Biofuel production and implications for land use, food production and environment in India

There is a large interest in biofuels in India as a substitute to petroleum-based fuels, with a purpose of enhancing energy security and promoting rural development. India has announced an ambitious target of substituting 20% of fossil fuel consumption by biodiesel and bioethanol by 2017. India has announced a national biofuel policy and launched a large program to promote biofuel production, particularly on wastelands: its implications need to be studied intensively considering the fact that India is a large developing country with high population density and large rural population depending upon land for their livelihood. Another factor is that Indian economy is experiencing high growth rate, which may lead to enhanced demand for food, livestock products, timber, paper, etc., with implications for land use. Studies have shown that area under agriculture and forest has nearly stabilized over the past 2-3 decades. This paper presents an assessment of the implications of projected large-scale biofuel production on land available for food production, water, biodiversity, rural development and GHG emissions. The assessment will be largely focused on first generation biofuel crops, since the Indian program is currently dominated by these crops. Technological and policy options required for promoting sustainable biofuel production will be discussed. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Algal biofuel production and mitigation potential in India

Energy and energy services are the backbone of growth and development in India and is increasingly dependent upon the use of fossil based fuels that lead to greenhouse gases (GHG) emissions and related concerns. Algal biofuels are being evolved as carbon (C)-neutral alternative biofuels. Algae are photosynthetic microorganisms that convert sunlight, water and carbon dioxide (CO2) to various sugars and lipids Tri-Acyl-Glycols (TAG) and show promise as an alternative, renewable and green fuel source for India. Compared to land based oilseed crops algae have potentially higher yields (5-12 g/m(2)/d) and can use locations and water resources not suited for agriculture. Within India, there is little additional land area for algal cultivation and therefore needs to be carried out in places that are already used for agriculture, e.g. flooded paddy lands (20 Mha) with village level technologies and on saline wastelands (3 Mha). Cultivating algae under such conditions requires novel multi-tier, multi-cyclic approaches of sharing land area without causing threats to food and water security as well as demand for additional fertilizer resources by adopting multi-tier cropping (algae-paddy) in decentralized open pond systems. A large part of the algal biofuel production is possible in flooded paddy crop land before the crop reaches dense canopies, in wastewaters (40 billion litres per day), in salt affected lands and in nutrient/diversity impoverished shallow coastline fishery. Mitigation will be achieved through avoidance of GHG, C-capture options and substitution of fossil fuels. Estimates made in this paper suggest that nearly half of the current transportation petro-fuels could be produced at such locations without disruption of food security, water security or overall sustainability. This shift can also provide significant mitigation avenues. The major adaptation needs are related to socio-technical acceptance for reuse of various wastelands, wastewaters and waste-derived energy and by-products through policy and attitude change efforts.

Feasibility study of biofuel production from freshwater fern, Azolla sp in Anzali Wetland

Production of bioethanol through acidic and enzymatic hydrolysis of aquatic Azolla sp., as a new source of bio-mass, has been performed, as a means to control increasing growth and reducing undesirable effects of this plant in Anzali lagoon. After sampling, drying and crushing, Azolla was hydrolyzed, using diluted acid and enzyme. Diluted acid hydrolysis was done using both autoclave and a high-pressure system (Batch Synth® Microwave synthesizer). The effects of temperature and time (in autoclave) and concentration of acid (in both) were compared. Cellubrix®, a ommercial cellulase source, was used for enzymatic hydrolysis process. The amounts of reducing sugars, glucose and furfural, released from hydrolyzate, were measured. To produce alcohol, Sacchromyces cerevisiae (to ferment sixcarbon sugars), Zygowilliopsis californica and Pichia stipitis (to ferment five-carbon and sixcarbon sugars) were used. Maximum amounts of glucose (4.83% w/w) and reducing sugars (14.15% w/w) were obtained using acid hydrolysis in autoclave. In the microwave oven, maximum glucose (5.04% w/w) and reducing sugars (13.27 w/w) were obtained at 180 and 200 °C, respectively. Under these conditions, maximum produced furfural was 1.54 g/L. The difference between amounts of furfural obtained from acid hydrolysis of Azolla in microwave oven compared to autoclave was statistically significant. Amounts of alcohol produced and its yields were 3.99 g/L and 33.13% for S. cerevisiae in 48 hours, 3.73 g/L and 30.45% for Pichia stipites in 48 hours, and 3.73 g/L and 30.45% for Z. californica in 24 hours after inoculation, respectively, with significant differences. Statistical comparison of results showed significant differences (P<0.05) in glucose production, at different conditions. Amounts of reducing sugars and glucose increased after optimization of levels of acid, time, and temperature. The overall optimum released sugar and glucose were obtained with 1.67% (w/v) acid using autoclave. Higher temperatures in microwave oven caused a significant increase (P<0.05) in furfural. Furfural severely inhibits fermentation. Hence, regarding the issues of energy consumption and time, amounts of inhibiting substances and sugar production, autoclave is found to be superior to the high temperature and pressure, generated in microwave oven, for hydrolyzing Azolla. Furthermore, given the amounts of Azolla in Anzali lagoon, it may be recommendable to use this plant as a biomass resource.

