Buy (625 RUB)
|Generate QR code
Open Access
Subscription or Fee Access
The use of microalgae biomass for the production of marketable products. Part 1. Approaches to the production of microalgae biomass
https://doi.org/10.18412/1816-0387-2022-3-66-85
Abstract
The literature review is devoted to recent studies on the production of microalgae biomass and its processing using chemical and bioengineering approaches into marketable substances: biofuel, ethanol, butanol, hydrogen and others. The review consists of three parts: approaches to the production of microalgae biomass (part 1), the synthesis of biofuel from microalgae (part 2), and the production of marketable substances by bioengineering (part 3). The first part of the review considers the promising strains of microalgae that produce lipids and serve to obtain biofuel complying with ASTM D6751 and EN 14214 standards. Factors affecting the accumulation and composition of microalgae lipids (the composition of nutritional medium, illumination, temperature, and salinity of the medium) are also discussed. Approaches to the production of microalgae biomass, particularly with the use of flue gases and sewage, are analyzed.
About the Authors
K. N. Sorokina
Boreskov Institute of Catalysis SB RAS, Novosibirsk
Russian Federation
Russian Federation
Yu. V. Samoylova
Boreskov Institute of Catalysis SB RAS, Novosibirsk
Russian Federation
Russian Federation
V. N. Parmon
Boreskov Institute of Catalysis SB RAS, Novosibirsk
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Parajuli R., Dalgaard T., Jørgensen U. Adamsen A. P. S., Knudsen M. T., Birkved M., Gylling M., Schjørring J. K. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2015. Vol. 43. P. 244–263.
2. Maity S.K. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2015. Vol. 43. P. 1427–1445.
3. Singh A.K., Farooqi H., Abdin M.Z., Kumar S. // The Role of Microalgae in Wastewater Treatment. Singapore : Springer Singapore, 2019. P. 15–28.
4. Сорокина К.Н., Самойлова Ю.В., Пилигаев А.В., Тулупов А.А., Пармон В.Н. Применение биотехнологии для переработки липидов растительного происхождения в ценные продукты и их влияние на здоровье человека. Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2017. 150 с.
5. Сорокина К. Н., Самойлова Ю. В., Пилигаев А. В., Шивакумар У., Пармон В. Н. // Катализ в промышленности. 2017. T. 17, № 1. C. 78−85.
6. Cherubini F. // Energy Convers. Manag. 2010. Vol. 51, № 7. P. 1412–1421.
7. Пармон В.Н., Яковлев В.А., Сорокина К.Н., Чесноков В.В., Булушев Д.А., Яшник С.А., Громов Н.В., Дубинин Ю.В., Федоров А.В., Самойлова Ю.В., Чичкань А.С., Анисимов О.А., Болотов В.А., Голубь Ф.С., Грибовский А.Г., Черноусов Ю.Д., Шамирзаев В.Т., Болтенков В.В., Таран О.П., Медведева Т.Б. Новые физические и каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы для решения задач экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики. Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2020. 394 с.
8. Culaba A.B., Ubando A.T., Ching P.M.L., Chen W.H., Chang J.S. // Sustainability (Switzerland). 2020. Vol. 12, № 19, 8009. P. 1–19.
9. Otsuka H. // J. Gen. Appl. Microbiol. 1961. Vol. 7, № 1. P. 72–77.
10. Arenas E.G., Rodriguez Palacio M.C., Juantorena A.U., Fernando S.E.L., Sebastian P.J. // Int. J. Energy Res. 2017. Vol. 41, № 6. P. 761–789.
11. Gong J., You F. // ACS Sustain. Chem. Eng. 2015. Vol. 3, № 1. P. 82–96.
12. Gromov N.V., Medvedeva T.B., Sorokina K.N., Samoylova Y.V., Rodikova Y.A., Parmon V.N. // ACS Sustain. Chem. Eng. 2020. Vol. 8, № 51. P. 18947–18956.
13. Сорокина К.Н., Самойлова Ю.В., Пилигаев А.В., Шивакумар У., Пармон В.Н. // Катализ в промышленности. 2017. T. 17, № 1. C. 70–77.
