Biodiesel from microalgae beats bioethanol.doc

biodiesel from microalgae beats bioethanolyusuf chistia, aschool of engineering, massey university, private bag 11 222, palmerston north, new zealand available online 24 january 2008. le biodiesel algal lemporte sur le biothanolyusuf chistia, acole dingnieurs, universit de massey, private bag 11222, palmerston north, nouvelle-zlande en ligne depuis le 24 janvier 2008.an integrated oil-production processa conceptual process for producing microalgal oils for making biodiesel is shown in figure 1. the process consists of a microalgal biomass production step that requires light, carbon dioxide, water and inorganic nutrients. the latter are mainly nitrates, phosphates, iron and some trace elements. sea water supplemented with commercial nitrate and phosphate fertilizers, and a few other micronutrients, is commonly used for growing marine microalgae 5. fresh and brackish water from lakes, rivers and aquifers can be used. growth media are generally inexpensive 1. in a 100 tons annum1 facility, cost of producing algal biomass has been estimated to be about $3000ton1 1, but cost per ton declines significantly as the scale of the production operation is increased.un procd intgr de production dhuilela figure 1 dcrit un concept de production dhuile de microalgues en vue dobtenir du biodiesel. ce procd comporte une tape de production de biomasse microalgale qui ncessite de la lumire, du dioxyde de carbone, de leau et des nutriments inorganiques. ces derniers sont principalement des nitrates, des phosphates, du fer ainsi que quelques lments traces. habituellement, pour cultiver des microalgues marines, on utilise de leau de mer enrichie en engrais commerciaux base de nitrate et de phosphate ainsi quen autres micronutriments 5. on peut aussi envisager dutiliser de leau douce et saumtre provenant de lacs, rivires et aquifres. en gnral, ces lments sont peu coteux 1. dans une infrastructure permettant de produire 100tonnes an-1, le cot de production de la biomasse algale a t estim environ 3000$ ton1 1, mais le cot la tonne baisse significativement mesure que lchelle de production augmente.approximately half of the dry weight of the microalgal biomass is carbon 6, which is typically derived from carbon dioxide. therefore, producing 100 tons of algal biomass fixes roughly 183 tons of carbon dioxide. this carbon dioxide must be fed continually during daylight hours. microalgal biomass production can potentially make use of some of the carbon dioxide that is released in power plants by burning fossil fuels 7 and 8. this carbon dioxide is often available at little or no cost.environ la moiti de la matire sche de la biomasse microalgale est constitue de carbone 6, qui est en gnral driv de dioxyde de carbone. par consquent, en produisant 100tonnes de biomasse algale, on fixe aux alentours de 183tonnes de dioxyde de carbone. ce dernier doit tre fourni en continu pendant la journe. la production de biomasse microalgale peut ventuellement tre ralise partir dune partie du dioxyde de carbone rejet par des centrales lectriques lors de la combustion de carburants fossiles 7 et 8. ce dioxyde de carbone est souvent disponible un cot rduit ou mme gratuitement.the algal broth produced in the biomass production stage needs to be further processed to recover the biomass 9. the water and residual nutrients recovered at this stage can be recycled to the biomass-cultivation stage (figure 1). the concentrated biomass paste is extracted with a water-immiscible solvent to recover algal oil, which can then be converted to biodiesel using already existing methods 1. the feasibility of oil extraction for microalgal biomass has been previously demonstrated 6 and 10. the extraction solvent (e.g. hexane) is expected to be recovered and recycled.afin de rcolter la biomasse, il est ncessaire de traiter le milieu de culture obtenu lors de la production des microalgues 9. leau et les nutriments rsiduels rcuprs au cours de cette tape peuvent tre rinjects dans un nouveau cycle (figure1). la pte contenant les microalgues concentres est extraite laide dun solvant non miscible leau pour rcolter lhuile dalgue. cette dernire peut par la suite tre convertie en biodiesel en utilisant les mthodes existantes 1. il a dj t dmontr que lextraction dhuile partir de biomasse