Lipid productivity and cell wall ultrastructure of six strains of Nannochloropsis: Implications for biofuel production and downstream processing

Microalgae are generating considerable interest for third generation biodiesel production. However, appropriate strain selection is proving challenging due to the significant variation in cellular physiology, metabolic potential and genetics observed even amongst strains deemed morphologically similar. Six strains of Nannochloropsis from the CCAP culture collection were assessed for their lipid productivity and cellular structure, as proxies for oil production and harvesting ease, to assess their suitability as biodiesel production platforms. Differences in growth rate and lipid accumulation across the strains were observed. Nannochloropsis oculata strain 849/7 showed significantly reduced doubling time compared to Nannochloropsis salina strain 849/3, whilst Nannochloropsis oceanica 849/10 produced the highest lipid content. In addition the six strains could be differentiated into 3 distinct classes based on their cell wall thickness, which varied across the strains from 63 to 119 nm and which is independent of both species and geographical isolation location. The importance of these variations in ultrastructure and physiology for biodiesel production is discussed.

Characterization of microalgae native to Quebec for biofuel production.

La production de biodiésel par des microalgues est intéressante à plusieurs niveaux. Dans le premier chapitre, un éventail de pour et contres concernant l’utilisation de microalgues pour la production de biocarburant sont ici révisés. La culture d’algues peut s'effectuer en utilisant des terres non-arables, de l’eau non-potable et des nutriments de base. De plus, la biomasse produite par les algues est considérablement plus importante que celle de plantes vasculaires. Plusieurs espèces on le contenu lipidique en forme de triacylglycérols (TAGs), qui peut correspondre jusqu'à 30% - 40% du poids sec de la biomasse. Ces proportions sont considérablement plus élevées que celui des huiles contenues dans les graines actuellement utilisées pour le biodiésel de première génération. Par contre, une production pratique et peu couteuse de biocarburant par des microalgues requiert de surpasser plusieurs obstacles. Ceci inclut le développement de systèmes de culture efficace à faible coût, de techniques de récupération requérant peu d’énergie, et de méthodes d’extraction et de conversion de l’huile non-dommageables pour l’environnement et peu couteuses. Le deuxième chapitre explore l'une des questions importantes soulevées dans le premier chapitre: la sélection d'une souche pour la culture. Une collection de souches de microalgues d'eau douce indigène au Québec a été établi et examiné au niveau de la diversité physiologique. Cette collection est composée de cent souches, que apparaissaient très hétérogènes en terme de croissance lorsque mises en culture à 10±2 °C ou 22±2 °C sur un effluent secondaire d’une usine municipale de traitement des eaux usées (EU), défini comme milieu Bold's Basal Medium (BBM). Des diagrammes de dispersion ont été utilisés pour étudier la diversité physiologique au sein de la collection, montrant plusieurs résultats intéressants. Il y avait une dispersion appréciable dans les taux de croissance selon les différents types de milieux et indépendamment de la température. De manière intéressante, en considérant que tous les isolats avaient initialement été enrichis sur milieu BBM, la distribution était plutôt symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, suggérant que l’enrichissement sur BBM n’a pas semblé biaiser la croissance des souches sur ce milieu par rapport aux EU. Également, considérant que les isolats avaient d’abord été enrichis à 22°C, il est assez surprenant que la distribution de taux de croissance spécifiques soit aussi symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, avec grossièrement des nombres égaux d’isolats de part et d’autre. Ainsi, l’enrichissement à 22°C ne semble pas biaiser les cellules vers une croissance à cette température plutôt que vers 10°C. Les diagrammes de dispersion obtenus lorsque le pourcentage en lipides de cultures sur BBM ont été comparées à des cultures ayant poussé sur EU soit à 10°C ou 22°C rendent évident que la production de lipides est favorisée par la culture sur EU aux deux températures, et que la production lipidique ne semble pas particulièrement plus favorisée par l’une ou l’autre de ces températures. Lorsque la collection a été examinée pour y déceler des différences avec le site d’échantillonnage, une analyse statistique a montré grossièrement que le même degré de diversité physiologique était retrouvé dans les échantillons des deux différents sites. Le troisième chapitre a poursuivi l'évaluation de la culture d'algues au Québec. L’utilisation de déchets industriels riches en nutriments minéraux et en sources de carbone pour augmenter la biomasse finale en microalgues et le produit lipidique à faible coût est une stratégie importante pour rendre viable la technologie des biocarburants par les algues. Par l’utilisation de souches de la collection de microalgues de l’Université de Montréal, ce rapport montre pour la première fois que des souches de microalgues peuvent pousser en présence de xylose, la source de carbone majoritairement retrouvée dans les eaux usées provenant des usines de pâte et papier, avec une hausse du taux de croissance de 2,8 fois par rapport à la croissance photoautotrophe, atteignant jusqu’à µ=1,1/jour. En présence de glycérol, les taux de croissance atteignaient des valeurs aussi élevées que µ=1,52/jour. La production lipidique augmentait jusqu’à 370% en présence de glycérol et 180% avec le xylose pour la souche LB1H10, démontrant que cette souche est appropriée pour le développement ultérieur de biocarburants en culture mixotrophe. L'ajout de xylose en cultures d'algues a montré certains effets inattendus. Le quatrième chapitre de ce travail a porté à comprendre ces effets sur la croissance des microalgues et la production de lipides. Quatre souches sauvages indigènes ont été obersvées quotidiennement, avant et après l’ajout de xylose, par cytométrie en flux. Avec quelques souches de Chlorella, l’ajout de xylose induisait une hausse rapide de l’accumulation de lipide (jusqu’à 3,3 fois) pendant les premières six à douze heures. Aux temps subséquents, les cellules montraient une diminution du contenu en chlorophylle, de leur taille et de leur nombre. Par contre, l’unique membre de la famille des Scenedesmaceae avait la capacité de profiter de la présence de cette source de carbone sous culture mixotrophe ou hétérotrophe sans effet négatif apparent. Ces résultats suggèrent que le xylose puisse être utilisé avant la récolte afin de stimuler l’augmentation du contenu lipidique de la culture d’algues, soit en système de culture continu ou à deux étapes, permettant la biorestauration des eaux usées provenant de l’industrie des pâtes et papiers. Le cinquième chapitre aborde une autre déché industriel important: le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. Plus de la moitié du dioxyde de carbone qui est émis dans l'atmosphère chaque jour est dégagé par un processus stationnaire, soit pour la production d’électricité ou pour la fabrication industrielle. La libération de CO2 par ces sources pourrait être atténuée grâce à la biorestauration avec microalgues, une matière première putative pour les biocarburants. Néanmoins, toutes les cheminées dégagent un gaz différent, et la sélection des souches d'algues est vitale. Ainsi, ce travail propose l'utilisation d’un état de site particulier pour la bioprospection de souches d'algues pour être utilisé dans le processus de biorestauration. Les résultats montrent que l'utilisation d'un processus d'enrichissement simple lors de l'étape d'isolement peut sélectionner des souches qui étaient en moyenne 43,2% mieux performantes dans la production de biomasse que les souches isolées par des méthodes traditionnelles. Les souches isolées dans ce travail étaient capables d'assimiler le dioxyde de carbone à un taux supérieur à la moyenne, comparées à des résultats récents de la littérature.