14. Громов Н.В., Таран О.П., Сорокина К.Н., Мищенко Т.И., Шивакумар У., Пармон В.Н. // Катализ в промышленности. 2016. T. 16, № 1. C. 74–83.
15. Slegers P. M., Olivieri G., Breitmayer E., Sijtsma L., Eppink M. H. M., Wijffels R. H., Reith J. H. // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. Vol. 8.
16. Чернова Н.И., Киселева С.В., Калинина О.Ю. // Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 21. C. 44–54.
17. Сергеева Я.Э., Мостова Е.Б., Горин К.В., Комова А.В., Конова И.А., Пожидаев В.М., Готовцев П.М., Василов Р.Г., Синеокий С.П. // Биотехнология. 2017. T. 33, № 1. C. 53–61.
18. Knothe G. // Energy and Fuels. 2012. Vol. 26, № 8. P. 5265–5273.
19. Sadvakasova A.K., Akmukhanova N.R., Bolatkhan K., Zayadan B.K., Usserbayeva A.A., Bauenova M.O., Akhmetkaliyeva A.E., Allakhverdiev S.I. // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. Vol. 44, № 12. P. 5844–5853.
20. Zhang L., Hu F., Wan X., Pan Y., Hu H. // J. Microbiol. Biotechnol. 2020. Vol. 30, № 7. P. 1072–1081.
21. Rai M.P., Gupta S. // Energy Convers. Manage. 2017. Vol. 141. P. 85–92.
22. Piligaev A.V., Sorokina K.N., Bryanskaya A.V., Peltek S.E., Kolchanov N.A., Parmon V.N. // Algal Research. 2015. Vol. 12. P. 368–376.
23. Gnouma A., Sehli E., Medhioub W., Ben Dhieb R., Masri M., Mehlmer N., Slimani W., Sebai K., Zouari A., Brück T., Medhioub A. // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2018. Vol. 41, № 10. P. 1449–1459.
24. Соловченко А.Е. // Физиология растений. 2012. T. 59, № 2. C. 192–202.
25. Cha T.S., Yee W., Phua P.S.P., Loh S.H., Aziz A. // Biotechnol. Lett. 2021. Vol. 43, № 4. P. 803–812.
26. Lari Z., Abrishamchi P., Ahmadzadeh H., Soltani N. // J. Appl. Phycol. 2019. Vol. 31, № 1. P. 201–210.
27. Kabir F., Gulfraz M., Raja G.K., Inam-ul-Haq M., Awais M., Mustafa M.S., Khan S.U., Tlili I., Shadloo M.S. // Renewable Energy. 2020. Vol. 160. P. 1295–1307.
28. Arguelles E.D., Laurena A.C., Monsalud R.G., Martinez-Goss M.R. // J. Appl. Phycol. 2018. Vol. 30, № 1. P. 411–419.
29. Andeden E.E., Ozturk S., Aslim B. // Current Microbiology. 2021. Vol. 78, № 2. P. 775–788.
30. Santhakumaran P., Kookal S.K., Mathew L., Ray J.G. // Bioenergy Research. 2019. Vol. 12, № 3. P. 680–693.
31. Chia S.R., Chew K.W., Show P.L., Yap Y.J., Ong H.C., Ling T.C., Chang J.-S. // Biotechnol. J. 2018. Vol. 13, № 6. P. 1700618.
32. Sanchez Rizza L., Sanz Smachetti M.E., Do Nascimento M., Salerno G.L., Curatti L. // Algal Research. 2017. Vol. 22. P. 140–147.
33. Diniz G.S., Silva A.F., Araújo O.Q.F., Chaloub R.M. // J. Appl. Phycol. 2017. Vol. 29, № 2. P. 821–832.
34. Heredia V., Gonçalves O., Marchal L., Pruvost J. // Energies. 2021. Vol. 14, № 5.
35. Premaratne M., Liyanaarachchi V.C., Nishshanka G.K.S.H., Nimarshana P.H.V., Ariyadasa T.U. // J. Environ. Chem. Eng. 2021. Vol. 9, № 4. Article 105765.
