Informácie

Ktoré riasy rastú najrýchlejšie za optimálnych podmienok?

Ktoré riasy rastú najrýchlejšie za optimálnych podmienok?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Zaujíma ma, aké sú najrýchlejšie rastúce mikroriasy v optimálnych podmienkach pre fotoautotrofný rast (len energia z fotosyntézy). Najrýchlejšie možno interpretovať buď ako najkratší čas zdvojnásobenia, alebo ako maximálny výnos biomasy za deň na jednotku plochy.

Mnohé z rias skúmaných pre biopalivá rýchlo rastú, napríklad Nannochloropsis a Ankistrodesmus. Existuje mnoho publikácií, ktoré uvádzajú výnosy v jazierkovej kultúre alebo vo vonkajšom fotobioreaktore, napríklad Nannochloropsis pri 20 g/m^2/deň (suchá hmotnosť). Nie je však také bežné vidieť výťažky pre laboratórny fotobioreaktor (axenický, prípadne s nepretržitým osvetlením a všetky ostatné podmienky optimalizované pre rýchly rast). Hlavne ma zaujíma, aká čeľaď rias by sa vyvinula pre rýchly rast a kde sa v prírode môžu nachádzať.

UPRAVIŤ Ako zdôraznila jedna z odpovedí, riasy môžu rásť aj heterotrofne a to nemusí byť spravodlivé porovnanie. Zmenil som otázku, aby sa týkala iba autotrofného rastu (z fotosyntézy).


Odpoveď na vašu otázku závisí od mnohých premenných. Na zúženie zoznamu možných druhov môže byť užitočné uviesť, za akých podmienok plánujete pestovať túto riasu a či chcete poskytnúť ďalší zdroj uhlíka, ako je glukóza alebo acetát.

Aby ste mali predstavu, prečo je to dôležité: najrýchlejšie rastúca riasa, s ktorou som kedy pracoval, je Chlorella sorokiniana s dvojnásobným časovaním v rozsahu dvoch hodín. Bolo to však v médiu obsahujúcom acetát a rast by sa veľmi nespoliehal na fotosyntézu, ani by to nemalo veľký zmysel v systémoch pestovania v otvorených rybníkoch.

Pokiaľ ide o fotoautotrofné riasy, videli sme najkonzistentnejší rýchly rast (OD) v našom systéme (fotobioreaktor Algem) pre druhy Dunaliella. Ale je to založené viac na skúsenostiach ako na dôslednom testovaní mnohých druhov. Vo všeobecnosti sa tiež zdá, že existuje korelácia medzi veľkosťou a rýchlosťou rastu. Niektoré sinice majú rýchlosť rastu okolo dvoch hodín Článok


10.3 Podmienky rastu a reakcie rias

Existujú dva hlavné spôsoby reprodukcie rias. Niektoré riasy sú jednobunkové a vykazujú najjednoduchšie možné životné cykly (pozri obrázok 10.6a). Všimnite si, že existuje generatívna fáza a vegetatívna fáza. Počas generatívnej fázy sa cysty uvoľňujú. Cysty sa otvárajú a vytvárajú gaméty a potom tvoria zygotu. Odtiaľ nastáva vegetatívna fáza, takže rastlina rastie a môžu sa vytvárať nové cysty. Väčšina rias má dve rozpoznateľné fázy, sporofyt a gametofyt. Obrázok 10.6b znázorňuje schému dvoch fáz. Hlavným rozdielom je, že na vytvorenie zygoty je potrebný mužský a ženský typ. Nebudem od vás očakávať, že budete poznať podrobnosti do hĺbky, ale chcem, aby ste rozpoznali, že existujú rozdiely.

Vegetatívna fáza: zygota, steblový rast, tvorba cezlenov, tvorba čiapky, maximálna čiapočka

Generatívna fáza: od maximálnej čiapočky k tvorbe cysty, pridať sekundárne jadrá, voľné cysty s mnohými jadrami, tvorbu gamét, až po otvorenie cýst uvoľňujúce gaméty, kopuláciu, ktorá vedie k zygote

Diploidná (2N) zygota prechádza mitózou, aby vytvoril sporofyt, sporofyt prechádza mitózou, aby vytvoril haploidné (1N) spóry. Spóry prechádzajú klíčením, aby vytvorili mladý gametofyt. Výsledkom mitózy sú zrelé samčie a samičie gametofyty. Mitóza produkuje vajíčko a spermie, ktoré sa stávajú a diploidná (2N) zygota prostredníctvom oplodnenia

Riasy majú špecifickú cestu rastu, ktorá začína fázou oneskorenia a pokračuje exponenciálnou fázou, lineárnou fázou a stacionárnou fázou a fázou poklesu smrti. Obrázok 10.7 znázorňuje schému rýchlosti rastu rias vo vsádzkovej kultúre.

Existuje niekoľko faktorov, ktoré ovplyvňujú rýchlosť rastu. Teplota sa bude líšiť v závislosti od druhu rias. Optimálny teplotný rozsah pre kultúry fytoplanktónu je 20-30°C. Ak sú teploty vyššie ako 35 °C, môže to byť smrteľné pre množstvo druhov rias, najmä zelené mikroriasy. Teploty nižšie ako 16°C rast rias spomalia.

Na rast rias má vplyv aj svetlo: nesmie byť príliš silné ani slabé. Pri väčšine pestovania rias potrebujú riasy len asi 1/10 priameho slnečného žiarenia. Vo väčšine vodných systémov svetlo preniká iba cez 7-10 cm vody. Je to spôsobené objemnou biomasou rias, ktorá bráni svetlu dostať sa do hlbších vôd.

Miešanie je ďalším faktorom, ktorý ovplyvňuje rast rias. Miešanie alebo cirkulácia je potrebná na zmiešanie kultúr rias. Pre hĺbkové fotoreaktorové systémy sa používa miešadlo. Lopatkové kolesá sa používajú pre otvorené jazierkové systémy. A obeh čerpadla sa používa pre systém fototrubice.

Samozrejme, riasy potrebujú živiny a správne pH, aby mohli efektívne rásť. Autotrofný rast vyžaduje uhlík, vodík, kyslík, dusík, fosfor, síru, železo a stopové prvky. Na výpočet minimálnej potreby živín možno použiť vzorec zloženia C O1.48 H1.83 N0.11 P0.01. Za podmienok limitujúcich živiny sa výrazne zníži rast a spustí sa akumulácia lipidov. Riasy preferujú pH od neutrálneho po zásadité.

