Biofuel generasi ketiga dari mikroalga

Giuliano Dragone, Bruno Fernandes, Antnio A. Vicente, dan Jos Teixeira A.IBB - Institut Bioteknologi dan Bioengineering, Pusat Biological Engineering, University of Minho, Kampus deGualtar, 4710-057 Braga, Portugal

Produksi Biofuel dari sumber terbarukan secara luas dianggap sebagai salah satu alternatif yang paling berkelanjutan untuk bahan bakar minyak yang bersumber dan sarana yang layak untuk kelestarian lingkungan dan ekonomi. Mikroalga saat ini sedang dipromosikan sebagai bahan baku biofuel generasi ketiga ideal karena laju pertumbuhan yang cepat, kemampuan fiksasi CO2 dan kapasitas produksi yang tinggi lipid; mereka juga tidak bersaing dengan pangan atau pakan tanaman, dan dapat diproduksi di lahan non-pertanian. Mikroalga memiliki potensi bioenergi yang luas karena mereka dapat digunakan untuk menghasilkan transportasi dan pemanasan bahan bakar cair, seperti biodiesel dan bioetanol. Dalam ulasan ini kami menyajikan gambaran tentang penggunaan mikroalga untuk biodiesel dan bioethanol produksi, termasuk budidaya mereka, panen, dan pengolahan. Yang paling sering digunakan spesies mikroalga untuk tujuan ini serta sistem utama mikroalga budidaya (photobioreactors dan kolam terbuka) juga akan dibahas.

Kata kunci Mikroalga; Biofuels; Biodiesel; Bioetanol; Pemanasan global

1. Perkenalan

Kekhawatiran tentang kekurangan bahan bakar fosil, kenaikan harga minyak mentah, keamanan energi dan pemanasan global telah menyebabkan percepatan pertumbuhan kepentingan di seluruh dunia dalam sumber-sumber energi terbarukan seperti biofuel. Peningkatan jumlah berkembang pesat dan negara berkembang melihat biofuel sebagai kunci untuk mengurangi ketergantungan pada minyak asing, menurunkan emisi gas rumah kaca (GRK), terutama karbon dioksida (CO2) dan metana (CH4), dan memenuhi tujuan pembangunan pedesaan [1] .Biofuels yang disebut bahan bakar padat, cair atau gas yang berasal dari bahan organik. Mereka umumnya dibagi menjadibiofuel primer dan sekunder (Gbr. 1). Sementara biofuel utama seperti kayu bakar yang digunakan dalam bentuk yang belum diolah terutama untuk pemanasan, memasak atau listrik produksi, biofuel sekunder seperti bioetanol dan biodiesel yang dihasilkan oleh biomassa pengolahan dan dapat digunakan dalam kendaraan dan berbagai proses industri. Biofuel sekunder dapat dikategorikan ke dalam tiga generasi: pertama, biofuel generasi kedua dan ketiga berdasarkan parameter yang berbeda, seperti jenis teknologi pengolahan, jenis bahan baku atau tingkat perkembangan mereka [2].

Biofuels

Primer Sekunder

Kayu bakar, serpihan kayu, pelet, kotoran hewan, residu hutan dan tanaman, gas TPAGenerasi 1

Bioetanol atau butanol oleh fermentasi pati (dari gandum, barley, jagung, kentang) atau gula(Dari tebu, gula bit, dll)

Biodiesel oleh transesterifikasi minyak tanaman (rapeseed, kedelai, bunga matahari, sawit, kelapa, minyak goreng yang digunakan, lemak hewan, dll)Generasi ke-2

Bioetanol dan biodiesel yang dihasilkan dari teknologi konvensional tetapi berdasarkan novel pati, minyak dan gula tanaman seperti Jatropha, singkong atau miskantus;

Bioetanol, biobutanol, syndiesel dihasilkan dari bahan lignoselulosa (misalnya jerami, kayu, dan rumput)Generasi ke-3

Biodiesel dari mikroalga

Bioetanol dari mikroalga dan rumput laut

Hidrogen dari mikroalga hijau dan mikroba

Meskipun proses biofuel memiliki potensi yang besar untuk menyediakan rute karbon-netral untuk produksi bahan bakar, sistem produksi generasi pertama memiliki keterbatasan ekonomi dan lingkungan yang cukup besar. Perhatian yang paling umum yang terkait dengan arus biofuel generasi pertama adalah bahwa karena kapasitas produksi meningkat, begitu juga kompetisi mereka dengan pertanian untuk lahan garapan yang digunakan untuk produksi pangan. Meningkatkan tekanan pada lahan yang saat ini digunakan untuk produksi pangan dapat menyebabkan kekurangan pangan yang parah, khususnya untuk negara berkembang di mana sudah lebih dari 800 juta orang menderita kelaparan dan kekurangan gizi. Selain itu, penggunaan intensif tanah dengan pupuk yang tinggi dan aplikasi pestisida dan penggunaan air dapat menyebabkan masalah lingkungan yang signifikan [3].Munculnya biofuel generasi kedua ini dimaksudkan untuk memproduksi bahan bakar dari biomassa lignoselulosa, yang berkayu bagian dari tanaman yang tidak bersaing dengan produksi pangan. Sumber termasuk residu pertanian, residu pemanenan hutan atau limbah pengolahan kayu seperti daun, jerami atau serpihan kayu serta komponen non-edible jagung atau tebu. Namun, mengubah biomassa kayu menjadi gula difermentasi memerlukan teknologi yang mahal yang melibatkan pra-perlakuan dengan enzim khusus, yang berarti bahwa biofuel generasi kedua belum dapat diproduksi secara ekonomis dalam skala besar [4].Oleh karena itu, biofuel generasi ketiga yang berasal dari mikroalga yang dianggap sebagai sumber energi alternatif yang tanpa kelemahan utama yang terkait dengan biofuel generasi pertama dan kedua [2, 5, 6]. Mikroalga mampu menghasilkan minyak 15-300 kali lebih untuk produksi biodiesel dari tanaman tradisional secara luas. Selanjutnya dibandingkan dengan tanaman tanaman konvensional yang biasanya dipanen sekali atau dua kali setahun, mikroalga memiliki siklus panen sangat singkat (1- 10 hari tergantung pada proses), yang memungkinkan beberapa atau terus-menerus panen dengan hasil meningkat secara signifikan [3].

