Growing biofuel outdoors in Seattle: effects of natural light level and temperature on marine microalgal culture density and lipid content in contained natural exposure systems

Senior thesis written for Oceanography 445

The Economics of Oil, Biofuel and Food Commodities

Nous étudions l'effet sur le marché des aliments de l'introduction sur le marché de l'énergie de biocarburants, comme substitut aux combustibles fossiles. Nous supposons une économie où cohabitent sur le marché de l'énergie un cartel pétrolier et une frange compétitive de cultivateurs qui produit de l'énergie sous forme de biocarburant. Les cultivateurs produisent également des produits agricoles qu'ils vendent sur le marché des aliments. Nous caractérisons la relation qui en résulte entre le prix de l'énergie et le prix des aliments, ainsi que le sentier d'extraction du cartel pétrolier et le sentier de prix de l'énergie. Il est démontré que le prix des aliments va croître aussi longtemps que le stock de pétrole n'est pas épuisé, et cela que la population soit croissante ou non. Il continuera à croître une fois le stock de pétrole épuisé si la population est croissante. Les effets de l'amélioration dans la productivité de la terre dans la production d'aliments ainsi que dans la production de biocarburant sont analysés.

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.

Biofuel as the solution of alternative energy production?

There have being increasing debate on the prospects of biofuel becoming the next best alternative to solving the problem of CO2 emission and the escalating fuel prices, but the question is whether this assertion is true and also if it comes without any cost to pay. This paper seeks to find out whether this much praised alternative to solving these problems is a better option or another way for the developed countries to find more areas where they could get cheap land, labour and raw materials for the production of biofuel. This will focus mainly on some effects the growing biofuel production has on food security, livelihood of people, the environment and some land conflicts developing as a result of land grabbing for biofuel production in the developing countries.

Intentions of UK farmers toward biofuel crop production: Implications for policy targets and land use change

The United States and the European Union have set targets for biofuel production to decrease reliance on fossil fuels and to reduce fossil carbon emissions. Attainment of biofuel targets d6pends upon policy and infrastructure development but also on production of suitable raw materials. Production of relevant crops relies on the decisions that farmers make in their economic and political environment. We need to identify any farmer-related barriers to biofuel production and to determine whether novel policy and technology are required to meet targets. These aspects of the emerging biofuel industry are relevant across international barriers and have notyet been addressed quantitatively. We describe a case study from the UK of farmers' intentions toward producing two biofuel crops for which refining capacity either exists or is under construction. Given farmers' intentions, current land use, and conversion efficiency, we estimate potential biofuel production. These estimates indicate that EU targets are not achievable using domestically grown raw materials without policy intervention, use of alternative feedstocks, and either significant improvements in processing efficiency or largescale changes in land use.

Biofuel policies in the EU, US and Brazil

The development of biofuels has been one of the most visible and controversial manifestations of the use of biomass for energy. Biofuels policies in the EU, US and Brazil have been particularly important for the development of the industry in these three important markets. All three have used a variety of measures, including consumption or use mandates, tax incentives and import protection to promote the production and use of biofuels. Despite this, it is uncertain whether the EU will achieve its objective of a 10 per cent share for renewables in transport fuels by 2020. The US is also running into difficulties in meeting consumption mandates for biofuels. Questions are being raised about the continuation of tax credits and import protection. Brazil has liberalised its domestic ethanol market and adopted a more market-oriented approach to biofuels policy, but the management of domestic petroleum prices and the inter-relationship between the sugar market and ethanol production are important factors affecting domestic consumption and exports. In both the EU and the US an ongoing debate about the benefits of reliance on biofuels derived from food crops and concern about the efficacy of current biofuels policies may put their future in doubt.

Have Biofuel, Will Travel: A Colorful Experiment and a Different Approach To Teach the Undergraduate Laboratory

The substitution of petroleum-based fuels with those from renewable sources has gained momentum worldwide. A UV-vis experiment for the quantitative analysis of biofuels (bioethanol or biodiesel) in (petroleum-based) diesel oil has been developed. Before the experiment, students were given a quiz on biofuels, and then they were asked to suggest a suitable UV-vis experiment for the quantification of biofuels in diesel oil. After discussing the results of the quiz, the experiment was conducted. This included the determination of lambda(max) of the medium-dependent, that is, solvatochromic, visible absorption band of the probe 2,6-bis[4-(tert-butyl)phenyl]-4-{2,4,6-tris[4-(tert-butyl)phenyl]pyridinium-1-yl}phenolate as a function of fuel composition. The students appreciated that the subject was linked to a daily situation and that they were asked to suggest the experiment. This experiment served to introduce the phenomena of solvation and solvatochromism.