Na výrobu bionafty z rias existujú konkrétne kroky. Obrázok 10.8 ukazuje kroky spracovania na produkciu rias pri výrobe bionafty. Prvým krokom je kultivácia rias, ktorá zahŕňa výber miesta, výber kultúry rias a optimalizáciu procesu. Optimalizácia procesu zahŕňa návrh bioreaktora a potrebných komponentov pre rast buniek rias (živiny, prenos svetla a hmoty). Akonáhle riasy vyrastú na potrebnú úroveň, riasy sa zozbierajú. Biomasa sa musí najskôr spracovať, aby sa odvodnili, zahustili a vysušili riasy, aby sa extrahovala ropa, ktorá sa potom spracuje na bionaftu. Proces biomasy sa líši v závislosti od spôsobu ťažby ropy a výroby bionafty. Primárne ste sa o transesterifikácii na výrobu bionafty dozvedeli v lekcii 9, ale skúmajú sa a vyvíjajú aj iné procesy.

Kroky vo výrobe bionafty z rias

Prvým krokom je výber rias a miesta. Potom je tu pestovanie rias, ktoré prijímajú svetlo, vodu, CO3 a živiny. (Kultúra rias, 0,02-0,06 % celkových suspendovaných pevných látok-TSS). Odtok z rias (2 – 7 % TSS) potom ide na zber. Kultúra sa recykluje a kal z rias (5-15% TSS) ide na spracovanie biomasy (odvodnenie, zahusťovanie, filtrovanie, sušenie). Živiny sa recyklujú a koláč z rias (15-30% TSS) prechádza do extrakcie oleja (rozrušenie buniek a extrakcia oleja). Lipidy a voľné mastné kyseliny potom idú na výrobu bionafty.


Optimálne podmienky pre rast rias

Väčšine rias sa darí a množia sa vo vode s vysokým pH, ktoré sa pohybuje medzi siedmimi a deviatimi. Optimálne pH pre väčšinu druhov rias je 8,2 až 8,7. Neutrálne alebo nižšie pH vody znižuje rast rias. Riasy, podobne ako iné rastliny, využívajú svetlo na fotosyntézu potravy pre rast. Nízke teploty spomaľujú rast rias, ktoré kvitnú a množia sa pri teplotách okolo 16 až 27 stupňov.

  • Väčšine rias sa darí a množia sa vo vode s vysokým pH, ktoré sa pohybuje medzi siedmimi a deviatimi.
  • Nízke teploty spomaľujú rast rias, ktoré kvitnú a množia sa pri teplotách okolo 16 až 27 stupňov.

Pomáhame rastu priemyslu rias: Najlepšie kmene, najlepšie lokality

Úspech v laboratóriu sa vždy nepremieta do komerčných podmienok, ale vedci z Michiganskej štátnej univerzity vynašli technológiu, ktorá zvyšuje šance na biopalivá na báze rias.

Ich environmentálny fotobioreaktor je prvou štandardizovanou platformou na pestovanie rias na svete.

Vedci to prirovnávajú k jazierku v nádobe. Tam môžu identifikovať, kultivovať a testovať rôzne kmene rias, ktoré budú dobre fungovať v reálnych situáciách.

Hoci riasy majú obrovský potenciál na produkciu ropy, ktorá môže nahradiť ropu, kmene, ktorým sa darí v laboratóriu, často prepadnú inde.

Duchovným dieťaťom Davida Kramera, významnej profesorky biochémie a molekulárnej biológie Hannah v štáte Michigan, jeho laboratórium na riasy vyzerá skôr ako továreň na elektroniku. Lavičky sú pokryté drôtmi, spájkovačkami a doskami plošných spojov, ktoré svietia na zeleno, keď testujú rôzne kmene rias.

Bioreaktory sú veľké asi ako kávovar a môžu vyvolať zmeny svetla, teploty, oxidu uhličitého, kyslíka, odparovania, dostupnosti živín a ďalších premenných.

Dôležité je, že dokáže duplikovať a potvrdiť výsledky z experimentov uskutočnených kdekoľvek na svete.

Už sa vytvorila začínajúca spoločnosť Phenometrics, ktorá predáva bioreaktory. Už po dvoch rokoch má stabilné objednávky a jazdí v čiernych číslach.

Najlepšie miesta pre rast rias

Na druhom konci spektra Pacific Northwest National Lab a výrobca rias Sapphire Energy identifikovali najlepšie miesta na pestovanie rias v USA, kde môžu byť najproduktívnejšie.

Ideálne lokality sú v okolí pobrežia Mexického zálivu, najmä na Floride, ale aj na južnom pobreží Texasu, Louisiany a južného Arkansasu. Hoci v USA existujú potenciálne lokality, práve tu by komerčne pestované riasy mali ľahký prístup k infraštruktúre, ktorú potrebujú.

Kritériá úspechu zahŕňajú:

  • teplé, slnečné podnebie
  • dostupnú vodu
  • pozemok za rozumnú cenu s dobrou pôdou
  • v blízkosti dopravnej a inžinierskej infraštruktúry
  • miestne problémy: predpisy, daňové stimuly, vnímavosť ľudí, ktorí tam žijú, a ekologické obmedzenia.

“Naša analýza znížila počet potenciálnych lokalít z takmer 100 000 na úzky súbor najsľubnejších lokalít,” hovorí Erik Venteris, výskumný inžinier v Pacific Northwest National Lab a spoluautor “Siting Algae Cultivation Faciltivities pre výrobu biopalív v Spojených štátoch: kompromisy medzi mierou rastu, staviteľnosťou lokality, dostupnosťou vody a infraštruktúrou.”

“Efektívne umiestnenie zariadení na pestovanie rias na komerčnú výrobu biopalív je rozhodujúce pre úspech,” vysvetľuje Margaret McCormick, predsedníčka organizácie Algae Biomass Organization. “Biológia je taká zložitá, že existujúce ‘bežné’ meracie nástroje sú nedostatočné. Pretože táto analýza zohľadňuje množstvo premenných spolu s údajmi o pestovaní rias v reálnom svete, ponúka vývojárom projektov oveľa kompletnejšie a prísnejšie hodnotenie lokalít.”

