Biodiesel from microalgae beats bioethanol

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Biodiesel from microalgae beats bioethanol Powered By Docstoc
					Biodiesel from                       microalgae Le biodiesel algal l’emporte sur le
beats bioethanol                                bioéthanol

Yusuf Chistia,                                         Yusuf Chistia,
a
School of Engineering, Massey University, Private aÉcole d’ingénieurs, Université de Massey, Private Bag 11 222,
Bag 11 222, Palmerston North, New Zealand         Palmerston North, Nouvelle-Zélande
Available online 24 January 2008.                 En ligne depuis le 24 janvier 2008.


[…]                                                    […]

An integrated oil-production process                   Un procédé intégré de production d’huile

A conceptual process for producing microalgal oils for La figure 1 décrit un concept de production d’huile de
making biodiesel is shown in Figure 1. The process microalgues en vue d’obtenir du biodiesel. Ce procédé
consists of a microalgal biomass production step that comporte une étape de production de biomasse microalgale
requires light, carbon dioxide, water and inorganic qui nécessite de la lumière, du dioxyde de carbone, de l’eau et
nutrients. The latter are mainly nitrates, phosphates, des nutriments inorganiques. Ces derniers sont principalement
iron and some trace elements. Sea water supplemented des nitrates, des phosphates, du fer ainsi que quelques
with commercial nitrate and phosphate fertilizers, and éléments traces. Habituellement, pour cultiver des microalgues
a few other micronutrients, is commonly used for marines, on utilise de l’eau de mer enrichie en engrais
growing marine microalgae [5]. Fresh and brackish commerciaux à base de nitrate et de phosphate ainsi qu’en
water from lakes, rivers and aquifers can be used. autres micronutriments [5]. On peut aussi envisager d’utiliser
Growth media are generally inexpensive [1]. In a 100 de l’eau douce et saumâtre provenant de lacs, rivières et
tons annum–1 facility, cost of producing algal biomass aquifères. En général, ces éléments sont peu coûteux [1]. Dans
has been estimated to be about $3000 ton−1 [1], but une infrastructure permettant de produire 100 tonnes an-1, le
cost per ton declines significantly as the scale of the coût de production de la biomasse algale a été estimé à
production operation is increased.                     environ 3 000 $ ton−1 [1], mais le coût à la tonne baisse
                                                       significativement à mesure que l’échelle de production
                                                       augmente.
Approximately half of the dry weight of the Environ la moitié de la matière sèche de la biomasse
microalgal biomass is carbon [6], which is typically microalgale est constituée de carbone [6], qui est en général
derived from carbon dioxide. Therefore, producing dérivé de dioxyde de carbone. Par conséquent, en produisant
100 tons of algal biomass fixes roughly 183 tons of      100 tonnes de biomasse algale, on fixe aux alentours de
carbon dioxide. This carbon dioxide must be fed 183 tonnes de dioxyde de carbone. Ce dernier doit être fourni
continually during daylight hours. Microalgal biomass en continu pendant la journée. La production de biomasse
production can potentially make use of some of the microalgale peut éventuellement être réalisée à partir d'une
carbon dioxide that is released in power plants by partie du dioxyde de carbone rejeté par des centrales
burning fossil fuels [7] and [8]. This carbon dioxide is électriques lors de la combustion de carburants fossiles [7] et
often available at little or no cost.                    [8]. Ce dioxyde de carbone est souvent disponible à un coût
                                                         réduit ou même gratuitement.


