Quantitative sustainability analysis of third generation biofuels using process data from microalgae biorefinery

Abstract

Microalgae biorefineries have been proposed as an important strategy for enhancing the economic profitability of bioproducts, which depends on the biotechnological potential of each species, associated with environmental conditions and technological approaches. The biorefinery concept applied to microalgae also implies valorization of residual biomass, converting it into biofuels and/or high value compounds. This study aimed to analyze the biochemical composition and the technical and economic feasibility of a biorefinery based on Phaeodactylum tricornutum cultivated in an outdoor pilot-scale bubble-columns photobioreactor, under natural conditions in Chile, for production of biofuels and high-value compounds. P. tricornutum biomass has a potential biochemical composition for using in an integrated biorefinery approach, mainly in order to optimize the environmental and economic feasibility of the process. Three different scenarios were proposed for the production of biofuels and high-value compounds. The most profitable scenarios were those that considered fucoxanthin and protein production and commercialization, due to the high price of these compounds on the market. The production of biomass as a raw material exclusively targeted for biofuel production showed itself not to be feasible under the conditions considered in the analysis. Furthermore, the assumption of economies of scale was shown to be a critical factor for the biomass price and feasibility of this approach. Technical and economic analysis is essential to identify economic bottlenecks and opportunities for addressing a microalgae product portfolio to the different market scenarios, in order to assist decision-makers and propose improvements in the cultivation and downstream processes.As biorrefinarias de microalgas foram propostas como uma estratégia importante para aumentar a rentabilidade econômica dos bioprodutos, as quais dependem do potencial biotecnológico de cada espécie, associado às condições ambientais e as abordagens tecnológicas. Esse conceito implica na valorização da biomassa residual, convertendo- a em biocombustíveis e/ou compostos de alto valor. Este estudo teve como objetivo analisar a composição bioquímica e a viabilidade técnico-econômica de uma usina de biorrefinagem baseada em Phaeodactylum tricornutum cultivada em um fotobiorreator de colunas de bolhas, em escala piloto ao ar livre sob condições naturais no Chile, para produção de biocombustíveis e compostos de alto valor. A biomassa da P. tricornutum tem uma composição bioquímica com potencial para uso em uma abordagem integrada de biorrefinagem, principalmente para otimizar a viabilidade ambiental e econômica do processo. Foram propostos e analisados 3 cenários distintos para a produção de biocombustíveis e compostos de alto valor, sendo os mais rentáveis aqueles que consideraram a produção e comercialização de fucoxantina e proteína, devido ao alto valor desses compostos no mercado. A produção de biomassa exclusivamente para a produção de biocombustíveis, mostrou-se não ser viável nas condições consideradas na análise. A hipótese de economia de escala foi um fator crítico para o custo de produção da biomassa e viabilidade dessa abordagem. A análise técnico-econômica e essencial para identificar gargalos econômicos e oportunidades para abordar o portfólio de produtos de microalgas para os diferentes cenários de mercado, a fim de auxiliar os tomadores de decisão e propor melhorias nos processos de cultivo e downstream