2. Karakteristik mikroalga

Microlgae, diakui sebagai salah satu organisme hidup tertua, yang thalofita (tanaman kurang akar, batang, dan daun) yang memiliki klorofil sebagai pigmen fotosintesis utama mereka dan tidak memiliki penutup steril sel di sekitar sel-sel reproduksi [4]. Sementara mekanisme fotosintesis pada mikroorganisme ini mirip dengan tanaman yang lebih tinggi, mereka adalah konverter umumnya lebih efisien energi surya karena struktur selular mereka yang sederhana. Selain itu, karena sel-sel tumbuh dalam suspensi berair, mereka memiliki akses yang lebih efisien untuk air, CO2, dan nutrisi lainnya [5].Tradisional mikroalga telah diklasifikasikan menurut warna dan karakteristik ini terus menjadi kepentingan tertentu. Sistem saat ini klasifikasi mikroalga didasarkan pada kriteria berikut utama: jenis pigmen, sifat kimia produk penyimpanan dan konstituen dinding sel. Kriteria tambahan mempertimbangkan karakter sitologi dan morfologi berikut: terjadinya sel mendera, struktur flagella, skema dan jalur pembelahan nuklir dan sel, kehadiran sebuah amplop dari retikulum endoplasma sekitar kloroplas, dan kemungkinan hubungan antara retikulum endoplasma dan membran nuklir [7]. Ada dua tipe dasarSel-sel dalam alga, prokariotik dan eukariotik. Sel prokariotik tidak memiliki organel membran-terikat (plastida,mitokondria, inti, badan Golgi, dan flagella) dan terjadi pada cyanobacteria. Sisa dari alga yang eukariotik dan memiliki organel [8].Mikroalga dapat berupa autotrophic atau heterotrofik. Jika mereka autotrophic, mereka menggunakan senyawa anorganik sebagai sumber karbon. Autotrophs bisa fotoautotropik, menggunakan cahaya sebagai sumber energi, atau chemoautotrophic, senyawa anorganik oksidasi untuk energi. Jika mereka heterotrofik, mikroalga menggunakan senyawa organik untuk pertumbuhan. Heterotrof dapat photoheterotrophs, menggunakan cahaya sebagai sumber energi, atau chemoheterotrophs, mengoksidasi senyawa organik untuk energi. Beberapa mikroalga fotosintesis yang mixotrophic, menggabungkan heterotrophy dan autotrophy oleh fotosintesis [8]. Untuk ganggang autotrofik, fotosintesis adalah komponen kunci dari kelangsungan hidup mereka, dimana mereka mengkonversi radiasi matahari dan CO2 diserap oleh kloroplas ke adenosine triphosphate (ATP) dan O2, mata uang energi yang dapat digunakan pada tingkat sel, yang kemudian digunakan dalam respirasi untuk menghasilkan energi untuk mendukung pertumbuhan [4].Mikroalga mampu memperbaiki CO2 secara efisien dari sumber yang berbeda, termasuk atmosfer, gas buang industri, dan garam karbonat larut. Fiksasi CO2 dari atmosfer mungkin adalah metode yang paling dasar untuk tenggelam karbon, dan bergantung pada transfer massa dari udara ke mikroalga dalam lingkungan pertumbuhan air mereka selama fotosintesis. Namun, karena persentase yang relatif kecil dari CO2 di atmosfer (sekitar 0,036%), penggunaan tanaman terestrial bukanlah pilihan yang layak secara ekonomi [4]. Di sisi lain, industri gas buang seperti gas buang mengandung hingga 15% CO2, menyediakan sumber yang kaya CO2 untuk budidaya mikroalga dan rute berpotensi lebih efisien untuk CO2 bio-fiksasi. Banyak spesies mikroalga juga telah mampu memanfaatkan karbonat seperti Na2CO3 dan NaHCO3 untuk pertumbuhan sel. Beberapa spesies ini biasanya memiliki tinggi aktivitas carboanhydrase ekstraseluler, yang bertanggung jawab untuk konversi karbonat menjadi CO2 bebas untuk memfasilitasi asimilasi CO2. Selain itu, penyerapan langsung bikarbonat oleh sistem transportasi aktif juga telah ditemukan di beberapa spesies [9].Medium pertumbuhan harus menyediakan unsur-unsur anorganik yang merupakan sel alga. Elemen penting termasuk nitrogen (N) dan fosfor (P). Kebutuhan gizi minimal dapat diperkirakan dengan menggunakan rumus molekul perkiraan biomassa mikroalga, yaitu CO0.48H1.83N0.11P0.01 [5]. Nitrogen sebagian besar dipasok sebagai nitrat (NO3), tetapi sering ammonia (NH4) dan urea juga digunakan. Urea yang paling menguntungkan sebagai sumber nitrogen karena, untuk konsentrasi nitrogen yang setara, memberikan hasil yang lebih tinggi dan menyebabkan fluktuasi pH yang lebih kecil dalam medium selama pertumbuhan alga

[10]. Di sisi lain, nutrisi seperti P harus diberikan lebih penting karena fosfat ditambahkan kompleks dengan ion logam, oleh karena itu, tidak semua ditambahkan P adalah bio-tersedia [5]. Selain itu, pertumbuhan mikroalga tidak hanya bergantung pada pasokan yang cukup dari elemen penting makronutrien (karbon, nitrogen, fosfor, silikon) dan ion utama+ + - 2-(Mg2, Ca2, Cl, dan SO4dan molibdenum [11].) Tetapi juga pada sejumlah logam mikronutrien seperti zat besi, mangan, seng, kobalt, tembaga,