Triphenylmethane dyes, an alternative for mediated electronic transfer systems in glucose oxidase biofuel cells

The bioelectrochemical behavior of three triphenylmethane (TPM) dyes commonly used as pH indicators, and their application in mediated electron transfer systems for glucose oxidase bioanodes in biofuel cells was investigated. Bromophenol Blue, Bromothymol Blue, Bromocresol Green were compared bio-electrochemically against two widely used mediators, benzoquinone and ferrocene carboxy aldehyde. Biochemical studies were performed in terms of enzymatic oxidation, enzyme affinity, catalytic efficiency and co-factor regeneration. The different features of the TPM dyes as mediators are determined by the characteristics in the oxidation/reduction processes studied electrochemically. The reversibility of the oxidation/reduction processes was also established through the dependence of the voltammetric peaks with the sweep rates. All three dyes showed good performances compared to the FA and BQ when evaluated in a half enzymatic fuel cell. Potentiodynamic and power response experiments showed maxima power densities of 32.8 mu W cm(-2) for ferrocene carboxy aldehyde followed by similar values obtained for TPM dyes around 30 mu W cm(-2) using glucose and mediator concentrations of 10 mmol L(-1) and 1.0 mmol L(-1), respectively. Since no mediator consumption was observed during the bioelectrochemical process, and also good redox re-cycled processes were achieved, the use of triphenylmethane dyes is considered to be promising compared to other mediated systems used with glucose oxiclase bioanodes and/or biofuel cells. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Feasibility analysis for biofuel production and investment recommendation

A FGV Projetos posiciona-se com destaque no desenvolvimento de projetos e estudos sobre biocombustíveis. Especialistas no assunto apontam para a viabilidade da produção de biocombustíveis em diversos países, e recomendam investimentos em toda a cadeia produtiva, específicos para cada localidade. Isso permitirá aos países que desejam reduzir a dependência por combustíveis fósseis, tais como o petróleo, a diversificação da matriz energética, o aumento do emprego no campo, e uma melhora do saldo comercial. Este documento apresenta síntese dos trabalhos realizados e em desenvolvimento, e tem como base os estudos de viabilidade para a produção de biocombustíveis de El Salvador e da República Dominicana.

Identification and expression analysis of microRNAs and targets in the biofuel crop sugarcane

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Behaviour of biofuel addition on metallurgical properties of sinter

Blast furnace gas yield is essentially controlled by a gas-solid reaction phenomenon, which strongly influences hot metal manufacturing costs. As a result of rising prices for reducing agents on the international market, Companhia Siderurgica Nacional decided to inject natural gas into its blast furnaces. With more gas inside the furnace, the burden permeability became even more critical. To improve blast furnace gas yield, a new technological approach was adopted; raising the metallic burden reaction surface. To that end, a special sinter was developed with permeability being controlled by adding micropore nucleus forming agents, cellulignin coal, without, however, degrading its mechanical properties. This paper shows the main process parameters and the results from physicochemical characterisation of a sinter with controlled permeability, on a pilot scale, compared to those of conventional sinter. Gas flow laboratory simulations have conclusively corroborated the positive effects of micropore nucleus forming agents on enhancing sinter permeability.

Atmospheric emission of reactive nitrogen during biofuel ethanol production

This paper evaluates emissions to the atmosphere of biologically available nitrogen compounds in a region characterized by intensive sugar cane biofuel ethanol production. Large emissions of NH(3) and NO,, as well as particulate nitrate and ammonium, occur at the harvest when the crop is burned, with the amount of nitrogen released equivalent to similar to 35% of annual fertilizer-N application. Nitrogen oxides concentrations show a positive association with fire frequency, indicating that biomass burning is a major emission source, with mean concentrations of NO, doubling in the dry season relative to the wet season. During the dry season biomass burning is a source of NH3, with other sources (wastes, soil, biogenic) predominant during the wet season. Estimated NO(2)-N, NH(3)-N, NO(3)(-)-N and NH(4)(+)-N emission fluxes from sugar cane burning in a planted area,of ca. 2.2 x 10(6) ha are 11.0, 1.1, 0.2, and 1.2 Gg N yr(-1), respectively.

Risk assessment of PM2.5 to child residents in Brazilian Amazon region with biofuel production

Background: Exposure to fine fractions of particulate matter (PM2.5) is associated with increased hospital admissions and mortality for respiratory and cardiovascular disease in children and the elderly. This study aims to estimate the toxicological risk of PM2.5 from biomass burning in children and adolescents between the age of 6 and 14 in Tangara da Serra, a municipality of Subequatorial Brazilian Amazon. Methods: Risk assessment methodology was applied to estimate the risk quotient in two scenarios of exposure according to local seasonality. The potential dose of PM2.5 was estimated using the Monte Carlo simulation, stratifying the population by age, gender, asthma and Body Mass Index (BMI). Results: Male asthmatic children under the age of 8 at normal body rate had the highest risk quotient among the subgroups. The general potential average dose of PM2.5 was 1.95 mu g/kg.day (95% CI: 1.62 - 2.27) during the dry scenario and 0.32 mu g/kg. day (95% CI: 0.29 - 0.34) in the rainy scenario. During the dry season, children and adolescents showed a toxicological risk to PM2.5 of 2.07 mu g/kg. day (95% CI: 1.85 - 2.30). Conclusions: Children and adolescents living in the Subequatorial Brazilian Amazon region were exposed to high levels of PM2.5 resulting in toxicological risk for this multi-pollutant. The toxicological risk quotients of children in this region were comparable or higher to children living in metropolitan regions with PM2.5 air pollution above the recommended limits to human health.