36. Sarkar S., Manna M.S., Bhowmick T.K., Gayen K. // Process Biochem. 2021. Vol. 109. P. 87–97.
37. Li D., Yuan Y., Cheng D., Zhao Q. // Bioresour. Technol. 2019. Vol. 291. Article 121783.
38. Klein B.C., Bastos R.G., Filho R.M., Maciel M.R.W. // Braz. J. Chem. Eng. 2021. Vol. 38, № 2. P. 251–263.
39. Chandra N., Shukla P., Mallick N. // Biocatal. Agric. Biotechnol. 2020. Vol. 26. Article 101632.
40. Rani S., Ojha C.S.P. // J. Water Process Eng. 2021. Vol. 39. Article 101889.
41. Noguchi M., Aizawa R., Nakazawa D., Hakumura Y., Furuhashi Y., Yang S., Ninomiya K., Takahashi K., Honda R. // Biochem. Eng. J. 2021. Vol. 169. Article 107973.
42. Maltsev Y., Maltseva I., Maltseva S., Kociolek J.P., Kulikovskiy M. // J. Phycol. 2021. Vol. 57, № 2. P. 606–618.
43. Zarrinmehr M.J., Farhadian O., Heyrati F.P., Keramat J., Koutra E., Kornaros M., Daneshvar E. // Egyptian J. Aquatic Res. 2020. Vol. 46, № 2. P. 153–158.
44. Almutairi A.W. // Molecules. 2020. Vol. 25, № 20, 4609.
45. Andeden E.E., Ozturk S., Aslim B. // J. Appl. Phycol. 2021. Vol. 33, № 1. P. 211–225.
46. Tripathi S., Choudhary S., Poluri K.M. // Environ. Technol. Innovation. 2021. Vol. 24. Article 101786.
47. Polat E., Yüksel E., Altınbaş M. // Renewable Energy. 2020. Vol. 162. P. 1970–1978.
48. Sun Y., Huang Y. // Revista Brasileira de Botanica. 2017. Vol. 40, № 4. P. 871–881.
49. Rayati M., Rajabi Islami H., Shamsaie Mehrgan M. // Bioenergy Res. 2020. Vol. 13, № 4. P. 1235−1245.
50. Krzemińska I., Nosalewicz A., Reszczyńska E., Pawlik-Skowrońska B. // Energies. 2020. Vol. 13, № 22, 6098.
51. Chaisutyakorn P., Praiboon J., Kaewsuralikhit C. // J. Appl. Phycol. 2018. Vol. 30, № 1. P. 37–45.
52. Sonmez C., Elcin E., Akin D., Oktem H.A., Yucel M. // Bioresour. Technol. 2016. Vol. 211. P. 422–428.
53. Li Z., Yang S.T., Zhou Z.Y., Peng S.Y., Zhang Q.H., Long H.Z., Li H.G. // Biochem. Eng. J. 2021. Vol. 172. Article 108061.
54. Zhang L., Pei H., Chen S., Jiang L., Hou Q., Yang Z., Yu Z. // Bioresour. Technol. 2018. Vol. 250. P. 449–456.
55. Church J., Hwang J.H., Kim K.T., McLean R., Oh Y.K., Nam B., Joo J.C., Lee W.H. // Bioresour. Technol. 2017. Vol. 243. P. 147–153.
56. Boukhris S., Athmouni K., Hamza-Mnif I., Siala-Elleuch R., Ayadi H., Nasri M., Sellami-Kamoun A. // BioMed Res. Int. 2017. Vol. 2017. Article ID 4018562.
57. Polat E., Yüksel E., Altınbaş M. // Biomass and Bioenergy. 2020. Vol. 132. Article 105441.
58. Mirizadeh S., Nosrati M., Shojaosadati S.A. // Bioenergy Res. 2020. Vol. 13, № 2. P. 507–517.
59. Teh K.Y., Loh S.H., Aziz A., Takahashi K., Effendy A.W.M., Cha T.S. // Scientific Reports. 2021. Vol. 11, № 1. Article number 438.
