Produksjon av mikrobiell olje fra animalsk fett : prosessdesign, masse- og energibalanse

Abstract

Det er ikke alt som slaktes på slakteriene som ender opp som matprodukter. Det oppstår også biprodukter, restavfall, som ikke kan utnyttes i matvarehandelen. Restavfallet deles grovt inn i to kategorier; det som ikke kan konsumeres av mennesker, og substanser som er ufarlige for mennesker, både til mat, kosmetikk og farmasi. Denne masteroppgaven dreier seg om den siste kategorien, animalsk fett, kategori 3. Problemstillingen er hvordan omgjøre animalsk fett til verdifulle oljer, på et industrielt anlegg med utgangspunkt i eksperimenter fra laboratoriet. Aktuelle leverandører til prosessenhetene i anlegget er oppgitt i sammendraget.

Utgangspunktet er 1000 kg animalsk fett fra slakteindustrien. Den kan lagres i en dyp-kjegle prosessenhet, med oppvarmingsfunksjon om nødvendig, fra Paul Mueller Company. Det animalske fettet blandes med en vannblanding bestående av 20 000 liter, med 200 kg gjærekstrakt og 212,25 kg mineraler som oppløses i vannet. Dette kan lagres i silo fra samme leverandør som over. I beregningene er det tatt med sterilisering av animalsk fett og sterilisering av vannblanding hver for seg. For det animalske fettet er dette gjort på forhånd fra leverandør, og hvis vannet holder en god, ren standard er det ikke nødvendig å sterilisere dette. Om sterilisering forekommer, bør det benyttes varmeveksler etter sterilisering i tank for å gjenbruke energien derfra. Varmeveksleren kan være av type Aalborg MD avløpskjøler fra Alfa Laval. Uten sterilisering forbruker prosessen 200 MJ mer per prosess.

Når det animalske fettet og vannblandingen er ren, så skal substansene videre til sonikator. Fett og vann er ikke blandbart, de oppløser seg ikke i hverandre. Sonikatoren forbinder vannet med fettet til en løsning, og kan godt være fra Hielscher Ultrasonics, med en kapasitet på 10 kW. Væsken kan sammenlignes med slam, fordi primærslam inneholder omtrent 93-97% vann. I væsken med animalsk fett og vannblanding, også kalt substrat, utgjør vannet 95%, hvorav resten er fettstoffer. Poenget er da at de suspenderte stoffene foreligger som små partikler i vannet på samme måte som det animalske fettet i substratet.

I fermentoren inokuleres substratet med muggsoppen Mortierella alpina. Det kan benyttes en fermentor fra Bioengineering AG. I denne sammenhengen brukes neddykket fermentering og direkte oppgradering. Direkte oppgradering betyr at muggsoppen har enzymer som er i stand til å bryte ned triasylglyserider, som er fettsyrer som forekommer ofte i dyr, til glyserol og fettsyrer, i denne sammenheng, oljesyre, for konsumering av Mortierella alpina. Dette er beskrevet kjemisk i fire reaksjonsligninger, de to første reaksjonsligninger representerer omdannelse til biomasse, dette gjelder 60% av stoffene, men de to siste reaksjonsligningene beskriver stoff som ikke reagerer med muggsoppen, representert som de siste 40% av stoffene.

Ut av fermentoren er det så beregnet at det kommer 273 kg med biomasse og 254 kg med triasylglyserider, uspist substrat, store mengder karbondioksid og nesten 1,7 tonn vann. Biomassen er egentlig muggsoppen. Under fermenteringen konsumerte den 60 % av substratet, og det ble dannet verdifulle oljer inne i muggsoppen. Til avvanning av vannet benyttes en hulfibermembran. En aktuell hulfibermembran er fra i2m-LLC med filtreringsareal på 4 m2. Denne fjerner vannet og triasylglyseridene, mens muggsoppen blir sittende fast i membranen. Etter membranfiltreringen, som er å fjerne overflødig vann utenfor cellen, går biomassen videre til fjerning av overflødig vann inne i cellen, som er tørking. Det er mulig å få kjøpt tørker fra Earth Care Products Inc, for eksempel, den enveis-roterende tørketrommelen. Etter tørking har biomassen minsket til omtrent 22 kg.