Pestovanie rias v otvorených jazierkach je obzvlášť náročné, pretože môžu mať veľkosť tisícok akrov.

“Skombinovaním vedomostí a skúseností Sapphire Energy’ získaných z prevádzkovania prvého komerčného demonštračného zariadenia na výrobu rias na svete s prísnymi nástrojmi a analýzami PNNL’ sme dokázali identifikovať potenciálne miesta pre komerčnú výrobu biopalív z rias v USA. ,” hovorí Tim Zenk, viceprezident pre podnikové záležitosti v Sapphire Energy.

Priemysel rias sa rýchlo objavuje ako príležitosť na riešenie mnohých energetických, potravinových, ekonomických a environmentálnych výziev, ktorým dnes svet čelí. Riasy môžu súčasne poháňať vozidlá a lietadlá, recyklovať uhlík, poskytovať výživu zvieratám a ľuďom a vytvárať pracovné miesta pre milióny Američanov.

Schopnosť rias produkovať vysoké výnosy, rásť v slanej vode a na okrajových územiach znamená, že sa môžu pestovať vo veľkom meradle bez škodlivých vplyvov na zásoby sladkej vody alebo hodnotnú poľnohospodársku pôdu.

Minulý rok sa v Kongrese vytvoril Algae Caucus, ktorý má pomôcť odvetviu rozbehnúť sa. Očakáva sa, že trh s biopalivami z rias do roku 2015 dosiahne 1,6 miliardy USD.


Aplikácie modifikovaných cyanobaktérií a rias

Zameriavame sa tu na nedávny pokrok vo výrobe biopalív a iných užitočných chemikálií pomocou geneticky modifikovaných siníc a rias. Pri iných aplikáciách sa čitatelia môžu odvolať na niekoľko ďalších vynikajúcich recenzií, ktoré boli nedávno publikované (Radakovits a kol., 2010 Ruffing, 2011 Qin a kol., 2012).

Biopalivá

Spojené štáty americké spotrebovali v roku 2009 13,3 milióna barelov ropy denne na účely dopravy, čo predstavuje 71 % všetkej spotrebovanej ropy (Energy Information Administration, 2010). Bolo navrhnutých mnoho alternatív k súčasným kvapalným palivám, vrátane etanolu, 1-butanolu, izobutanolu, alkoholov s krátkym reťazcom, alkánov s krátkym reťazcom, bionafty (FAME, metylestery mastných kyselín), mastných alkoholov, alkánov, lineárnych a cyklických izoprenoidov (Lee a kol., 2008 Connor a Atsumi, 2010). Súčasné spôsoby biologickej výroby palív a chemikálií sú zhrnuté na obrázku 1. Tradične sa ľudia riadia dvojkrokovou cestou, ktorou najprv zbierajú rastlinnú biomasu a potom biomasu premieňajú na palivá mikrobiálnou fermentáciou (Stephanopoulos, 2007), zatiaľ čo v poslednom čase sa zaujímajú o využitie fotosyntetických mikróbov na priamo konvertovať CO2 na palivá sa dramaticky zvýšil (Chisti, 2007 Lu, 2010). V porovnaní s plodinami je hektárový výnos oleja siníc alebo mikrorias asi o dva rády vyšší a potrebná kultivačná pôda je približne o dva rády menšia (Chisti, 2007). Odhaduje sa, že len v USA bolo od roku 2007 investovaných viac ako Ɂ miliárd do výskumu a vývoja biopalív a rias (Mascarelli, 2009).

OBRÁZOK 1. Cesty biologickej výroby palív a chemikálií. Šípky označujú tok uhlíka a energie medzi rôznymi nosičmi.

Bionafta

Sinice a riasy sú bohaté na zlúčeniny zásob energie, ako je diacylglycerol (DAG), triacylglycerol (TAG) a škrob, ktoré možno extrahovať a použiť na výrobu bionafty (van de Meene a kol., 2006 Chisti, 2007 Radakovits a kol., 2010 Sheng a kol., 2011). Na ďalšie zvýšenie obsahu oleja v bunkách sa vykonali účinky na blokovanie metabolických dráh, ako aj na nadmernú expresiu génov limitujúcich krokov. Napríklad dva rôzne kmene s deficitom škrobu C. reinhardtii, sta6 a sta7 mutanty, ktoré nesú génový knockout v génoch pre ADP-glukózu pyrofosforylázu a izoamylázu, v danom poradí, boli izolované (Mouille a kol., 1996 Posewitz a kol., 2005) a tieto mutanty akumulovali zvýšené hladiny TAG počas nedostatku dusíka (Wang a kol. , 2009). Ďalší mutant bez škrobu Chlorella pyrenoidosa bolo tiež publikované, že obsah lipidov tohto mutanta bol zvýšený takmer dvojnásobne v porovnaní s divokým typom v podmienkach kultivácie s obmedzením dusíka (Ramazanov a Ramazanov, 2006). Ukázalo sa, že blokovanie biosyntézy škrobu môže byť účinným spôsobom na zvýšenie produkcie lipidov, a teda potenciálne aj bionafty.

Proces extrakcie lipidov je však energeticky náročný a významné množstvo glycerolu ako vedľajšieho produktu boli dve z hlavných prekážok komerčnej výroby bionafty (Chisti, 2007 Fernando et al., 2007 Liu a Curtiss, 2009). Na uľahčenie extrakcie lipidov sa vyvinulo úsilie v oblasti procesného inžinierstva aj genetického inžinierstva (Liu a Curtiss, 2009 Liu a kol., 2011a Sheng a kol., 2011). Konkrétne Liu a kolegovia skonštruovali indukovateľné systémy na podmienenú expresiu génov lýzy fágov a génov lipolytických enzýmov v Synechocystis 6803 na spustenie bunkovej lýzy po zbere a tým napomáhanie extrakcii lipidov z tohto druhu (Liu a Curtiss, 2009 Liu et al., 2011a). Ďalším spôsobom, ako vyriešiť vyššie uvedené problémy, je výroba vylučovateľných biopalív zo syntetického biologického prístupu.