The algal broth produced in the biomass production Afin de récolter la biomasse, il est nécessaire de traiter le
stage needs to be further processed to recover the milieu de culture obtenu lors de la production des microalgues
biomass [9]. The water and residual nutrients [9]. L’eau et les nutriments résiduels récupérés au cours de
recovered at this stage can be recycled to the biomass- cette étape peuvent être réinjectés dans un nouveau cycle
cultivation stage (Figure 1). The concentrated biomass (Figure 1). La pâte contenant les microalgues concentrées est
paste is extracted with a water-immiscible solvent to extraite à l’aide d’un solvant non miscible à l’eau pour récolter
recover algal oil, which can then be converted to l’huile d’algue. Cette dernière peut par la suite être convertie
biodiesel using already existing methods [1]. The en biodiesel en utilisant les méthodes existantes [1]. Il a déjà
feasibility of oil extraction for microalgal biomass has été démontré que l’extraction d’huile à partir de biomasse
been previously demonstrated [6] and [10]. The microalgale est réalisable [6] et [10]. Il est en outre préférable
extraction solvent (e.g. hexane) is expected to be que le solvant (exemple : hexane) nécessaire à l’extraction soit
recovered and recycled.                                  ensuite récupéré et recyclé.
The biomass residue that remains after extraction of    Une fois l’huile extraite, le résidu de biomasse pourrait servir
oil could be used partly as high-protein animal feed d’aliment pour animaux riche en protéines et éventuellement
and, possibly, as a source of small amounts of other constituer de petites quantités d’autres produits algaux à haute
high-value microalgal products [5], [11] and [12]. In valeur ajoutée [5], [11] et [12]. Dans les deux cas, les revenus
both scenarios, the revenue from selling the biomass issus de la vente de ces résidus de biomasse pourraient
residues could defray the cost of producing biodiesel. compenser les coûts liés à la production de biodiesel.
However, the majority of algal biomass residue from Néanmoins, on suppose que la majeure partie du résidu de
oil extraction is expected to undergo anaerobic biomasse algale provenant de l’extraction d’huile subira une
digestion to produce biogas. This biogas will serve as digestion anaérobie en vue de produire du biogaz. Ce dernier
the primary source of energy for most of the constituera la source principale d’énergie pour la majeure
production and processing of the algal biomass. The partie de la production et de la transformation de la biomasse
generation of surplus energy is expected and this algale. Un surplus d’énergie devrait être obtenu et pourrait
could be sold to grid to further improve the ensuite être vendu au réseau de distribution d’électricité afin
economics of the integrated process. Additional d’améliorer davantage la rentabilité du concept. La vente
income could come from the sale of nutrient-rich d’engrais riche en nutriments et d’eau d’irrigation produits au
fertilizer and irrigation water that would be produced cours de la digestion anaérobie pourrait représenter une
during the anaerobic digestion stage (Figure 1).        source de revenus supplémentaires (Figure 1).
The technology for anaerobic digestion of waste La technologie de digestion anaérobie de déchets organiques
biomass exists and is well developed [13], and the existe et est couramment employée [13], de même que celle
technology      for      converting      biogas     to destinée     à     convertir    du     biogaz     en     énergie
electrical/mechanical power is well established [14]. électrique/mécanique. Le dioxyde de carbone généré par la
The carbon dioxide generated from combustion of         combustion de biogaz pourrait être recyclé directement pour
biogas can be recycled directly for the production of   produire la biomasse microalgale (Figure 1).
the microalgae biomass (Figure 1).
Energy content of biogas produced through anaerobic Le contenu énergétique du biogaz produit par digestion
digestion typically ranges from 16 200 kJ m−3 to 30 anaérobie oscille habituellement entre 16 200 kJ m−3 et
600 kJ m−3* depending on the nature of the source 30 600 kJ m−3 selon la nature de la biomasse. En règle
biomass. Typically, the yield of biogas varies from 0.15 générale, le rendement de biogaz est compris entre 0,15 et
to 0.65 m3 per kg of dry biomass. Assuming average 0,65 m3 par kg de biomasse sèche. Partant de valeurs
values of biogas energy content and yield, biogas moyennes en termes de contenu énergétique et de rendement
production from microalgal solids, after their 30% oil de biogaz, la production de biogaz à partir de matières solides
content has been removed, could provide at least 9360 (microalgues), une fois 30 % de l’huile qu’elles contiennent
MJ of energy per metric ton. This is a substantial éliminée, pourrait fournir au moins 9 360 MJ d’énergie par
amount of energy and it should run the microalgal tonne. Il s’agit d’une quantité importante qui devrait permettre
biomass production process.                             d’alimenter le procédé de production de biomasse microalgale.
Ideally, microalgal biodiesel can be carbon neutral, Idéalement, le biodiesel algal pourrait être neutre en carbone,
because all the power needed for producing and dans la mesure où l’énergie nécessaire à la production et à la
processing the algae could potentially come from transformation des algues proviendrait du biodiesel lui-même
biodiesel itself and from methane produced by et du méthane produit par digestion anaérobie de la biomasse
anaerobic digestion of the biomass residue left behind restant après extraction de l’huile. Mais, même dans ce cas, sa
after the oil has been extracted. Although microalgal production ne permettra pas de réduire les quantités de CO2
biodiesel can be carbon neutral, it will not result in any qui s’est déjà accumulé suite à la combustion de carburants
net reduction in carbon dioxide that has already fossiles.
accumulated as a consequence of burning of fossil
fuels.
Production of microalgal biomass                                Production de biomasse microalgale