Etter tørking må de verdifulle oljene trekkes ut fra de avdøde cellene ved hjelp av superkritisk CO2- ekstraksjon, dette utstyret kan bestilles fra Scientific and Medical Products Ltd, og da gjenstår det 16,35 kg med olje. Av disse besto nesten 5 kg av flerumettede fettsyrer, PUFA, hvor det kunne utvinnes 2,06 kg av den viktigste fettsyren ARA og bare 70,3 g EPA, som det var minst av. ARA er viktig for nerver, skjelett og immunsystem, mens EPA kan muligens forebygge hjerte- og karsykdommer.

Not entirely everything slaughtered at the abattoir, can be obtained as food products. Bi-products, which are not fit to be consumed by humans, are a product of the food trade. The garbage is mainly divided into two categories; the one who should not be consumed by people, and the substances which is not considered a hazard to human health, when it comes to both food, cosmetics and pharmacy. This master thesis is about the last category, animal fat, category 3. The issue is how to make animal fat into valuable oil, on an industrial plant, with laboratory experiments as the foundation for the process. Possible manufacturers for the process units are included in this abstract.

The starting point is 1000 kg animal fat from the slaughterhouse. It can be stored in a deep-bottom cone process unit, with possibilities of heating, if necessary, from Paul Mueller Company. The animal fat is blended with a water solution consisting of 20 000 litres, with 200 kg yeast extract and 212,5 kg minerals which is solvable in water. This can be stored in a silo from the same manufacturer as the previous one. In the calculations, sterilization of the fat and sterilization of the water solution is done separately. When it comes to the animal fat, it has already been sterilized in advance from the manufacturer, and if the water has maintained its healthy, clean standard, it is not necessary to sterilize this. If sterilizing is being used, a heat exchanger should be put in place to reuse the energy from the sterilization. The heat exchanger could be a Aalborg MD drain cooler from Alfa Laval. Without the sterilization the process is consuming 200 MJ more in each process.

When the animal fat and the water solution is clean, then the substances are moving unto the sonicator. Fat and water do not dissolve in each other. The sonicator connects the water to the fat and compounds it into a solution, and that sonicator could be purchased from Hielscher Ultrasonics, with a capacity of 10 kW. This fluid can be compared with sludge, because primary sludge contains of 93-97% water. In the fluid, with animal fat and water solution, also called substrate, the water consists of 95%, of which the rest are fat substances. The point is that the suspended solids are present as small particles in the water, the same way the animal fat is present in the substrate.

In the fermenter the substrate is inoculated with the mould Mortierella alpine. A fermenter from Bioengineering AG can be utilised. In this context submerged fermentation and direct upgrading are applied. Direct upgrading means that enzymes from the mould breaks down the triacylglycerols, which are fatty acids commonly found in animals, unto glycerol and fatty acids. The fatty acids are in this situation, oleic acid, to be consumed by Mortierella alpine. This is described chemically in four chemical equations. The first two of them represents the formation of biomass, and this is the case for 60% of the substances. The two last chemical equations describe substances that do not react with the mould, which constitutes the last 40% of the substances.

From the fermenter it is calculated a biomass of 273 kg, and a mass of 254 kg of triacylglycerols, this is uneaten substrate, large amounts of carbon dioxide and nearly 1,7 tons of water. The biomass is actually the mould. During fermentation it consumed 60% of the substrate, and valuable oils were formed in the mould.

For dewatering a hollow fiber is used. One of the hollow fibers that could be obtained is from i2m-LLC, type Cera-Dur 6 Series, with a filtration area of 4 m2. This membrane removes the water and the triacylglycerols, while the mushroom remains in the membrane. After the membrane filtration, which is taking away redundant water outside of the cell, the drying removes the superfluous water inside of the cell, which is described as drying. It is possible to buy an industrial dryer from Earth Care Products Inc., for example, the single-pass rotary dryer. After drying, the biomass has diminished to about 22 kg.

After drying, the valuable oils must be extracted from the dead cells by the means of supercritical CO2- extraction, and this equipment can be ordered from Scientific and Medical Products Ltd, and then there is 16,35 kg with oil. Out of the 16 kg, nearly 5 kg consisted of polyunsaturad fatty acids, PUFA, with the possibility of extracting 2,06 kg of the important fatty acid ARA, while EPA, only consisting of 70,3 g, was the least present of all the PUFA. ARA is important to the nerves, the skeleton and the immune system, while EPA is likely to prevent cardiovascular disease.