-Carotin einen Marktpreis von ca. US$ 600 je kg erzielen kann. Dieser hohe Preis sowie bestimmte Optimierungen bezüglich des Beta-Carotin Ertrags und der angewandten Extraktionsmethoden können in naher Zukunft eine wirtschaftliche und nachhaltige Produktion von Beta-Carotin durch R. glutinis ermöglichen.