3. Mikroalga sebagai sumber potensial dari biofuel

Ada beberapa cara untuk mengkonversi biomassa mikroalga untuk sumber energi, yang dapat diklasifikasikan ke dalam konversi biokimia, reaksi kimia, pembakaran langsung, dan konversi termokimia (Gbr. 2). Dengan demikian, mikroalga dapat memberikan bahan baku untuk bahan bakar cair terbarukan seperti biodiesel dan bioetanol [12].Ide untuk menggunakan mikroalga sebagai sumber biofuel bukanlah hal yang baru, tetapi sekarang dianggap serius karena kenaikan harga minyak bumi dan, yang lebih penting lagi, kekhawatiran yang muncul tentang pemanasan global yang berhubungan dengan pembakaran bahan bakar fosil [5] . Pemanfaatan mikroalga untuk produksi biofuel menawarkan beberapa keuntungan atas tumbuhan tingkat tinggi: (1) mikroalga mensintesis dan mengakumulasi jumlah besar lipid netral (berat kering 20-50% dari biomassa) dan tumbuh pada tingkat yang tinggi; (2) mikroalga mampu sepanjang tahun produksi bulat, oleh karena itu, hasil minyak per area budaya mikroalga bisa jauh melampaui hasil tanaman biji minyak terbaik; (3) mikroalga membutuhkan air kurang dari terestrialtanaman sehingga mengurangi beban pada sumber air tawar; (4) budidaya mikroalga tidak memerlukan herbisida ataupestisida aplikasi; (5) mikroalga menyita CO2 dari gas buang yang dipancarkan dari tanaman bahan bakar fosil-pembangkit listrik tenaga dan sumber-sumber lain, sehingga mengurangi emisi gas rumah kaca utama (1 kg biomassa alga kering memanfaatkan sekitar 1,83 kg- 3-CO2); (6) air limbah bioremediasi oleh penghapusan NH4 +, NO3, PO4dari berbagai sumber air limbah (mispertanian run-off, terkonsentrasi operasi pakan ternak, dan air limbah industri dan kota); (7) dikombinasikan dengankemampuan mereka untuk tumbuh dalam kondisi yang lebih keras dan kebutuhan mengurangi mereka untuk nutrisi, mikroalga dapat dibudidayakan di saline / payau air / air laut pesisir di lahan non-pertanian, dan tidak bersaing untuk sumber daya dengan pertanian konvensional; (8) tergantung pada spesies mikroalga senyawa lain juga dapat diekstraksi, dengan aplikasi berharga dalam sektor industri yang berbeda, termasuk berbagai macam bahan kimia dan produk massal, seperti asam tak jenuh ganda lemak, pewarna alami, polisakarida, pigmen, antioksidan, tinggi senyawa bioaktif -nilai, dan protein [4, 12, 13].

PhotobiologicalHidrogen Produksi Hidrogen

BiokimiaKonversiFermentasi

Anaerobic DigestionBioetanol, Aseton, Butanol

Metana, Hidrogen

GasifikasiSyngas

MikroalgaBiomassaTermokimiaKonversiPirolisis

PencairanBio-oil, Arang, Syngas

Bio-oil

KimiaReaksiTransesterifikasi Biodiesel

4. Biodiesel dan bioetanol produksi dari mikroalgaStudi terbaru menunjukkan bahwa biomassa mikroalga merupakan salah satu sumber yang paling menjanjikan dari biodiesel terbarukan yang mampu memenuhi permintaan global untuk bahan bakar transportasi. Produksi Biodiesel oleh mikroalga tidak akan berkompromi produksi pangan, pakan ternak dan produk lainnya yang berasal dari tanaman [5].Biomassa mikroalga mengandung tiga komponen utama: protein, karbohidrat, dan lemak (minyak) [13]. Komposisi biomassa berbagai mikroalga dalam hal komponen utama ditunjukkan pada Tabel 1.Tabel 1 Komposisi Biomassa mikroalga dinyatakan secara bahan kering ([13, 14]).Saring Protein Karbohidrat LipidAnabaena cylindrica 43-56 25-30 4-7Botryococcus braunii 40 2 33Chlamydomonas reinhardtii 48 17 21Chlorella pyrenoidosa 57 26 2Chlorella vulgaris 41-58 12-17 10-22Dunaliella bioculata 49 4 8Dunaliella salina 57 32 6Dunaliella tertiolecta 29 14 11Euglena gracilis 39-61 14-18 14-20Porphyridium cruentum 28-39 40-57 9-14Prymnesium parvum 28-45 25-33 22-39Dimorphus Scenedesmus 8-18 21-52 16-40Scenedesmus obliquus 50-56 10-17 12-14Scenedesmus quadricauda 47-1,9Spirogyra sp. 6-20 33-64 11-21Spirulina maxima 60-71 13-16 6-7Spirulina platensis 42-63 8-14 4-11Synechoccus sp. 63 15 11Tetraselmis maculata 52 15 3Banyak pekerjaan penelitian berlangsung difokuskan pada sejumlah kecil spesies mikroalga yang tumbuh cepat yang telah ditemukan untuk mengakumulasi jumlah besar lipid, meskipun dalam kondisi tertentu. Dalam ganggang hijau, spesies khas termasuk Chlamydomonas reinhardtii, Dunaliella salina, dan berbagai jenis Chlorella, serta Botryococcus braunii, yang meskipun lambat tumbuh dapat mengumpulkan jumlah besar lipid [15]. Sementara banyak strain mikroalga secara alami memiliki kadar lemak yang tinggi, adalah mungkin untuk meningkatkan konsentrasi dengan mengoptimalkan-pertumbuhan faktor penentu seperti kontrol tingkat nitrogen, intensitas cahaya, suhu, salinitas, konsentrasi CO2 dan prosedur panen.Namun, meningkatkan akumulasi lipid tidak akan menghasilkan peningkatan produktivitas lipid produktivitas biomassa dan akumulasi lipid tidak selalu berkorelasi. Akumulasi lipid mengacu pada peningkatan konsentrasi lipid dalam sel mikroalga tanpa pertimbangan produksi biomassa keseluruhan. Produktivitas lipid memperhitungkan baik konsentrasi lipid dalam sel dan biomassa yang dihasilkan oleh sel-sel ini dan oleh karena itu merupakan indikator yang lebih berguna dari potensi biaya produksi biofuel cair [4].Produksi terpadu biofuel dari mikroalga (Gambar. 3) termasuk langkah budidaya mikroalga, diikuti oleh pemisahan sel dari media pertumbuhan dan ekstraksi lipid berikutnya untuk produksi biodiesel melalui transesterifikasi.Nutrisi cahayaBudidaya mikroalgaPengeringan gangguan sel dan ekstraksi minyakLipid danasam lemak bebasTransesterifikasiCO2 air Budaya daur ulangPati dan proteinHidrolisis patiBiodieselFermentasi DistillationPembangkit Listrik ListrikGambar. 2 proses konversi untuk produksi biofuel dari biomassa mikroalga (dimodifikasi dari [9]).