Voľné mastné kyseliny

Zvýšená produkcia voľných mastných kyselín (FFA) už bola dosiahnutá v E. coli prostredníctvom série genetického inžinierstva (Davis a kol., 2000 Lu a kol., 2008). V nedávnej štúdii Liu a kol. (2011b) upravená cyanobaktéria Synechocystis kmene na produkciu a vylučovanie FFA až do 197 mg/l pri hustote buniek 1,0 × 109 buniek/ml. Acetyl-CoA karboxyláza (ACC) bola nadmerne exprimovaná, aby riadila metabolický tok smerom k FFA, zatiaľ čo gén aktivácie mastných kyselín aas (slr1609) bol vymazaný, aby sa inaktivovala degradácia FFA. Gény syntézy poly-β-hydroxybutyrátu (PHB) (slr1993 a slr1994) a gén pre fosfotransacetylázu pta (slr2132) boli vymazané, aby sa zablokovali konkurenčné cesty. Najmä dve genetické modifikácie výrazne zvýšili produkciu a sekréciu FFA: nadmerná expresia tioesteráz a oslabenie polárnej peptidoglykánovej vrstvy bunkovej steny Synechocystis 6803.

Alkány a alkény

Hoci bolo známe, že niektoré sinice môžu syntetizovať alkány, molekulárny mechanizmus bol až donedávna záhadný, v cyanobaktériách boli identifikované biosyntetické dráhy alkánov/alkénov (Steen et al., 2010 Mendez-Perez et al., 2011). Steen a kol. (2010) identifikovali alkánovú/alkénovú biosyntetickú dráhu, ktorou dve po sebe nasledujúce biochemické reakcie katalyzované acyl-ACP reduktázou a aldehyddekarbonylázou, v uvedenom poradí, premieňajú acyl-ACP (medziprodukty metabolizmu mastných kyselín) na alkány/alkény. Aby sa zvýšila produkcia alkánov v cyanobaktériách, heterológna expresia génov acyl-ACP reduktázy a aldehyddekarbonylázy (od r. Synechococcus 7942) bolo dosiahnuté v r Synechococcus 7002, čo viedlo k celkovej intracelulárnej akumulácii n-alkánu až do 5 % hmotnosti suchých buniek (Reppas a Ridley, 2010). V inom výskume Mendez-Perez et al. (2011) identifikovali gény zodpovedné za biosyntézu α-olefínov v Synechococcus 7002. Okrem toho nadmerná expresia accBCDA operón (ktorý kóduje ACC) v Synechocystis bolo tiež hlásené, že zvyšuje produkciu alkánov / alkénov (Tan et al., 2011), čo je v súlade s vyššie uvedenými výsledkami produkcie FFA. Hoci sa predpokladá, že existujú určité dráhy sekrécie alkánov/alkénov, špecifické mechanizmy sa stále skúmajú (Radakovits et al., 2010).

Etanol

Výroba etanolu prostredníctvom mikrobiálnej fermentácie prešla v poslednom desaťročí prudkým nárastom pre jeho využitie ako doplnku v dopravnom palive (Stephanopoulos, 2007 Energy Information Administration, 2010). V roku 1999 bola hlásená fotosyntetická produkcia až 230 mg/l etanolu pomocou geneticky upravených cyanobaktérií Synechococcus 7942, v ktorom je umelý operón z pdc-adh (gény pôvodne z Zymomonas mobilis) bol vyjadrený pod písmenom Plac a Prbc promótory prostredníctvom kyvadlového vektora pCB4 (Deng a Coleman, 1999). V nedávnej štúdii, pdc-adh expresná kazeta bola integrovaná do chromozómu Synechocystis 6803 pri psbA2 lokus. Poháňaný svetlom indukovateľným silným PpsbA2 promótor, vyjadrenie pdc/adh výsledkom bola výroba 񾕐 mg/l etanolu konštruktérom Synechocystis za podmienok vysokého osvetlenia (� 㯎/m2/s) (Dexter a Fu, 2009). V riasach, hoci mnohé druhy majú fermentačné cesty na produkciu etanolu, tieto cesty sú funkčné iba v tmavých a anaeróbnych podmienkach (Hirayama et al., 1998). Etanol z rias sa v súčasnosti vyrába prostredníctvom heterotrofnej fermentácie biomasy rias pomocou heterotrofov, ako sú kvasinky a E. coli (Nguyen et al., 2009 Harun et al., 2010 Wargacki et al., 2012), ktorý sleduje dvojkrokovú cestu (obrázok 1). Priama fotosyntetická produkcia etanolu riasami by bola možná s použitím podobného prístupu, aký je demonštrovaný v cyanobaktériách expresiou cudzích biosyntéznych dráh etanolu alebo vyladením prirodzených regulačných dráh v riasach.

Izobutanol a 1-butanol

V porovnaní s etanolom majú izobutanol a 1-butanol oveľa vyššiu energetickú hustotu. Hustota energie butanolu dosahuje 29,2 MJ/L, asi 90 % hustoty benzínu, 32,5 MJ/L, a je tiež menej prchavý a menej korozívny ako etanol (Dürre, 2007). Preto je butanol považovaný za lepšiu náhradu benzínu. Nedávno sa dosiahol významný pokrok vo fotosyntetickej výrobe butanolu. Liao a kolegovia zaviedli umelú cestu biosyntézy izobutanolu Synechococcus 7942 a skonštruované kmene boli schopné fotosynteticky produkovať izobutyraldehyd a izobutanol v titroch 1100 a 450 mg/l (Atsumi et al., 2009). Na rozdiel od toho, fotosyntetická produkcia 1-butanolu v kyslíkových cyanobaktériách alebo riasach bola ťažká, pretože vnútorná citlivosť na kyslík a závislosť NADH biosyntetickej dráhy 1-butanolu sú v rozpore s fotooxygenézou a nedostatkom kofaktorov NADH v cyanobaktériách (Atsumi a kol., 2008a Inui a kol., 2008 Lan a Liao, 2011). Keď bola 1-butanolová dráha nadmerne exprimovaná v Synechococcus 7942 bol 1-butanol sotva detegovateľný (ߡ mg/l) po 2 týždňoch kultivácie za fotosyntetických podmienok. Dosiahlo sa až 14,5 mg/l 1-butanolu v Synechococcus 7942 v anoxických podmienkach (Lan a Liao, 2011). Ďalšia analýza odhalila, že reverzibilná acetyl-CoA kondenzačná reakcia katalyzovaná tiolázou (kódovaná atoB) silne uprednostňuje tiolýzu acetoacetyl-CoA skôr ako kondenzáciu dvoch molekúl acetyl-CoA, a preto AtoB môže byť nedostatočný na to, aby poháňal tok z acetyl-CoA k biosyntéze 1-butanolu za fotosyntetických podmienok (Lan a Liao, 2012) . Na tento účel bola skonštruovaná alternatívna biosyntetická dráha acetoacetyl-CoA riadená ATP nadmernou expresiou acetoacetyl-CoA syntázy (NphT7), ktorá namiesto toho kondenzuje malonyl-CoA a acetyl-CoA v Synechococcus. Pri spoločnej expresii biosyntetickej dráhy 1-butanolu závislej od NADH sa za fotosyntetických podmienok vyrobilo 6,5 mg/l 1-butanolu. Potom, čo bola NADH-dependentná bifunkčná aldehyd/alkoholdehydrogenáza (AdhE2) ďalej nahradená samostatnou NADPH-dependentnou butyraldehyddehydrogenázou (Bldh) a alkoholdehydrogenázou (YqhD), produkcia 1-butanolu sa zvýšila štvornásobne, až na 縰 mg/ L, za rovnakých fotosyntetických podmienok (Lan a Liao, 2012).