Producing     microalgal       biodiesel   requires      large La production de biodiesel à partir de microalgues nécessite
quantities of algal biomass. To minimize expense, the de grandes quantités de biomasse algale. Afin de réduire les
biomass must be produced using freely available coûts au maximum, la biomasse doit être produite en utilisant
sunlight and is thereby affected by fluctuations such as la lumière solaire, sachant que son intensité est affectée par
daily and seasonal variations in light levels. Microalgae des variations saisonnières et journalières, notamment. Les
can be grown on a large scale in photobioreactors [4], microalgues peuvent être cultivées à grande échelle dans des
[5], [12], [15], [16], [17], [18] and [19]. Many different photobioréacteurs [4], [5], [12], [15], [16], [17], [18] et [19]. Il
designs of photobioreactors have been developed, but existe de nombreux types de photobioréacteurs, mais il semble
a tubular photobioreactor seems to be most que les photobioréacteurs tubulaires soient les plus adaptés
satisfactory for producing algal biomass on the scale pour produire les quantités de biomasse algale nécessaires à la
needed for biofuel production (Figure 2).                       production de biocarburant (Figure 2).


A tubular photobioreactor consists of an array of               Un photobioréacteur tubulaire est constitué d’un ensemble de
straight transparent tubes that are usually made of             tubes transparents placés en parallèle généralement en
plastic or glass. This tubular array, or the solar plastique ou en verre. Ces tubes, que l’on peut qualifier de
collector, captures the sunlight for photosynthesis capteur solaire, capturent la lumière du soleil nécessaire à la
(Figure 2). The solar collector tubes are generally less photosynthèse (Figure 2). Ils ont habituellement un diamètre
than 0.1 m in diameter to enable the light to penetrate de moins de 10 cm afin de permettre à la lumière d’atteindre la
into a significant volume of the suspended cells. majeure partie des cellules en suspension. Le milieu de culture
Microalgal broth is circulated from a reservoir (such as circule dans un réservoir (tel que la colonne de dégazage
the degassing column shown in Figure 2) to the solar illustrée sur la Figure 2), puis dans le capteur solaire et revient
collector   and   back     to    the   reservoir      [1].   A ensuite dans le réservoir [1]. Généralement, pendant la
photobioreactor is typically operated as a continuous journée, la culture a lieu en continu dans le photobioréacteur
culture during daylight [1].                                    [1].
In a continuous culture, fresh culture medium is fed at Une culture en continu implique que l’on introduise du milieu
a constant rate and the same quantity of microalgal de culture frais à un rythme constant et que la quantité
broth is withdrawn continuously [5]. Feeding ceases équivalente de milieu contenant les microalgues soit extraite
during the night; however, the mixing of broth must en permanence. Pendant la nuit, l’apport en milieu de culture
continue to prevent settling of the biomass [5]. As est interrompu. Néanmoins, le brassage du milieu doit
much as 25% of the biomass produced during daylight perdurer afin d’éviter toute sédimentation de la biomasse [5].
might be consumed during the night to sustain the La nuit, jusqu’à 25 % de la biomasse produite pendant la
cells until sunrise [1], [20] and [21]. The extent of this journée peut être consommée pour maintenir les cellules en
nightly loss depends on the light level under which the vie jusqu’au lever du soleil [1], [20] et [21]. L’ampleur de cette
biomass was grown, the growth temperature and the consommation dépend de l’intensité lumineuse enregistrée
temperature at night.                                     dans la journée, ainsi que de la température relevée au cours
                                                          de la croissance des microalgues (journée) et pendant la nuit.
To maximize sunlight capture, the tubes in the solar Afin d’optimiser la capture de la lumière du soleil, les tubes
collector are generally oriented North–South (Figure dans le capteur solaire sont en général orientés nord-sud
2) [4] and [5]. By arranging the tubes in a fence-like (Figure 2) [4] et [5]. La disposition des tubes, comme illustré
arrangement, shown in Figure 2, the number of tubes sur la Figure 2, permet d’en utiliser un maximum dans une
that can be accommodated in a given area is zone donnée. La surface située sous le capteur solaire est
maximized. The ground beneath the solar collector is peinte en blanc ou recouverte de morceaux de plastique blancs
either painted white or covered with white sheets of      [1], [5] et [16] afin d’augmenter la refléctance ou albédo, ce qui
plastic [1], [5] and [16] to increase reflectance or aura pour effet d’accroître la quantité de lumière diffusée dans
albedo, which will increase the total light received by les tubes.
the tubes.
Biomass sedimentation in the tubes is prevented by La sédimentation de la biomasse dans les tubes est empêchée