Setelah ekstraksi minyak, enzim amilolitik digunakan untuk mempromosikan pati hidrolisis dan pembentukan gula difermentasi. Gula ini difermentasi dan disuling menjadi bioetanol menggunakan teknologi etanol destilasi konvensional.

4.1 Sistem Budidaya

Setelah memilih strain mikroalga untuk mendapatkan produk yang menarik, menjadi perlu untuk mengembangkan berbagai macam bioprocesses yang membuat layak komersialisasi. Dengan demikian, desain dan optimalisasi bioreaktor yang memadai untuk mengolah mikroorganisme ini merupakan langkah besar dalam strategi yang bertujuan mengubah temuan-temuan ilmiah menjadi produk berharga. Meskipun banyak aplikasi yang mungkin, hanya beberapa spesies alga yang dibudidayakan secara komersial karena kurang berkembang teknologi bioreaktor mikroalga.Dari sudut pandang komersial, sistem budaya mikroalga harus memiliki banyak karakteristik berikut mungkin: produktivitas daerah yang tinggi; produktivitas volumetrik yang tinggi; inexpensiveness (baik dari segi investasi dan biaya pemeliharaan); kemudahan kontrol parameter budaya (suhu, pH, O2, turbulensi); dan kehandalan [16]. Sistem Budidaya desain yang berbeda berusaha untuk mencapai karakteristik ini berbeda. Meskipun istilah "fotobioreaktor" (PBR) telah diterapkan untuk membuka kolam dan saluran, diterapkan phycologists umumnya dibedakan antara sistem terbuka dan PBRs (perangkat yang memungkinkan budaya monoseptic). Jadi dalam bab ini PBR istilah hanya digunakan untuk sistem tertutup.

4.1.1 Sistem Terbuka

Sistem terbuka yang dipelajari secara ekstensif dalam beberapa tahun terakhir [17-19], tetapi sistem budidaya alga ini telah digunakan sejak 1950-an. Sistem budidaya terbuka klasik terdiri danau dan kolam alami, kolam melingkar, kolam raceway dan sistem miring. Sistem Terbuka adalah sistem pertumbuhan yang paling luas dan semua sistem komersial yang sangat besar yang digunakan saat ini adalah dari jenis ini. Alasan untuk ini berkaitan dengan isu-isu ekonomi dan operasional, karena sistem ini lebih mudah dan lebih murah untuk membangun, mengoperasikan lebih tahan lama dan memiliki kapasitas produksi lebih besar daripada sistem tertutup sebagian; lebih lanjut, mereka dapat memanfaatkan sinar matahari dan nutrisi dapat diberikan melalui air limpasan dari lahan terdekat atau dengan menyalurkan air dari tanaman limbah / pengolahan air [20] sehingga metode termurah produksi biomassa alga skala besar.Meskipun sistem ini yang paling banyak digunakan di tingkat industri, sistem terbuka masih ada tantangan teknis yang signifikan. Umumnya kolam yang rentan kondisi cuaca, tidak memungkinkan kontrol suhu air, penguapan dan pencahayaan, yang membuat sistem ini tergantung pada kondisi yang berlaku daerah iklim (harian dan kisaran suhu tahunan, curah hujan tahunan dan pola curah hujan, jumlah hari-hari cerah, dan Gelar tutupan awan). Selain itu, kontaminasi oleh predator dan heterotrof lainnya yang berkembang pesat telah membatasi produksi komersial alga dalam sistem budaya terbuka untuk berpuasa tumbuh, alami atau spesies extremophilic. Akibatnya, hal ini sangat membatasi jenis alga yang dapat tumbuh dalam sistem tersebut. Akibatnya, hanya Dunaliella (beradaptasi dengan sangat tinggi salinitas), Spirulina (beradaptasi dengan alkalinitas tinggi) dan Chlorella (beradaptasi kaya gizi Media) telah berhasil ditanam di sistem kolam terbuka komersial [20].Kolam alami dan buatan hanya layak ketika serangkaian kondisi terpenuhi. Adanya kondisi iklim yang menguntungkan dan nutrisi yang cukup untuk tumbuhnya mikroalga yang deras dapat dihindari dan juga mensyaratkan bahwa air menyajikan karakteristik selektif (misalnya salinitas tinggi, pH tinggi, konsentrasi nutrisi tinggi) untuk memastikan adanya monokultur. Contoh sukses dari jenis budidaya adalah produksi Arthrospira di Danau Kossorom (soda danau di pinggiran timur laut yang tidak teratur dari Danau Chad) di mana orang-orang Kanembu panen sekitar 40 ton / tahun Arthrospira (Spirulina), untuk menggunakannya sebagai makanan [21] dan di Myanmar, di mana empat kawah vulkanik tua, penuh air alkali yang digunakan sebagai sistem budidaya untuk produksi sekitar 30 ton / tahun Arthrospira yang dijual di pasar lokal [22]. Produsen Australia D. salina (sangat halofilik dan alga hijau yang sangat terang-toleran) Betatene Ltd, menggunakan kolam yang sangat besar (hingga 250 ha dengan kedalaman rata-rata 0,2 hingga 0,3 m) di perairan sangat halofilik dari Hutt- Lagoon, Australia Barat yang tidak dicampur selain angin dan konveksi [24].Sistem miring (sistem cascade) adalah satu-satunya sistem terbuka yang mencapai kepadatan sel berkelanjutan tinggi (hingga 10 g l-1). Sistem ini sangat cocok untuk ganggang seperti Chlorella dan Scenedesmus, yang dapat mentolerir diulang memompa [23]. Dalam sistem cenderung turbulensi yang dibuat oleh gravitasi, suspensi budaya mengalir dari atas ke bawah permukaan miring, sehingga mencapai aliran yang sangat bergolak dan memungkinkan adopsi sangat tipis lapisan budaya ( 80 g l-1) dari sel fotoautotropik diamati [4].Dalam PBR ini lapisan tipis budaya yang sangat padat dicampur atau diterbangkan di panel transparan datar, yang memungkinkan penyerapan radiasi di pertama ketebalan beberapa milimeter. PBRs datar cocok untuk budaya massa mikroalga karena akumulasi rendah oksigen terlarut dan efisiensi fotosintesis tinggi dicapai bila dibandingkan dengan desain tubular [4]. Biasanya, panel diterangi terutama pada satu sisi oleh sinar matahari langsung dan memiliki keuntungan tambahan yang mereka dapat diposisikan secara vertikal atau miring pada sudut yang optimal menghadap matahari memungkinkan efisiensi yang lebih baik dalam halenergi yang diserap dari insiden sinar matahari. Dikemas panel datar dicampur dengan gelembung udara berpotensi dapat mencapai sangat tinggikeseluruhan produktivitas tanah areal melalui laminasi cahaya matahari. Keterbatasan termasuk kesulitan dalam mengendalikan suhu budaya, beberapa derajat pertumbuhan dinding, skala-up membutuhkan banyak kompartemen dan bahan-bahan pendukung, dan kemungkinan stres hidrodinamik beberapa strain alga [12] (Tabel 2).