Mastné alkoholy s dlhším uhlíkovým reťazcom

Aby sa vyrobili alkoholy s dlhým reťazcom, Lu a kolegovia heterológne exprimovali mastné acetyl-CoA reduktázy z rôznych zdrojov v Synechocystis a výsledné kmene dosiahli produkciu mastných alkoholov, vrátane hexadekanolu (C16) a oktadekanolu (C18 Tan et al., 2011). Hoci titer bol veľmi nízky (približne 0,2 mg/l), je prístupný ďalšiemu zlepšeniu prostredníctvom ďalšieho zlepšenia upstream dráh a riešenia problémov sekrécie, ako je tomu pri konštrukcii Synechocystis 6803 na zvýšenie produkcie mastných kyselín (Liu et al., 2011b). Výroba alkoholov so stredným reťazcom (C5 až C10) v E. coli dobre zhrnuli Lamsen a Atsumi (2012). Stručne povedané, alkoholy C5 až C10 boli úspešne biosyntetizované prostredníctvom rozšírenej 1-butanolovej dráhy (Dekishima et al., 2011), umelo vytvoreného zvrátenia β-oxidačnej dráhy (Dellomonaco et al., 2011) a 2-keto kyslé metabolické dráhy (Atsumi a kol., 2008b Zhang a kol., 2008). Keďže sinice a riasy zdieľajú s E. coli Väčšina metabolických dráh šasi potrebných pre biosyntézu alkoholu s dlhším reťazcom sa predpokladá, že podobné prístupy možno použiť na dosiahnutie biosyntézy alkoholov s dĺžkou uhlíkového reťazca > 5 v cyanobaktériách a riasach.

Vodík

Okrem kvapalných biopalív si v posledných rokoch získava čoraz väčšiu pozornosť aj výroba vodíka –, plynného, ​​bezuhlíkového a vysokoenergetického paliva – v riasach a siniciach (Melis et al., 2000 Kruse et al. , 2005 Ghirardi a kol., 2007, 2009 Hankamer a kol., 2007 Hemschemeier a kol., 2009 Lee a kol., 2010 Srirangan a kol., 2011). Mnohé sinice a riasy prirodzene produkujú vodík ako sekundárny metabolit na vyváženie redoxnej energie. S cieľom posilniť produkciu vodíka sa vynaložilo úsilie na zvýšenie toku elektrónov namiesto toku uhlíka smerom k H.2 biosyntéza katalyzovaná hydrogenázami (2H + + 2e – → H2). V riasach C. reinhardtii, napríklad blokovanie cyklického prenosu elektrónov okolo PSI sa obrátilo, aby sa eliminovala možná elektrónová súťaž o elektrón s hydrogenázou ako výsledok, H2 rýchlosť evolúcie vzrástla 5�-krát za rôznych podmienok (Kruse et al., 2005). Hydrogenáza bola priviazaná k PSI, aby sa získala oveľa väčšia priepustnosť elektrónov, a teda H2 rýchlosť evolúcie (Ihara a kol., 2006 Schwarze a kol., 2010 Lubner a kol., 2011). Doteraz sa však všetky tieto experimenty uskutočnili in vitro a je potrebné vyvinúť úsilie zo syntetického biologického prístupu na overenie tohto konceptu in vivo. V inej štúdii bola expresia exogénneho ferredoxínu z Clostridium acetobutylicum okrem natívneho ferredoxínu by mohol posilniť tok elektrónov smerom k hydrogenáze HydA prostredníctvom sifónových elektrónov z fermentácie vnútorných redukčných ekvivalentov (ako je glykogén). V dôsledku toho sa produkcia vodíka zvýšila približne dvojnásobne (Ducat et al., 2011a) v anoxických podmienkach závislých od svetla. Na druhej strane sa vynaložilo úsilie na zablokovanie ciest konkurenčných pri spotrebe redukčného činidla, aby sa uľahčila produkcia H2 výroby. Napríklad po tom ldhA gén (ktorý je zodpovedný za spotrebu NADH pri produkcii laktátu) bol inaktivovaný v Synechococcus 7002 sa pomer NADH/NAD+ výrazne zvýšil, a preto sa produkcia vodíka natívnou obojsmernou [NiFe] hydrogenázou zvýšila päťnásobne v anoxických podmienkach v tme (McNeely et al., 2010). Citlivosť na kyslík oboch hlavných [NiFe] a [FeFe] hydrogenáz je doteraz najväčšou výzvou, ktorá je diskutovaná nižšie.

Iné komoditné chemikálie

Aj keď značná pozornosť bola venovaná fotosyntetickej výrobe palív z CO2relatívne hodnoty (v USD na fotón) palív sú oveľa nižšie ako hodnoty iných komoditných chemikálií. Napríklad sa odhaduje, že relatívna hodnota fotónu fixovaného v kyseline mliečnej je asi 3,5-krát väčšia ako v oktáne (Ducat et al., 2011b). Preto je fotosyntetická výroba chemikálií s vyššími jednotkovými hodnotami ako palivá ekonomicky vhodnejšia, aspoň v blízkej budúcnosti.