60. Rizwan M., Mujtaba G., Memon S.A., Lee K. // Biofuels. 2020. DOI: 10.1080/17597269.2020.1762275.
61. Yun C.J., Hwang K.O., Han S.S., Ri H.G. // Biomass and Bioenergy. 2019. Vol. 127. Article 105277.
62. Ji X., Cheng J., Gong D., Zhao X., Qi Y., Su Y., Ma W. // Sci. Total Environ. 2018. Vol. 633. P. 593–599.
63. Indrayani I., Moheimani N.R., de Boer K., Bahri P.A., Borowitzka M.A. // J. Appl. Phycol. 2020. Vol. 32, № 2. P. 977–987.
64. Mehta P., Rani R., Gupta R., Mathur A.S., Puri S.K. // Algal Res. 2018. Vol. 36. P. 88–95.
65. Mata T.M., Martins A.A., Oliveira O., Oliveira S., Mendes A.M., Caetano N.S. // Chem. Eng. Trans. 2016. Vol. 49. P. 187–192.
66. Kaplan E., Sayar N.A., Kazan D., Sayar A.A. // Int. J. Green Energy. 2020. Vol. 17, № 4. P. 290–300.
67. Sun X. M., Ren L.J., Bi Z. Q., Ji X.J., Zhao Q.Y., Huang H. // Bioresour. Technol. 2018. Vol. 267. P. 438–444.
68. Kato Y., Ho S.H., Vavricka C.J., Chang J.S., Hasunuma T., Kondo A. // Bioresour. Technol. 2017. Vol. 245. P. 1484–1490.
69. Südfeld C., Hubáček M., Figueiredo D., Naduthodi M.I.S., van der Oost J., Wijffels R.H., Barbosa M.J., D'Adamo S. // Metabolic Eng. 2021. Vol. 66. P. 239–258.
70. Chungjatupornchai W., Fa-aroonsawat S. // J. Biosci. Bioeng. 2021. Vol. 131, № 2. P. 124–130.
71. Xue J., Chen T.T., Zheng J.W., Balamurugan S., Liu Y.H., Yang W.D., Liu J.S., Li H.Y. // Biotechnol. J. 2020. Vol. 15, № 2.
72. Wu S., Gu W., Huang A., Li Y., Kumar M., Lim P.E., Huan L., Gao S., Wang G. // Microbial Cell Factories. 2019. Vol. 18, № 1. Article number 161.
73. Hao X., Luo L., Jouhet J., Rébeillé F., Maréchal E., Hu H., Pan Y., Tan X., Chen Z., You L., Chen H., Wei F., Gong Y. // Biotechnology for Biofuels. 2018. Vol. 11, № 1. Article number 312.
74. Klaitong P., Fa-aroonsawat S., Chungjatupornchai W. // Microbial Cell Factories. 2017. Vol. 16, № 1. Article number 61.
75. Borowitzka M.A. // Algal Culturing Techniques. Ed. by R.A. Andersen. Boston, USA : Academic Press, 2005. P. 205−218.
76. Chisti Y. // Biotechnol. Adv. 2007. Vol. 25, № 3. P. 294–306.
77. Benemann J.R., Oswald W.J. Systems and economic analysis of microalgae ponds for conversion of CO2 to biomass : Final report. Pittsburgh Energy Technology Center, 1996.
78. Doucha J., Lívanský K. // J. Appl. Phycol. 2006. Vol. 18, № 6. P. 811–826.
79. Wolkers H., Barbosa M.J., Kleinegris D.M.M., Bosma R., Wijffels R.H., Harmsen P. // Eur. J. Lipid Sci. Technol. 2011.
80. Ефременко Е.Н., Никольская А.Б., Мамедова Ф.Т., Сенько О.В., Трусов Л.И. // Альтернативная энергетика и экология. 2013. T. 119, № 2. C. 44−49.
81. Morales-Sánchez D., Martinez-Rodriguez O.A., Martinez A. // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2017. Vol. 92, № 5. P. 925–936.