4.1.2.3 photobioreactors Kolom

Reaktor PBRs kolom kadang-kadang diaduk tangki [37], tetapi lebih sering kolom gelembung [38] atau airlifts [39]. Kolom ditempatkan secara vertikal, aerasi dari bawah, dan diterangi melalui dinding transparan atau internal. Bioreaktor kolom menawarkan pencampuran yang paling efisien, kecepatan transfer gas tertinggi volumetrik, dan yang terbaik kondisi pertumbuhan terkendali. Mereka adalah murah, kompak dan mudah dioperasikan. Kinerja mereka (yaitu konsentrasi biomassa akhir dan laju pertumbuhan spesifik) lebih baik dibandingkan dengan nilai-nilai biasanya dilaporkan untuk PBRs tubular.Kolom gelembung vertikal dan silinder airlift dapat mencapai substansial meningkatkan gerakan radial cairan yang diperlukan untuk meningkatkan bersepeda terang-gelap. Desain reaktor ini memiliki permukaan rendah / volume, namun secara substansial gas yang lebih besar terus-up dari reaktor horizontal dan arus yang jauh lebih kacau gas-cair. Akibatnya, budaya menderita kurang dari foto-hambatan dan foto-oksidasi, dan mengalami siklus terang-gelap lebih memadai [12].