Etylén

Etylén, najjednoduchší nenasýtený alkén, je jedným z najdôležitejších stavebných prvkov v syntetickom chemickom priemysle. Jeho výroba sa však takmer výlučne spolieha na ropu. Aby bola výroba udržateľná, skúmala sa biosyntéza etylénu z obnoviteľných zdrojov. Sakai a kol. (1997) prvýkrát preukázal fotosyntetickú výrobu plynného etylénu z CO2 v genetickom inžinierstve Synechococcus heterológnym vyjadrením jediného efe gén Pseudomonas syringae na pUC303-odvodenom kyvadlovom vektore. Neskôr integráciou efe génu do psbA1 locus of the Synechococcus 7942, výskumná skupina dosiahla vyššiu produkciu etylénu s titrom 縷 mg/l (Takahama et al., 2003). Avšak inžiniersky Synechococcus kmene neboli geneticky stabilné, čo viedlo k poklesu produkcie etylénu počas následných vsádzkových kultivácií (Takahama et al., 2003). Pretože výroba každých dvoch molekúl etylénu spotrebuje tri molekuly 2-oxoglutarátu a jednu molekulu L-arginínu (Fukuda et al., 1992), genetickú nestabilitu možno pripísať nedostatku medziproduktov cyklu trikarboxylových kyselín (TCA), čo vedie k závažnej depresii bunkového rastu (Takahama et al., 2003). Na udržanie produkcie etylénu v cyanobaktériách alebo riasach by sa mal zvýšiť metabolický tok smerom k cyklu TCA a mali by sa zvážiť alternatívne cesty biosyntézy etylénu (Yang a Hoffman, 1984 Fukuda a kol., 1989 Kende, 1993 Kosugi a kol., 2000) .

Izoprén

Izoprén je ďalšou dôležitou surovinou v syntetickej chémii a potenciálne biopalivo. Biosyntéza a emisia izoprénu sa vyskytuje v mnohých rastlinách ako spôsob, ako sa vyrovnať s tepelnými škvrnami a reaktívnymi formami kyslíka a genetický mechanizmus bol skúmaný (Sharkey et al., 2008). Lindberg a kol. (2010) naklonovali IspS génu (kódujúceho izoprénsyntázu) z Pueraria montana a integrovaný do psbA2 locus of the Synechocystis genómu, ktorý poskytuje heterológnu expresiu izoprénsyntázy pod svetlom závislým PpsbA2 promotér v Synechocystis. Použitie kodónov sa ukázalo byť veľmi dôležitým faktorom pre optimálnu expresiu kodónu IspS gén. Po optimalizácii kodónov sa IspS génová expresia sa zvýšila asi 10-násobne. Izoprén sa nakoniec produkoval rýchlosťou 繐 mg/g suchých buniek/deň za kultivačných podmienok s vysokým svetlom (񾔀 㯎/m2/s). Je pozoruhodné, že heterológne vyjadrenie IspS nahradením psbA2 gén významne neovplyvnil fotosyntézu a spomalil rast transformantov (Lindberg et al., 2010), ktorý sa líšil od vyššie uvedených cyanobaktérií produkujúcich etylén (Sakai et al., 1997 Takahama et al., 2003).

Acetón

Acetón predstavuje najjednoduchší ketón, ktorý slúži ako rozpúšťadlo a prekurzor pre priemyselné chemikálie (Yurieva et al., 1996). Mikrobiálna produkcia acetónu bola dosiahnutá pri fermentácii Clostridia a rekombinantné E. coli s použitím cukru ako suroviny (Bermejo et al., 1998). Maximálny výťažok je však iba 50 %, pričom druhá polovica uhlíka sa uvoľňuje ako CO2 keď je hexóza jediným zdrojom uhlíka. Nedávno sa vďaka kombinácii koexpresie acetoacetátdekarboxylázy (adc) a koenzým A transferáza (ctfAB) a delécia PHB polymerázy (PhaEC) v Synechocystis 6803, 3𠄵 mg/l acetónu bol vyrobený v tmavých a anaeróbnych kultivačných podmienkach bez dusíka a fosfátov. Po delécii génu kódujúceho fosfotransacetylázu ptakompetitívna produkcia acetátu sa výrazne znížila a titer acetónu sa v kultúre evidentne zvýšil na 36,0 mg/l (Zhou et al., 2012).

Poly-β-hydroxybutyráty

Cyanobaktérie sú prirodzenými producentmi PHB, typu polyhydroxyalkanoátov (PHA), ktoré slúžia ako biodegradovateľné plasty (Hein a kol., 1998 Taroncher-Oldenburg a kol., 2000). Výťažok je však veľmi nízky a nedostatok živín a pridanie acetátu sú zvyčajne potrebné na akumuláciu PHB (Wu et al., 2001). Zavedením génov biosyntézy PHB z Ralstonia eutropha do Synechococcus 7942 v spojení s hladovaním dusíkom a doplnením acetátu dosiahla biosyntéza PHB v rekombinantných cyanobaktériách maximum 25,6 % hmotnosti suchých buniek (Takahashi et al., 1998). Vyvinuli sa aj snahy o identifikáciu porúch génov, ktoré by mohli prispieť k zvýšeniu akumulácie PHB a objavili sa viaceré poruchy génov s pozitívnymi účinkami (Tyo et al., 2009). Napriek tomu, podobne ako pri iných typoch makromolekúl, PHB nemožno vylučovať z buniek, požadovaný extrakčný proces je energeticky náročný a zostáva jednou z hlavných prekážok komerčných aplikácií (Chisti, 2007 Liu a Curtiss, 2009). Výsledkom je, že 3-hydroxybutyrát (3HB), monomér PHB a molekula stavebného bloku pre iné PHA, bol úspešne vyrobený a vylučovaný genetickým inžinierstvom. E. coli (Lee a Lee, 2003 Liu a kol., 2007 Tseng a kol., 2009). Fotosyntetická produkcia 3HB v cyanobaktériách a riasach by preto mohla byť uskutočniteľným prístupom na zvládnutie problému sekrécie.