82. Rawat I., Ranjith Kumar R., Mutanda T., Bux F. // Appl, Energy. 2013. Vol. 103. P. 444–467.
83. Sharma A.K., Sahoo P.K., Singhal S. // Biofuels. 2016. Vol. 7, № 4. P. 389–399.
84. Wong Y.K., Ho K.C., Tsang Y.F., Wang L., Yung K.K.L. // Water Environ. Res. 2016. Vol. 88, № 1. P. 40–46.
85. Piligaev A.V., Sorokina K.N., Samoylova Y.V., Parmon V.N. // Energy Convers. Manage. 2018. Vol. 156. P. 1–9.
86. Hulatt C.J., Wijffels R.H., Bolla S., Kiron V. // PLoS ONE. 2017. Vol. 12, № 1. P. e0170440.
87. Jiménez C., Cossío B.R., Labella D., Niell F.X. // Aquaculture. 2003. Vol. 217, № 1–4. P. 179–190.
88. Scragg A.H., Illman A.M., Carden A., Shales S.W. // Biomass and Bioenergy. 2002. Vol. 23, № 1. P. 67–73.
89. Lam M.K., Lee K.T. // Energy Convers. Manage. 2014. Vol. 88. P. 399–410.
90. Yoo C., Jun S.Y., Lee J.Y., Ahn C.Y., Oh H.M. // Bioresour. Technol. 2010. Vol. 101, № 1, Suppl. P. S71–S74.
91. Araya B., Gouveia L., Nobre B., Reis A., Chamy R., Poirrier P. // Algal Res. 2014. Vol. 6, Part B. P. 218–222.
92. Chen C.Y., Lee P.J., Tan C.H., Lo Y.C., Huang C.C., Show P.L., Lin C.H., Chang J.S. // Biotechnol. J. 2015. Vol. 10, № 6. P. 905–914.
93. Ortiz Montoya E.Y., Casazza A.A., Aliakbarian B., Perego P., Converti A., De Carvalho J.C.M. // Biotechnol. Progr. 2014. Vol. 30, № 4. P. 916–922.
94. Matos Â.P., Torres R.C.D.O., Morioka L.R.I., Moecke E.H.S., França K.B., Sant'Anna E.S. // Int. J. Chem. Eng. 2014. Vol. 2014. Article ID 310285.
95. Guccione A., Biondi N., Sampietro G., Rodolfi L., Bassi N., Tredici M.R. // Biotechnol. Biofuels. 2014. Vol. 7, № 1. Article number 84.
96. Feng P., Deng Z., Hu Z., Fan L. // Bioresour. Technol. 2011. Vol. 102, № 22. P. 10577−10584.
97. Ugwu C.U., Ogbonna J.C., Tanaka H. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2002. Vol. 58, № 5. P. 600–607.
98. Olaizola M. // J. Appl. Phycol. 2000. Vol. 12, № 3–5. P. 499–506.
99. Rodolfi L., Zittelli G.C., Bassi N., Padovani G., Biondi N., Bonini G., Tredici M.R. // Biotechnol. Bioeng. 2009. Vol. 102, № 1. P. 100−112.
100. Van Den Hende S., Vervaeren H., Boon N. // Biotechnol. Adv. 2012. Vol. 30, № 6. P. 1405−1424.
101. Packer M. // Energy Policy. 2009. Vol. 37, № 9. P. 3428−3437.
102. Chiu S.Y., Kao C.Y., Huang T.T., Lin C.J., Ong S.C., Chen C.D., Chang J.S., Lin C.S. // Bioresour. Technol. 2011. Vol. 102, № 19. P. 9135−9142.
103. Lee J.S., Kim D.K., Lee J.P., Park S.C., Koh J.H., Cho H.S., Kim S.W. // Bioresour. Technol. 2002. Vol. 82, № 1. P. 1−4.
104. Lam M.K., Lee K.T., Mohamed A.R. // Int. J. Greenhouse Gas Control. 2012. Vol. 10. P. 456–469.
105. Li H., Chen Q., Zhang X., Finney K.N., Sharifi V.N., Swithenbank J. // Appl. Therm. Eng. 2012. Vol. 35, № 1. P. 71−80.