maintaining a highly turbulent flow. This flow is grâce à un écoulement très turbulent maintenu en
produced either using a mechanical pump (as shown permanence. Ce dernier est produit au moyen d’une pompe
in Figure 2) or a more gentle airlift pump, because mécanique (comme illustré sur la Figure 2) ou d’une pompe
mechanical pumps can damage the biomass [6], [22], airlift, moins puissante et limitant ainsi le risque d’altérer les
[23], [24] and [25]. Airlift pumps have been used microalgues [6], [22], [23], [24] et [25]. Par ailleurs, les pompes
commonly [5], [12], [26], [27] and [28] because they are airlift sont plus fréquemment utilisées [5], [12], [26], [27] et
generally less expensive to install than mechanical [28], car leur coût d’installation est moins élevé que celui des
pumps, cause less damage to biomass and do not have pompes mécaniques. Enfin, elles ne contiennent aucune pièce
any moving parts that might fail; nevertheless, airlift mobile susceptible de présenter un dysfonctionnement. En
pumps are less versatile than mechanical pumps and revanche, les pompes airlift sont moins polyvalentes que les
they can be difficult to design [28], [29] and [30].      pompes mécaniques et peuvent être difficiles à concevoir [28],
                                                          [29] et [30].
Photosynthesis generates oxygen. Under midday La photosynthèse produit de l’oxygène. Dans la plupart des
irradiance in most locations, the maximum rate of        régions, avec une irradiance de milieu de journée, le taux
oxygen generation in a typical tubular photobioreactor maximum de production d’oxygène dans un photobioréacteur
can be as high as 10 g O2 m−3 min−1. Dissolved oxygen tubulaire classique peut atteindre 10 g O2 m−3 min−1. Les
levels that are much greater than air saturation values teneurs en oxygène dissous, qui sont bien plus élevées que le
will inhibit photosynthesis [27]. Furthermore, a high taux de saturation de l’air, inhibent la photosynthèse [27]. Par
concentration of dissolved oxygen in combination ailleurs, une forte concentration en oxygène dissous associée à
with intense sunlight produces photooxidative damage une forte intensité solaire provoque une photooxydation des
to algal cells. To prevent photosynthesis inhibition and cellules algales, ce qui a pour effet de les endommager. Afin
cell damage, the maximum tolerable dissolved oxygen d’éviter ce phénomène, la concentration maximale tolérée en
level should not exceed 400% of air saturation value oxygène dissous ne doit pas dépasser 400 % du taux de
[27]. Because accumulated oxygen cannot be removed saturation de l’air [27]. Dans la mesure où l’oxygène accumulé
within a photobioreactor tube, the maximum length dans le tube d’un photobioréacteur ne peut être éliminé, la
of a continuous tube run is limited. To remove longueur maximale de l’ensemble des tubes est limitée. Afin
oxygen, the culture is periodically returned to a d’enlever l’oxygène, la culture est régulièrement renvoyée vers
degassing zone in which it is aerated to strip out the une zone de dégazage dans laquelle elle est aérée (Figure 2)
accumulated oxygen (Figure 2) [1]. Typically, a [1]. En règle générale, la longueur totale des tubes ne dépasse
continuous tube run does not exceed 80 m [27]; pas 80 m [27] ; toutefois, elle dépend d’un certain nombre de
however, the possible tube length depends on several facteurs, comme la concentration de la biomasse, l’intensité
factors, including the concentration of the biomass, lumineuse, le taux d’écoulement et la concentration en
the light intensity, the flow rate and the concentration oxygène à l’entrée du tube.
of oxygen at the entrance of the tube.
In addition to removing the accumulated dissolved Le passage dans la zone de dégazage doit non seulement
oxygen, the degassing zone must disengage all the gas éliminer l’oxygène dissous qui s’est accumulé, mais aussi
bubbles from the broth so that essentially bubble-free enlever les bulles de gaz du milieu de culture avant qu’il ne
broth returns to the solar collector tubes. The retourne dans les tubes du capteur solaire. La présence de trop
presence of too many gas bubbles in the solar tubes nombreuses bulles de gaz dans les tubes affecte l’absorption
will interfere with light absorption and reduce the flow de la lumière et réduit l’écoulement du milieu de culture dans
of culture broth in the tubes. The design of potential les tubes. La possibilité de concevoir d’éventuels séparateurs
gas–liquid    separators    that   achieve     complete gaz-liquide permettant d’éliminer la totalité des bulles a été
disengagement of bubbles has been discussed [29] and envisagée [29] et [31]. Un élément important à prendre en
[31]. A major requirement for a degassing zone is that compte concernant une zone de dégazage est que son volume
its volume is kept small relative to the volume of the doit rester réduit comparé au volume du capteur solaire. Cela
solar collector. This is owing to the fact that degassing est dû au fait que les zones de dégazage sont en général plus