microalgale est ralisable 6 et 10. il est en outre prfrable que le solvant (exemple: hexane) ncessaire lextraction soit ensuite rcupr et recycl.the biomass residue that remains after extraction of oil could be used partly as high-protein animal feed and, possibly, as a source of small amounts of other high-value microalgal products 5, 11 and 12. in both scenarios, the revenue from selling the biomass residues could defray the cost of producing biodiesel. however, the majority of algal biomass residue from oil extraction is expected to undergo anaerobic digestion to produce biogas. this biogas will serve as the primary source of energy for most of the production and processing of the algal biomass. the generation of surplus energy is expected and this could be sold to grid to further improve the economics of the integrated process. additional income could come from the sale of nutrient-rich fertilizer and irrigation water that would be produced during the anaerobic digestion stage (figure 1).une fois lhuile extraite, le rsidu de biomasse pourrait servir daliment pour animaux riche en protines et ventuellement constituer de petites quantits dautres produits algaux haute valeur ajoute 5, 11 et 12. dans les deux cas, les revenus issus de la vente de ces rsidus de biomasse pourraient compenser les cots lis la production de biodiesel. nanmoins, on suppose que la majeure partie du rsidu de biomasse algale provenant de lextraction dhuile subira une digestion anarobie en vue de produire du biogaz. ce dernier constituera la source principale dnergie pour la majeure partie de la production et de la transformation de la biomasse algale. un surplus dnergie devrait tre obtenu et pourrait ensuite tre vendu au rseau de distribution dlectricit afin damliorer davantage la rentabilit du concept. la vente dengrais riche en nutriments et deau dirrigation produits au cours de la digestion anarobie pourrait reprsenter une source de revenus supplmentaires (figure 1).the technology for anaerobic digestion of waste biomass exists and is well developed 13, and the technology for converting biogas to electrical/mechanical power is well established 14. the carbon dioxide generated from combustion of biogas can be recycled directly for the production of the microalgae biomass (figure 1).la technologie de digestion anarobie de dchets organiques existe et est couramment employe 13, de mme que celle destine convertir du biogaz en nergie lectrique/mcanique. le dioxyde de carbone gnr par la combustion de biogaz pourrait tre recycl directement pour produire la biomasse microalgale (figure 1).energy content of biogas produced through anaerobic digestion typically ranges from 16 200kjm3 to 30 600kjm3* depending on the nature of the source biomass. typically, the yield of biogas varies from 0.15 to 0.65m3 per kg of dry biomass. assuming average values of biogas energy content and yield, biogas production from microalgal solids, after their 30% oil content has been removed, could provide at least 9360 mj of energy per metric ton. this is a substantial amount of energy and it should run the microalgal biomass production process.le contenu nergtique du biogaz produit par digestion anarobie oscille habituellement entre 16200kjm3 et 30600kjm3 selon la nature de la biomasse. en rgle gnrale, le rendement de biogaz est compris entre 0,15 et 0,65m3 par kg de biomasse sche. partant de valeurs moyennes en termes de contenu nergtique et de rendement de biogaz, la production de biogaz partir de matires solides (microalgues), une fois 30% de lhuile quelles contiennent limine, pourrait fournir au moins 9360mj dnergie par tonne. il sagit dune quantit importante qui devrait permettre dalimenter le procd de production de biomasse microalgale. ideally, microalgal biodiesel can be carbon neutral, because all the power needed for producing and processing the algae could potentially come from biodiesel itself and from methane produced by anaerobic digestion of the biomass residue left behind after the oil has been extracted. although microalgal biodiesel can be carbon neutral, it will not result in any net reduction in carbon dioxide that has already accumulated as a consequence of burning of fossil fuels.idalement, le biodiesel algal pourrait tre neutre en carbone, dans la mesure o lnergie ncessaire la production