4.1.3 fotobioreaktor desain dan pertimbangan skala-upMeskipun berbagai konfigurasi, beberapa isu penting perlu menangani ketika membangun sebuah PBR: penyediaan efektif dan efisien cahaya; pasokan CO2 dan meminimalkan desorpsi; pencampuran yang efisien dan sirkulasi budaya; teknologi PBR scalable dan bahan yang digunakan dalam pembangunan PBR.Cahaya sebagai sumber energi bagi kehidupan fotoautotropik adalah pokok faktor pembatas dalam foto bioteknologi. Regimen cahaya di dalam PBR dipengaruhi oleh intensitas cahaya insiden, desain reaktor dan dimensi, densitas sel, pigmentasi sel, pencampuran pola, dll PBRs luar rejimen cahaya juga dipengaruhi oleh letak geografis, waktu hari, dan kondisi cuaca. Karena gradien cahaya di dalam reaktor dan tergantung pada sifat-sifat pencampuran, mikroalga dikenakan siklus terang-gelap di mana periode cahaya ditandai dengan gradien cahaya. Siklus terang-gelap akan menentukan produktivitas dan biomassa hasil pada energi cahaya [40]. Informasi tentang kuantitatif (fotosintesis kerapatan fluks foton) dan kualitatif (distribusi intensitas spektral) aspek pola lampu di titik yang berbeda dari PBR dapat diperoleh dengan menggunakan teknologi serat optik [40].Pasokan CO2 untuk mikroalga sistem budaya massa adalah salah satu kesulitan utama yang harus diselesaikan [41]. Titik utama dari semua pertimbangan yang berkaitan dengan anggaran CO2 adalah bahwa, di satu sisi, CO2 tidak harus mencapai konsentrasi atas yang menghasilkan penghambatan dan, di sisi lain, tidak boleh jatuh di bawah konsentrasi minimum yang membatasi pertumbuhan. Maksimum ini (inhibisi) dan minimum (pembatasan) konsentrasi bervariasi dari satu spesies ke spesies lain dan belum memadai diketahui, mulai dari 2,3 x 10-2 M menjadi 2,3 x 10-4 M. injeksi Gas sebagai gelembung menit ke dalam kolom dari Budaya downcoming di mana kecepatan budaya disesuaikan dengan gelembung CO2 meningkat dapat meningkatkan efisiensi penyerapan CO2 dan dengan demikian efisiensi pemanfaatan dapat ditingkatkan hingga 70% [42]. Dalam Sparging gelembung kolom PBR ganda, kecepatan transfer CO2 meningkat 5 kali dibandingkan dengan reaktor yang sama di mana CO2 itu dicampur ke dalam aerasi udara [43], sementara penelitian lain menunjukkan bahwa, dalam konfigurasi PBR yang sama, efisiensi pengalihan CO2 yang 100% pada kondisi tertentu [44].Tingkat pencampuran di PBR sangat memberikan kontribusi terhadap pertumbuhan mikroalga. Pencampuran diperlukan untuk mencegah sel-sel dari menetap, untuk menghindari stratifikasi termal, untuk mendistribusikan nutrisi dan memecah gradien difusi pada permukaan sel, untuk menghapus photosynthetically dihasilkan oksigen dan untuk memastikan bahwa sel-sel mengalami periode pergantian terang dan gelap panjang yang memadai [19] . Dinamika fluida dari medium kultur dan jenis pencampuran pengaruh rata-rata radiasi dan rejimen cahaya dimana sel-sel yang terkena, yang pada gilirannya menentukan produktivitas. Fluktuasi intensitas cahaya lebih cepat dari 1 s-1 meningkatkan tingkat pertumbuhan tertentu dan produktivitas budaya mikroalga. Dalam budaya luar terkena fotosintesis kepadatan fluks foton atas 1 000 umol m-2 s kali penyinaran harus sesingkat 10 ms untuk mempertahankan efisiensi fotosintesis yang tinggi [45]. Pilihan perangkat pencampuran dan intensitas pencampuran harus ditentukan oleh karakteristik organisme yang akan dibudidayakan.PBRs Tubular dan kolam raceway cocok untuk produksi [5] skala besar. Skalabilitas udara-angkat PBR dan gelembung kolom vertikal dianggap sebagai keuntungan dari sistem ini [46]. Skala-up sistem tertutup hanya mungkin dengan meningkatkan jumlah unit dalam skema produksi. Metode ini menjadi sangat mahal, karena setiap unit membutuhkan berbagai perangkat yang mengontrol berbagai faktor pertumbuhan (misalnya pH, suhu, aerasi, pasokan CO2, nutrisi pasokan). Selain itu, menjaga monokultur di semua unit menjadi menantang karena jumlah unit untuk memantau tumbuh [45]. Selain skala-up dengan perkalian dari modul identik, satu-satunya cara untuk meningkatkan volume adalah dengan meningkatkan panjang atau / dan diameter atau / dan jalan cahaya dari PBR; Namun, strategi ini dibatasi oleh adanya perubahan dalam kinerja PBR. Skala komersial ditutup PBR belum banyak dilaporkan dalam literatur ilmiah.Jenis bahan yang digunakan sangat penting mendasar bagi konstruksi PBR cocok. Bahan seperti plastik atau kaca lembaran, dilipat atau tabung kaku harus memiliki transparansi yang tinggi, kekuatan mekanik yang tinggi, daya tahan tinggi, stabilitas kimia, biaya rendah, harus kurang toksisitas dan akan memudahkan untuk membersihkan [19].Kelebihan dan kekurangan bahan yang paling umum digunakan untuk membangun PBR telah dilaporkan dalam literatur[47].

4.1.4 photobioreactors dibandingkan sistem terbuka

Tabel 2 menunjukkan perbandingan antara PBR (tubular, datar dan kolom) dan sistem terbuka untuk beberapa kondisi budaya dan parameter pertumbuhan.

Tabel 2 Keuntungan dan keterbatasan sistem budaya berbagai mikroalga

Budaya Sistem Keuntungan Keterbatasan

Terbuka sistem yang relatif ekonomisMudah untuk membersihkanPerawatan yang mudahPemanfaatan lahan non-pertanianInput energi rendah

Sedikit kontrol kondisi budaya Miskin pencampuran, ringan dan pemanfaatan CO2 Sulit untuk tumbuh budaya alga lamaperiodeProduktivitas yang burukTerbatas untuk beberapa strainBudaya mudah terkontaminasi

Tubular PBR Relatif murahLuas permukaan pencahayaan besar Cocok untuk budaya luar produktivitas biomassa BaikGradien pH, oksigen terlarut danCO2 sepanjang tabungFoulingBeberapa tingkat pertumbuhan dinding Membutuhkan tanah yang luas ruang Photoinhibition

PBR datar yang relatif murahMudah untuk membersihkanLuas permukaan pencahayaan besar Cocok untuk budaya luar konsumsi daya rendahProduktivitas biomassa yang baikJalan cahaya yang baik Mudah marah oksigen jalur oksigen build-up terpendek RendahSulit skala-upSuhu sulit mengontrol Beberapa tingkat pertumbuhan dinding stres hidrodinamik beberapa algastrainEfisiensi fotosintesis yang rendah

Kolom PBR konsumsi energi rendahMudah marah perpindahan massa tinggi baik pencampuranPaparan terbaik untuk siklus terang-gelapTegangan geser rendahMudah untuk mensterilkanMengurangi photoinhibitionMengurangi foto-oksidasiEfisiensi fotosintesis yang tinggiLuas permukaan iluminasi kecil bahan konstruksi canggih stres geser ke budaya algaPenurunan luas permukaan pencahayaan pada skala-upMahal dibandingkan dengan membuka kolamBiaya dukunganSkalabilitas sederhana

Pemilihan sistem produksi yang cocok jelas tergantung pada tujuan dari fasilitas produksi, mikroalga regangan dan produk yang menarik. Kesimpulannya, PBR dan terbuka kolam tidak boleh dipandang sebagai teknologi bersaing.