Tailoring enzymes for biofuel production with reference to Australian biomass

Manufacture of biofuels from existing biomass may provide a sustainable alternative to the extensive utilization of fossil fuels. Biomass offers environmental advantage over fossil fuels as it is a renewable energy source with low sulphur and nitrogen content and is carbon neutral over its production and utilization. Ranges of biomass are reported worldwide to be suitable raw material for bioethanol production. These can be generally classified into three groups; sucrose based (sugar cane), starch based (corn, wheat and barley) and lignocellulosic (which is mostly comprised of lignin, cellulose and hemicelluloses in grasses, wood and straw) materials. However, the limited supply of two biomass groups (sucrose and starch) will not satisfy society’s growing energy demands; thus biofuel technology based on lignocelluloses is under intense investigation. The main bottleneck in lignocellulosic biomass conversion for biofuel production is the enzymatic depolymerisation of cell wall polysaccharides into fermentable sugars. Protein engineering has recently been used to improve the performance of lignocelluloses degrading enzymes, as well as proteins involved in biofuel synthesis pathways. We have produced a recombinant enzyme that has the ability to produce monomeric sugars from a complex substrate. This presentation will summarize current efforts to develop an enzymatic treatment which would facilitate the economical processing of biomass available in Australia for bioenergy generation.

Recent trends in nanomaterials immobilised enzymes for biofuel production

Application of nanomaterials as novel supporting materials for enzyme immobilisation has generated incredible interest in the biotechnology community. These robust nanostructured forms, such as nanoparticles, nanofibres, nanotubes, nanoporous, nanosheets, and nanocomposites, possess a high surface area to volume ratios that can cause a high enzyme loading and facilitate reaction kinetics, thus improving biocatalytic efficiency for industrial applications. In this article, we discuss research opportunities of nanoscale materials in enzyme biotechnology and highlight recent developments in biofuel production using advanced material supports for enzyme immobilisation and stabilisation. Synthesis and functionalisation of nanomaterial forms using different methods are highlighted. Various simple and effective strategies designed to result in a stable, as well as functional protein-nanomaterial conjugates are also discussed. Analytical techniques confirming enzyme loading on nanomaterials and assessing post-immobilisation changes are discussed. The current status of versatile nanomaterial support for biofuel production employing cellulases and lipases is described in details. This report concludes with a discussion on the likely outcome that nanomaterials will become an integral part of sustainable bioenergy production.

Bioprocessing of hemp hurd (Cannabis sativa) for biofuel production

 This project is based on production of biofuel from lignocellulosic waste. Hemp hurds were used for the production of ethanol. This was achieved by treating hemp at high temperature followed by enzymatic reaction and fermentation. Different techniques were used to detect the changes occurred on hemp structure and product quantification.