et la transformation des algues proviendrait du biodiesel lui-mme et du mthane produit par digestion anarobie de la biomasse restant aprs extraction de lhuile. mais, mme dans ce cas, sa production ne permettra pas de rduire les quantits de co2 qui sest dj accumul suite la combustion de carburants fossiles.production of microalgal biomassproducing microalgal biodiesel requires large quantities of algal biomass. to minimize expense, the biomass must be produced using freely available sunlight and is thereby affected by fluctuations such as daily and seasonal variations in light levels. microalgae can be grown on a large scale in photobioreactors 4, 5, 12, 15, 16, 17, 18 and 19. many different designs of photobioreactors have been developed, but a tubular photobioreactor seems to be most satisfactory for producing algal biomass on the scale needed for biofuel production (figure 2).production de biomasse microalgalela production de biodiesel partir de microalgues ncessite de grandes quantits de biomasse algale. afin de rduire les cots au maximum, la biomasse doit tre produite en utilisant la lumire solaire, sachant que son intensit est affecte par des variations saisonnires et journalires, notamment. les microalgues peuvent tre cultives grande chelle dans des photobioracteurs 4, 5, 12, 15, 16, 17, 18 et 19. il existe de nombreux types de photobioracteurs, mais il semble que les photobioracteurs tubulaires soient les plus adapts pour produire les quantits de biomasse algale ncessaires la production de biocarburant (figure 2).a tubular photobioreactor consists of an array of straight transparent tubes that are usually made of plastic or glass. this tubular array, or the solar collector, captures the sunlight for photosynthesis (figure 2). the solar collector tubes are generally less than 0.1m in diameter to enable the light to penetrate into a significant volume of the suspended cells. microalgal broth is circulated from a reservoir (such as the degassing column shown in figure 2) to the solar collector and back to the reservoir 1. a photobioreactor is typically operated as a continuous culture during daylight 1.un photobioracteur tubulaire est constitu dun ensemble de tubes transparents placs en parallle gnralement en plastique ou en verre. ces tubes, que lon peut qualifier de capteur solaire, capturent la lumire du soleil ncessaire la photosynthse (figure 2). ils ont habituellement un diamtre de moins de 10cm afin de permettre la lumire datteindre la majeure partie des cellules en suspension. le milieu de culture circule dans un rservoir (tel que la colonne de dgazage illustre sur la figure 2), puis dans le capteur solaire et revient ensuite dans le rservoir 1. gnralement, pendant la journe, la culture a lieu en continu dans le photobioracteur 1.in a continuous culture, fresh culture medium is fed at a constant rate and the same quantity of microalgal broth is withdrawn continuously 5. feeding ceases during the night; however, the mixing of broth must continue to prevent settling of the biomass 5. as much as 25% of the biomass produced during daylight might be consumed during the night to sustain the cells until sunrise 1, 20 and 21. the extent of this nightly loss depends on the light level under which the biomass was grown, the growth temperature and the temperature at night.une culture en continu implique que lon introduise du milieu de culture frais un rythme constant et que la quantit quivalente de milieu contenant les microalgues soit extraite en permanence. pendant la nuit,lapport en milieu de culture est interrompu. nanmoins, le brassage du milieu doit perdurer afin dviter toute sdimentation de la biomasse 5. la nuit, jusqu 25 % de la biomasse produite pendant la journe peut tre consomme pour maintenir les cellules en vie jusquau lever du soleil 1, 20 et 21. lampleur de cette consommation dpend de lintensit lumineuse enregistre dans la journe, ainsi que de la temprature releve au cours de la croissance des microalgues (journe) et pendant la nuit.to maximize sunlight capture, the tubes in the solar collector are generally oriented northsouth (figure 2) 4 and 5. by arranging the tubes in a fence-like arrangement, shown in figure 2, the number of tubes that can be accommodated in a given area is maximized. the ground beneath the solar collector is