Kyselina mliečna

Kyselina mliečna je ďalšou chemikáliou, ktorá môže slúžiť ako stavebný kameň na syntézu biodegradovateľných polyesterov s cennými medicínskymi vlastnosťami. Používa sa tiež ako konzervačná a okysľujúca látka v potravinárskom priemysle a môže slúžiť ako pokročilá živina pre neurónové bunky (Wee et al., 2006). Zatiaľ čo konvenčná produkcia kyseliny mliečnej sa opiera o mikrobiálnu fermentáciu cukrov (Wee et al., 2006), fotosyntetická produkcia kyseliny mliečnej pomocou CO2 ako zdroj uhlíka bol nedávno preukázaný (Niederholtmeyer et al., 2010). Prostredníctvom heterológnej expresie troch génov, vrátane ldhA, lldP, a udhA, v cyanobaktériách Synechococcus 7942, Niederholtmeyer a kol. (2010) has accomplished production of lactic acid with a titer of 繖 mg/L under photoautotrophic culture condition. While LdhA catabolizes the conversion of pyruvate to lactate, expression of the lactate transporter gene lldP turned to be essential for lactate secretion from the engineered Synechococcus strain (Niederholtmeyer et al., 2010). Repletion of NADH, a cofactor for LdhA, through expressing the NADPH/NADH transhydrogenase (encoded by udhA) greatly enhanced the lactate production but reduced the growth rate of Synechococcus (Niederholtmeyer et al., 2010).

Cukry

Fresh water cyanobacteria accumulate solutes such as glucosylglycerol and sucrose when they are exposed to salt stress (Hagemann, 2011). By knocking out the agp gene (which contributes to the biosynthesis of glucosylglycerol) from the Synechocystis 6803 genome, Miao et al. (2003) achieved sucrose accumulation of up to 44 mg/L/OD730 after 0.9 M salt shock for 96 h. In another study, overexpression of invA, glf, a galU gény v Synechococcus 7942 resulted in up to 45 mg/L total hexose production (including glucose and fructose) in the culture supplemented with 200 mM NaCl (Niederholtmeyer et al., 2010). While InvA catalyzes the conversion of sucrose to glucose and fructose, expression of the glucose or fructose transporter GLF (encoded by glf gene) was essential for glucose or fructose secretion. Additional expression of GalU enhanced the biosynthesis of intracellular precursors and thus further increased the hexose sugar production by over 30% in the culture (Niederholtmeyer et al., 2010).


How Algae Biodiesel Works

So, we've talked about the chemical process that takes algae and turns it into biodiesel fuel. The real question, and one which many companies all over the globe are trying to answer, is how can we produce enough to meet the demand for biodiesel?

The most natural method of growing algae for biodiesel production is through open-pond growing. Using open ponds, we can grow algae in hot, sunny areas of the world to get maximum production. While this is the least invasive of all the growing techniques, it has some drawbacks. Bad weather can stunt algae growth, as can contamination from strains of bacteria or other outside organisms. The water in which the algae grow also has to be kept at a certain temperature, which can be difficult to maintain.

Vertical growth/closed loop production has been developed by biofuel companies to produce algae faster and more efficiently than open pond growth. With vertical growing, algae are placed in clear plastic bags, so they can be exposed to sunlight on two sides. The bags are stacked high and protected from the rain by a cover. The extra sun exposure increases the productivity rate of the algae, which in turn increases oil production. The algae are also protected from contamination.

Other companies working to produce algae for biodiesel are constructing closed-tank bioreactor plants to help increase oil rates even further. Instead of growing algae outside, indoor plants are built with large, round drums that grow algae under ideal conditions. The algae are manipulated into growing at maximum levels and can be harvested every day. This yields a very high output of algae, which in turn yields large amounts of oil for biodiesel. Closed bioreactor plants can also be strategically placed near energy plants to capture excess carbon dioxide that would otherwise pollute the air.

Researchers are testing another variation of the closed-container or closed-pond process -- fermentation. Algae are cultivated in closed containers and fed sugar to promote growth. This method eliminates all margin of error since it allows growers to control all environmental factors. The benefit of this process is that it allows the algae biodiesel to be produced anywhere in the world. But, researchers are trying to figure out where to get enough sugar without creating problems.

Let's learn more about the pros and cons of algae biodiesel.

A number of books and services claim you can produce your own biodiesel -- even with algae. Making biodiesel in your garage requires a lot of time, money and effort on your part. It can be dangerous. Be cautious, or leave it up to the experts!


What is the world's fastest growing algae?

Microalgae (usually single celled organisms of a size so small the individuals can only be seen under a microscope) can, and under favorable conditions often do, duplicate themselves every day or more often than once a day.

The National Renewable Energy Laboratory (NREL) did a long study of the potential of using algae for the purpose of "growing" vegetable oils (the same kind of oils now used to make "biodiesel"). In at least one report they say that the specific species Navicula acceptata has a reproduction rate (under the best of conditions) of 3.8 times per day. That is to say, 1 cell doubles to 2 cells, 2 cells double to 4 cells, 4 cells double to 8 cells, and 8 cells double to 16 cells (actually about 13 cells to allow for the x.8 statistic) in approximately 24 hours. So if you imagine potatoes growing at this rate and you started with a 5 lb sack of potatoes , by the end of the day, that would be a 64 lb. sack of potatoes, which is impressive, but now imagine that your 5 lb . sack actually is ALGAE, and that every 5 pounds grows at that 3.8 doublings per day. In one week (you should probably check my math) that 5 pounds would grow into 281,000,000 lb.


Filamentous Algae Conditions and Control Options

Filamentous algae are colonies of microscopic plants that link together to form threads or mesh-like filaments. These primitive plants normally grow on the surface of hard objects or other substrates under the water but they can break loose and form floating mats. Filamentous algae are important because they produce oxygen and food for the animals that live in the pond, but they also can cause problems such as clogs and stagnancy. Filamentous algae do not have roots rather they get their nutrients directly from the water, meaning that their growth and reproduction are entirely dependent on the amount of nutrients (i.e. fertilizer) in the water. Because stormwater ponds collect water flowing from yards and roads in the community, they often grow an abundance of algae as a result of the many sources of nutrients in residential and commercial developments. It is not uncommon for stormwater ponds to develop large floating mats of algae during the warm months of the year in response to fertilization of lawns and animal wastes in the watershed.