106. Yeh J.T., Resnik K.P., Rygle K., Pennline H.W. // Fuel Process. Technol. 2005. Vol. 86, № 14/15. P. 1533–1546.
107. Wall T.F. // Proc. Combust. Inst. 2007. Vol. 31, № 1. P. 31−47.
108. Kim G., Choi W., Lee C.-H., Lee K. // Biochem. Eng. J. 2013. Vol. 78. P. 18–23.
109. Acién Fernández F.G., González-López C.V., Fernández Sevilla J.M., Molina Grima E. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2012. Vol. 96, № 3. P. 577−586.
110. Kumar A., Ergas S., Yuan X., Sahu A., Zhang Q., Dewulf J., Malcata F.X., van Langenhove H. // Trends Biotechnol. 2010. Vol. 28, № 7. P. 371−380.
111. de Morais M.G., Costa J.A.V. // J. Biotechnol. 2007. Vol. 129, № 3. P. 439−445.
112. Kao C.Y., Chen T.Y., Chang Y.B., Chiu T.W., Lin H.Y., Chen C.D., Chang J.S., Lin C.S. // Bioresour. Technol. 2014. Vol. 166. P. 485−493.
113. Пилигаев А.В., Сорокина К.Н., Пармон В.Н. // Вестн. Новосибирского гос. ун-та. Серия: Биология, клиническая медицина. 2015. T. 13, № 4. C. 19−26.
114. Пилигаев А.В., Сорокина К.Н., Самойлова Ю.В., Пармон В.Н. // Катализ в промышленности. 2019. T. 19, № 2. C. 149−162.
115. Dickinson S., Mientus M., Frey D., Amini-Hajibashi A., Ozturk S., Shaikh F., Sengupta D., El-Halwagi M.M. // Clean Technol. Environ. Policy. 2017. Vol. 19, № 3. P. 637−668.
116. Sorokina K.N., Samoylova Y.V., Parmon V.N. // Bioresour. Technol. Rep. 2020. Vol. 11. Article 100548.
117. Никольская А.Б., Холстов А.В., Лягин И.В., Мамедова Ф., Ефременко Е.Н., Варфоломеев С.Д. // Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 4 (108). C. 95−100.
118. Brennan L., Owende P. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2010. Vol. 14, № 2. P. 557–577.
119. Luo J., Wu J., Zhang Q., Feng Q., Wu L., Cao J., Li C., Fang F. // Bioresour. Technol. 2018. Vol. 268. P. 549–557.
120. Tan X.B., Meng J., Tang Z., Yang L.B., Zhang W.W. // Chemosphere. 2020. Vol. 244. Article 125509.
121. Ummalyma S.B., Pandey A., Sukumaran R.K., Sahoo D. // Biosynthetic Technology and Environmental Challenges. Springer Singapore, 2018. P. 355–375.
122. Piotrowska-Niczyporuk A., Bajguz A., Talarek M., Bralska M., Zambrzycka E. // Environ. Sci. Pollut. Res. 2015. Vol. 22, № 23. P. 19112−19123.
123. Marchello A.E., Barreto D.M., Lombardi A.T. // Water Air Soil Pollut. 2018. Vol. 229, № 2. Article 48.
124. Alam M.A., Wan C., Zhao X.Q., Chen L.J., Chang J.S., Bai F.W. // J. Hazard. Mater. 2015. Vol. 289. P. 38–45.
125. Bhattacharya S., Pramanik S.K., Gehlot P.S., Patel H., Gajaria T., Mishra S., Kumar A. // ACS Sustain. Chem. Eng. 2017. Vol. 5, № 11. P. 10019–10028.
126. Piligaev A.V., Sorokina K.N., Shashkov M.V., Parmon V.N. // Bioresour. Technol. 2018. Vol. 250. P. 538–547.
Review
For citations:
Sorokina K.N., Samoylova Yu.V., Parmon V.N. The use of microalgae biomass for the production of marketable products. Part 1. Approaches to the production of microalgae biomass. Kataliz v promyshlennosti. 2022;22(3):66-85. (In Russ.) https://doi.org/10.18412/1816-0387-2022-3-66-85
Views:
440
Email this article 