either painted white or covered with white sheets of plastic 1, 5 and 16 to increase reflectance or albedo, which will increase the total light received by the tubes.afin doptimiser la capture de la lumire du soleil, les tubes dans le capteur solaire sont en gnral orients nord-sud (figure 2) 4 et 5. la disposition des tubes, comme illustr sur la figure 2, permet den utiliser un maximum dans une zone donne. la surface situe sous le capteur solaire est peinte en blanc ou recouverte de morceaux de plastique blancs 1, 5 et 16 afin daugmenter la reflctance ou albdo, ce qui aura pour effet daccrotre la quantit de lumire diffuse dans les tubes.biomass sedimentation in the tubes is prevented by maintaining a highly turbulent flow. this flow is produced either using a mechanical pump (as shown in figure 2) or a more gentle airlift pump, because mechanical pumps can damage the biomass 6, 22, 23, 24 and 25. airlift pumps have been used commonly 5, 12, 26, 27 and 28 because they are generally less expensive to install than mechanical pumps, cause less damage to biomass and do not have any moving parts that might fail; nevertheless, airlift pumps are less versatile than mechanical pumps and they can be difficult to design 28, 29 and 30.la sdimentation de la biomasse dans les tubes est empche grce un coulement trs turbulent maintenu en permanence. ce dernier est produit au moyen dune pompe mcanique (comme illustr sur la figure 2) ou dune pompe airlift, moins puissante et limitant ainsi le risque daltrer les microalgues 6, 22, 23, 24 et 25. par ailleurs, les pompes airlift sont plus frquemment utilises 5, 12, 26, 27 et 28, car leur cot dinstallation est moins lev que celui des pompes mcaniques. enfin, elles ne contiennent aucune pice mobile susceptible de prsenter un dysfonctionnement. en revanche, les pompes airlift sont moins polyvalentes que les pompes mcaniques et peuvent tre difficiles concevoir 28, 29 et 30.photosynthesis generates oxygen. under midday irradiance in most locations, the maximum rate of oxygen generation in a typical tubular photobioreactor can be as high as 10g o2m3min1. dissolved oxygen levels that are much greater than air saturation values will inhibit photosynthesis 27. furthermore, a high concentration of dissolved oxygen in combination with intense sunlight produces photooxidative damage to algal cells. to prevent photosynthesis inhibition and cell damage, the maximum tolerable dissolved oxygen level should not exceed 400% of air saturation value 27. because accumulated oxygen cannot be removed within a photobioreactor tube, the maximum length of a continuous tube run is limited. to remove oxygen, the culture is periodically returned to a degassing zone in which it is aerated to strip out the accumulated oxygen (figure 2) 1. typically, a continuous tube run does not exceed 80m 27; however, the possible tube length depends on several factors, including the concentration of the biomass, the light intensity, the flow rate and the concentration of oxygen at the entrance of the tube.la photosynthse produit de loxygne. dans la plupart des rgions, avec une irradiance de milieu de journe, le taux maximum de production doxygne dans un photobioracteur tubulaire classique peut atteindre 10g o2m3min1. les teneurs en oxygne dissous, qui sont bien plus leves que le taux de saturation de lair, inhibent la photosynthse 27. par ailleurs, une forte concentration en oxygne dissous associe une forte intensit solaire provoque une photooxydation des cellules algales, ce qui a pour effet de les endommager. afin dviter ce phnomne, la concentration maximale tolre en oxygne dissous ne doit pas dpasser 400% du taux de saturation de lair 27. dans la mesure o loxygne accumul dans le tube dun photobioracteur ne peut tre limin, la longueur maximale de lensemble des tubes est limite. afin denlever loxygne, la culture est rgulirement renvoye vers une zone de dgazage dans laquelle elle est are (figure 2) 1. en rgle gnrale, la longueur totale des tubes ne dpasse pas 80m 27;toutefois, elle dpend dun certain nombre de facteurs, comme la concentration de la biomasse, lintensit lumineuse, le taux dcoulement et la concentration en oxygne lentre du tube.in addition to removing the accumulated dissolved oxygen, the degassing zone must disengage all the gas bubbles from the broth so