Techno-economic Study for Full-scale Production of Microalgal Biomass

Microalgae have received a surge in attention in the past decade as a source for renewable energy. They are currently used to produce high-value products but have the potential to produce biofuels such as bioethanol, biodiesel and biohydrogen among others. The present work is an evaluation of the feasibility of a process producing microalgae as a wet biomass paste through modeling of a real process. The production process of microalgal-derived low-value products has yet to be realized due to the low productivity in current culture systems, the high cost of such systems and the high cost of harvesting the microalgal biomass. An accurate and efficient model of this process is key in allowing for scale up to where it can contribute sufficiently to a more sustainable society. The model constructed evaluates the best alternative out of twelve configurations using data supplied by the user. The model is flexible in that it allows for modeling of different microalgae and different scales of production. Genetic engineering of the microalgae is modeled as three different cases: a reduction in the light-harvesting antennae, the expression of a fluorescent protein that by absorbing UV light emits photosynthetically active radiation and a combination of the two. The model is then run for the case relevant to the user. To evaluate the performance of the model and the viability of the modeled process, it was ran for the microalgae P. tricornutum and an annual production demand of 1000 ton wet biomass paste. The break-even price of the biomass was 8.79 Ä for the base case and 5.68 Ä with both cases of genetic engineering of the microalgal cell. The best configuration was found to be a tubular photobioreactor in the cultivation stage with flocculation-sedimentation followed by filtration in the harvesting stage. The model is capable of producing results that are in line with the current research and are thus deemed reasonable. With the level of accuracy that the model presently contains, it is a good representation of the production of microalgal biomass as a whole. However, to be able to draw definitive conclusions, more time and research is required.Intresset för mikroalger som en förnyelsebar energikälla har ökat under det senaste decenniet. För närvarande används mikroalger enbart för produktion av specialprodukter men de har potential att användas vid produktion av bland annat bioetanol, biodiesel och vätgas. Detta arbete är en teknoekonomisk studie av produktion av våt biomassa från mikroalger genom modellering av en verklig process. En sådan process finns ännu inte i stor skala på grund av den låga produktiviteten i nuvarande odlingssystem och dess höga kostnader samt de höga kostnaderna kopplade till skördning av biomassan. För att skala upp denna process krävs en noggrann och effektiv modell som simulerar processen samt hur den kan förbättras genom att genetiskt modifiera mikroalgerna. Modellen som konstruerats tar in data från användaren och utvärderar den bästa processen av tolv konfigurationer. Modellen är flexibel och tillåter simulering av olika typer av mikroalger och olika produktionskrav. Genetisk modifiering av mikroalgerna modelleras för tre fall: en reducering av ljuskomplexens antennstorlekar, uttryckning av ett fluorescerande protein som absorberar UV-ljus och emitterar fotosyntetiskt aktiv strålning och en kombination av båda. Modellen körs sedan för det fall som användaren finner relevant, ett basfall utan genetiska modifieringar och med dessa. För att utvärdera modellens prestation och den modellerade processens genomförbarhet kördes den för mikroalgen P. tricornutum och en årlig produktion på 1000 ton våt biomassa. För att uppnå ett nollresultat krävs ett försäljningspris på 8.79 Ä för basfallet och 5.68 Ä för fallet med båda de genetiska modifieringarna. Den bästa konfigurationen var en tubreaktor i odlingssteget följt av flockulering och sedimentering följt av filtrering. Modellen är kapabel till producera resultat som stämmer överens med den nuvarande forskningen inom området och därmed bedöms de som rimliga. Modellen ger i helhet en god representation av produktion av biomassa, men för att dra definitiva slutsatser kring genomförbarheten av denna process så krävs det att mer tid och forskning investeras i att förbättra modellen och dess noggrannhet