zones are generally optically deep compared with the profondes et laissent plus difficilement pénétrer la lumière que
solar collector tubes and poorly illuminated, therefore les tubes du capteur solaire, ce qui diminue la croissance des
negatively affecting microalgae growth.                   microalgues.
Another factor that affects the performance of a Le pH de la culture est un autre facteur affectant la
photobioreactor is the pH of the culture. As the broth performance d’un photobioréacteur. À mesure que le milieu
moves along a photobioreactor tube, its pH increases de culture se déplace dans l’un des tubes du photobioréacteur,
because of consumption of carbon dioxide [32]. To son pH augmente en raison de la consommation de dioxyde
counteract this, carbon dioxide is fed in to the de carbone [32]. Afin d’éviter ce phénomène, du dioxyde de
degassing zone in response to a pH controller. carbone est introduit dans la zone de dégazage en fonction
Furthermore, additional carbon dioxide injection des indications fournies par un régulateur de pH. Par ailleurs,
points placed at intervals along the tubes can prevent des points d’injection de dioxyde de carbone supplémentaires
carbon limitation and an excessive rise in pH [5].        placés à différents intervalles le long des tubes peuvent éviter
                                                          une quantité limitante en carbone ainsi qu’une augmentation
                                                          excessive du pH [5].
Optimal temperature for growing many microalgae is La température optimale pour la croissance de nombreuses
between 20 and 30 °C. A temperature outside this espèces de microalgues se situe entre 20 et 30 °C. Une
range could kill or otherwise damage the cells. Algal température qui n’est pas comprise dans cet intervalle peut
broth in photobioreactor tubes exposed to sunlight endommager, voire tuer les cellules. Dans les tubes du
will rapidly overheat, unless it is cooled. Cooling photobioréacteur, le milieu de culture, exposé à la lumière
during daylight hours is essential. Furthermore, solaire, surchauffe rapidement. C’est pourquoi il est vital de
temperature control at night is also useful to prevent it faire baisser sa température pendant la journée. Il peut
from falling so low as to damage the cells. For également se révéler utile de contrôler la température du
example, the nightly loss of biomass owing to milieu de culture au cours de la nuit. En effet, une
respiration   can     be    reduced   by       lowering   the température trop basse risque d’endommager les cellules. La
temperature at night to a value that is a few degrees perte de biomasse au cours de la nuit due à la respiration peut,
lower than the optimal growth temperature for a given par exemple, être limitée en faisant baisser la température de
alga. Outdoor tubular photobioreactors can be quelques degrés en dessous du seuil optimal de croissance de
effectively and inexpensively cooled using heat l’algue                  donnée.     Il    est    possible      de   refroidir   des
exchangers, which can be placed in the degassing photobioréacteurs tubulaires extérieurs de manière efficace et
column, as shown in Figure 2, or in the tubular loop. peu coûteuse à l’aide d’échangeurs thermiques. Ils peuvent
Evaporative cooling, using water sprayed on tubes être placés dans la colonne de dégazage, comme illustré sur la
[16], can also be used and has proven successful in dry Figure 2, ou dans la boucle tubulaire. On peut avoir recours à
climates, for example in Israel.                               une méthode de refroidissement par évaporation consistant à
                                                               asperger de l’eau sur les tubes [16], comme ce fût le cas avec
                                                               succès dans des zones au climat sec, en Israël, par exemple.
At least once a year, a photobioreactor facility must be Il convient d’arrêter d’utiliser le photobioréacteur au moins
shut down for routine maintenance and cleaning. une fois par an pour cause de nettoyage et de maintenance. Il
Cleaning and sanitization are required also in the event est également nécessaire de nettoyer et de désinfecter le
of failure of culture because of contamination with dispositif si la culture échoue en raison d’une contamination
unwanted      algae   and    parasites.    A     commercial par      des    parasites     et     des   algues    indésirables.   Un
photobioreactor must be capable of being cleaned photobioréacteur commercialisé doit pouvoir être nettoyé
rapidly to reduce downtime. Automated clean-in-place rapidement afin que la production reprenne au plus vite. En
methods that do not require dismantling of the règle générale, on a recours à des méthodes de nettoyage sur
photobioreactor are generally used [33] and [34]. […]          place automatisé qui ne nécessitent pas de démonter le
                                                               dispositif [33] et [34]. […]

				
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