4.2 Metode Pemanenan

Mengingat konsentrasi biomassa yang relatif rendah diperoleh dalam sistem budidaya mikroalga karena batas penetrasi cahaya (biasanya di kisaran 1-5 g-l 1) dan ukuran kecil sel mikroalga (biasanya di kisaran 2-20 pM diameter), biaya dan konsumsi energi untuk panen biomassa menjadi keprihatinan yang signifikan yang perlu ditangani benar [6]. Dalam hal ini, pemanenan budaya mikroalga telah dianggap sebagai hambatan utama terhadap pengolahan skala industri mikroalga untuk produksi biofuel. Biaya pemulihan biomassa dari kaldu dapat membuat hingga 20-30% dari total biaya produksi biomassa [48]. Panen biomassa mikroalga dapat dicapai dalam beberapa cara fisik, kimia atau biologi: flokulasi, sentrifugasi, filtrasi, ultrafiltrasi, air-flotasi, auto flotasi, dll Secara umum, mikroalga panen adalah proses dua tahap, yang melibatkan: (1) panen Massal: bertujuan untuk pemisahan biomassa dari suspensi massal. Faktor konsentrasi untuk operasi ini umumnya 100-800 kali untuk mencapai 2-7% dari total padatan. Ini akan tergantung pada konsentrasi biomassa awal dan teknologi yang digunakan, termasuk flokulasi, flotasi atau gravitasi sedimentasi; (2) Pengentalan: tujuannya adalah untuk berkonsentrasi bubur melalui teknik seperti sentrifugasi, filtrasi dan agregasi ultrasonik, maka, umumnya lebih energi intensif langkah dari panen massal.4.2.1 FlokulasiFlokulasi dapat digunakan sebagai langkah awal dalam dewatering proses panen massal yang secara signifikan akan meningkatkan kemudahan pengolahan lebih lanjut. Tahap ini dimaksudkan untuk mengumpulkan sel mikroalga dari kaldu dalam rangka meningkatkan efektif '' partikel '' ukuran [49]. Karena sel mikroalga membawa muatan negatif yang mencegah mereka dari diri-agregasi di suspensi, penambahan bahan kimia yang dikenal sebagai flokulan menetralkan atau mengurangi muatan permukaan negatif. Bahan kimia ini mengentalkan ganggang tanpa mempengaruhi komposisi dan toksisitas produk [48]. Garam logam multivalen seperti klorida (FeCl3), aluminium sulfat (Al2 (SO4) 3) dan besi sulfat (Fe2 (SO4) 3) yang biasa digunakan [4].4.2.2 FlotasiBeberapa strain alami mengapung di permukaan air sebagai mikroalga peningkatan kadar lemak. Meskipun flotasi telah disebutkan sebagai metode panen potensial, ada bukti yang sangat terbatas kelayakan teknis atau ekonomi [4].4.2.3 SentrifugasiSentrifugasi melibatkan penerapan gaya sentrifugal untuk memisahkan biomassa mikroalga dari medium pertumbuhan. Setelah dipisahkan, mikroalga dapat dihapus dari budaya hanya menguras kelebihan media [49]. Pemulihan sentrifugal adalah metode cepat memulihkan sel alga, terutama untuk memproduksi diperpanjang rak-hidup berkonsentrasi untuk penetasan budidaya dan pembibitan [48]. Namun, gaya gravitasi dan geser tinggi selama proses sentrifugasi dapat merusak struktur sel. Selain itu, hal ini tidak efektif karena konsumsi daya yang tinggi terutama ketika mempertimbangkan volume besar [49].4.2.4 FiltrasiFiltrasi adalah metode pemanenan yang telah terbukti menjadi yang paling kompetitif dibandingkan dengan pilihan panen lainnya. Ada berbagai bentuk filtrasi, seperti buntu filtrasi, mikrofiltrasi, ultra filtrasi, filtrasi tekanan, filtrasi vakum dan tangensial filtrasi aliran (TFF). Umumnya, filtrasi melibatkan menjalankan kaldu dengan ganggang melalui filter yang ganggang menumpuk dan memungkinkan media untuk melewati filter. Kaldu terus dijalankan melalui microfilters sampai saringan berisi pasta ganggang tebal. Meskipun metode filtrasi tampaknya menjadi pilihan yang menarik dewatering, mereka terkait dengan biaya operasional yang luas dan persyaratan pra-konsentrasi tersembunyi [49].4.3 Ekstraksi lipid mikroalga4.3.1 Proses PengeringanBiomassa pengeringan sebelum ekstraksi lipid lebih lanjut dan / atau pengolahan termokimia merupakan langkah yang perlu dipertimbangkan. Sun pengeringan mungkin adalah metode pengeringan termurah yang telah digunakan untuk pengolahan biomassa mikroalga. Namun, metode ini membutuhkan waktu pengeringan yang lama, membutuhkan permukaan pengeringan besar, dan risiko hilangnya beberapa produk bioreactive [6]. Lebih efisien tetapi lebih mahal teknologi pengeringan yang telah diselidiki untuk pengeringan mikroalga termasuk drum drying, pengeringan semprot, fluidized bed drying, freeze drying dan jendela refractance teknologi dehidrasi [4].Gangguan 4.3.2 SelMayoritas biodiesel saat ini diproduksi dari minyak hewan atau tumbuhan melalui proses transesterifikasi berikut ekstraksi minyak dengan atau tanpa gangguan sel [3]. Kebanyakan metode gangguan sel berlaku untuk mikroalga telah diadaptasi dari aplikasi pada intraseluler bioproducts non-fotosintetik [4]. Metode gangguan sel yang telah digunakanberhasil termasuk homogenisers tekanan tinggi, autoklaf, dan penambahan asam klorida, natrium hidroksida, atau alkali lisis [50].4.3.3 Metode ekstraksi lipidBanyak metode untuk ekstraksi lipid dari mikroalga telah diterapkan; tetapi metode yang paling umum adalah expeller / tekan minyak, ekstraksi cair-cair (ekstraksi pelarut), ekstraksi superkritis cairan (SFE) dan teknik ultrasound [49].Expeller / minyak menekan adalah metode mekanik untuk mengekstraksi minyak dari bahan baku seperti kacang-kacangan dan biji-bijian. Tekan menggunakan tekanan tinggi untuk menekan dan memecah sel. Agar proses ini menjadi efektif, ganggang harus terlebih dahulu harus dikeringkan. Meskipun metode ini dapat memulihkan 75% dari minyak dan tidak ada keterampilan khusus yang dibutuhkan, dilaporkan kurang efektif karena waktu ekstraksi yang relatif lama [49].Ekstraksi pelarut terbukti berhasil untuk mengekstrak lipid dari mikroalga. Dalam pendekatan ini, pelarut organik, seperti benzena, cyclo-heksana, heksana, aseton, kloroform ditambahkan untuk ganggang pasta. Pelarut menghancurkan dinding sel alga, dan ekstrak minyak dari media berair karena kelarutannya tinggi dalam pelarut organik daripada air. Ekstrak pelarut kemudian dapat dikenakan proses distilasi untuk memisahkan minyak dari pelarut. Orang bisa dipakai untuk digunakan lebih lanjut. Heksana dilaporkan menjadi pelarut yang paling efisien dalam ekstraksi berdasarkan kemampuan ekstraksi tertinggi dan biaya rendah [49].Ekstraksi superkritis memanfaatkan tekanan tinggi dan suhu pecah sel. Ini metode tertentu ekstraksi telah terbukti sangat hemat waktu dan umumnya digunakan [49].Metode lain yang menjanjikan untuk digunakan dalam ekstraksi mikroalga adalah aplikasi ultrasound. Metode ini menghadapkan ganggang untuk gelombang ultrasonik intensitas tinggi, yang menciptakan gelembung kavitasi kecil di sekitar sel. Runtuhnya gelembung memancarkan gelombang listrik, menghancurkan dinding sel dan melepaskan senyawa yang diinginkan ke dalam larutan. Meskipun ekstraksi minyak dari mikroalga menggunakan USG telah digunakan luas di skala laboratorium, informasi yang cukup tentang kelayakan atau biaya untuk operasi skala komersial tidak tersedia. Pendekatan ini tampaknya memiliki potensi tinggi, tetapi penelitian lebih lanjut diperlukan [49].4.4 Produksi BiodieselSetelah proses ekstraksi, minyak mikroalga yang dihasilkan dapat dikonversi menjadi biodiesel melalui proses yang disebut transesterifikasi. Reaksi transesterifikasi terdiri dari mengubah trigliserida menjadi asam lemak ester alkil, dengan adanya alkohol, seperti metanol atau etanol, dan katalis, seperti alkali atau asam, dengan gliserol sebagai produk sampingan [51].Untuk penerimaan pengguna, biodiesel mikroalga perlu memenuhi standar yang ada, seperti ASTM Biodiesel Standard D 6751 (Amerika Serikat) atau Standar EN 14214 (Uni Eropa). Minyak mikroalga mengandung tingkat tinggi asam lemak tak jenuh ganda (dengan empat atau lebih ikatan ganda) bila dibandingkan dengan minyak nabati, yang membuatnya rentan terhadap oksidasi dalam penyimpanan dan karena itu mengurangi penerimaan untuk digunakan dalam biodiesel. Namun, sejauh mana jenuh minyak mikroalga dan isinya asam lemak dengan lebih dari empat ikatan rangkap dapat dikurangi dengan mudah melalui hidrogenasi katalitik parsial minyak, teknologi yang sama yang biasa digunakan dalam pembuatan margarin dari minyak nabati [5]. Namun demikian, biodiesel mikroalga memiliki sifat fisik dan kimia yang mirip dengan minyak solar, biodiesel generasi pertama dari tanaman sawit dan lebih baik dibandingkan dengan EN14214 standar internasional [4].4,5 Produksi BioetanolKepentingan saat dalam memproduksi bioetanol berfokus pada mikroalga sebagai bahan baku untuk proses fermentasi. Mikroalga menyediakan karbohidrat (dalam bentuk glukosa, pati dan polisakarida lainnya) dan protein yang dapat digunakan sebagai sumber karbon untuk fermentasi oleh bakteri, ragi atau jamur [49]. Misalnya, Chlorella vulgaris telah dianggap sebagai bahan baku potensial untuk produksi bioetanol karena dapat mengakumulasi tingkat tinggi pati [52]. Chlorococum sp. juga digunakan sebagai substrat untuk produksi bioetanol di bawah kondisi fermentasi yang berbeda. Hasil penelitian menunjukkan konsentrasi bioetanol maksimum 3,83 g l-1 diperoleh dari 10 g l-1 dari-diekstraksi lipid mikroalga puing-puing [53].Produksi bioetanol dengan menggunakan mikroalga juga dapat dilakukan melalui fermentasi diri. Penelitian sebelumnya melaporkan bahwa fermentasi gelap di ganggang hijau Chlorococcum littorale laut mampu menghasilkan 450 umol etanol g-1 di30 C [54].Meskipun laporan terbatas pada fermentasi mikroalga yang diamati, sejumlah keuntungan yang diamati untuk menghasilkan bioetanol dari mikroalga. Proses fermentasi memerlukan kurang konsumsi energi dan proses sederhana dibandingkan dengan sistem produksi biodiesel. Selain itu, CO2 yang dihasilkan sebagai produk sampingan dari proses fermentasi dapat didaur ulang sebagai sumber karbon untuk mikroalga dalam proses budidaya sehingga mengurangi emisi gas rumah kaca. Namun, produksi bioetanol dari mikroalga masih dalam penyelidikan dan teknologi ini belum dikomersialkan 5. Penutup

Mikroalga menawarkan potensi besar sebagai bahan baku yang berkelanjutan untuk produksi biofuel generasi ketiga, seperti biodiesel dan bioetanol. Namun, beberapa hambatan ilmiah dan teknis yang penting tetap harus diatasi sebelum produksi skala besar mikroalga berasal biofuel dapat menjadi kenyataan komersial. Perkembangan teknologi, termasuk kemajuan dalam desain fotobioreaktor, pemanenan biomassa mikroalga, pengeringan, dan pengolahan merupakan wilayah penting yang dapat menyebabkan efektivitas biaya-ditingkatkan dan oleh karena itu, implementasi komersial yang efektif dari biofuel dari mikroalga strategi.