Are clumps of filamentous algae unhealthy?  Should the water be clear?
Nie, nie nevyhnutne. Most filamentous green algae do not produce toxins that are harmful to humans. The algae are growing in response to nutrients that have washed into the pond, so excessive growth of algae may indicate that there are other pollutants that also have washed into the water. If the source of nutrients is pet or animal waste, it is likely that bacteria and other pathogens are living on the algae mats. Residents should not handle algae harvested from stormwater ponds because there may be harmful bacteria associated with it. If homeowners do handle algae, they should wash their hands thoroughly or use sanitizer. Algal growth serves as Nature's way of capturing nutrients and contaminants that otherwise would be carried downstream to impair rivers and beaches, so having some algae in a stormwater pond helps the pond do what it is designed to do, capture contaminants and protect water quality. The clumps are unsightly, but they are not themselves a threat to your health.

Can too much algae become a problem?
Áno. When mats of filamentous algae grow to the extent that they cover large areas of the pond surface, they limit the exchange of oxygen between the water and the atmosphere, and they prevent photosynthesis from producing oxygen in the water. As a result, ponds that are largely covered in algal mats are more likely to have fish kills and noxious odors due to lack of oxygen. Also, large algal mats can contribute to areas of stagnancy, clog outfalls, and contribute to localized flooding. Excessive algae growth contributes to increased sedimentation and will accelerate the time table for dredging.

Should I try to eliminate all algae?  How much is too much?
No. Homeowners and HOAs should tolerate some algae during the warmer months (June - September) of the year because it is a natural part of the aquatic ecosystem and the annual cycle of plant growth. On the other hand, ponds that have algae covering more than 20% of the surface area are more likely to develop stagnancy, noxious odors and fish kills, so it is recommended that filamentous algae be controlled to prevent it from covering more than 20% of the pond surface. During droughts when water levels are very low and temperatures are very high, it is not advised to treat ponds for excessive algae because of the increased threat of water quality impairment and a fish kill.

How do I control filamentous algae?
Use Integrated Pest Management.

    1. Prevention: The only way to prevent chronic regrowth of algal mats is to reduce the nutrients washing into the pond (see section below).
      1. Physical controls: Mechanical/manual harvesting and raking can provide immediate short-term control but are not feasible long-term maintenance strategies. Applying aquatic dyes prevents sunlight from penetrating to the plants and slows the rate of growth. Aquatic dyes must be applied early in the season and reapplied regularly throughout the growing season to be effective.
        1. Biological controls: Blue Tilapia (Oreochromis aureus) is a fish that eats filamentous algae and provides good control through the growing season.  Tilapia are tropical fish, which need to be restocked each year due to winter die-back. Triploid Grass Carp do not provide very good control of filamentous algae.  
          1. Chemical control: Several herbicides are labeled for control of algae in ponds. State law requires that these compounds only be applied to stormwater ponds by licensed applicators. Homeowners and HOA board members should not apply herbicides to stormwater ponds. Ponds that are experiencing excessive algal growth are more likely to have a fish kill when treated with an herbicide because of the rapid death and decay of the algae. Licensed applicators should be able to determine if it is feasible to treat a pond for algae without harming the aquatic environment.
            1. Technology: Floating wetlands may be placed in ponds to absorb excess nutrient in the water and reduce algal growth. Floating wetlands use native wetland plants contained in a synthetic matrix that floats to pump nutrients out of the water. Diffusion circulators can assist with managing nutrients in the water and prevent stagnancy, and they do not clog like fountains and irrigation pumps.

            How can homeowners or HOAs prevent and control algae blooms?


            Invasive Aquatic Plants

            Invasive water plants are often species that out-compete the native aquatic plants. Purple loosestrife is a common invasive species in Pennsylvania. This emergent plant has a showy, purple flower and may cause significant damage by choking out waterways. Other concerning species include hydrilla and European water chestnut.

            Using invasive plants in your pond or water garden should be avoided under most circumstances. When choosing a water plant, it is best to select species that are either native to your region or are non-invasive exotic plants. Further information is available in the PA and Mid-Atlantic guide to water species, as well as the free aquatic invasives webinar.


            Algae and Energy


            Last week, Bodega algae was featured in an article in biomass magazine: http://www.biomassmagazine.com/article.jsp?article_id=3618

            The article discusses the ongoing debate about open ponds vs closed photobioractors for growing algae on a large scale. Obviously, as part of a company working on photobioreactor technology, I am in favor of closed systems for industrial applications. I will go over some of the science here and say up front that I do see the advantages of open ponds - mostly their lower capitol costs than photobioreactors, but I think that with a little more research and development we will be able to engineer reactors that will not be prohibitively expensive.

            1)Controlling growing conditions
            The first thing to consider when thinking about cultivating microbes on a large scale is what are you growing. There is a lot of working being done on strain selection buy a number of government labs, academic labs, and private companies. They are all trying to determine which algae will grow best, under what conditions, and which will produce the most lipids. This is because not all algae are the same physiological and biochemically - not to mention their diverse evolutionary origins (see http://algaeenergy.blogspot.com/2010/03/what-are-algae.html ). At "normal" culture conditions algae do not grow that densely. Since the we are algae talking about grow photosynthetically in water, an algal culture is mostly water. A typical, run of the mill culture will yield roughly .1 g biomass/L. Now there is a huge range of growth rates in algae. Some are like weeds and will grow very fast, some are specialist and will grow really slow. The fastest growing ones, under normal condition can produce .5g biomass/L. The predictions to make growing algae as a biofuel feedstock economical is that we would have to grow at least 10 g/L but maybe even more like 50 g/L. Some people have achieved these densities in very specialized systems with small volumes on the order of 200 mL and I have heard claims that individuals or companies have achieved these densities in larger volumes recently but this is no simple task. Therefore, to produce very high density cultures in large volumes as the industry needs to, we need to do something clever. I often describe it as "factory farming" the algae. We need to engineer the algae or we need to engineer the system to be optimal growing conditions. Closed bioreactors allow for careful control of growing conditions where open ponds are subject to the weather. In the event that some group wants to grow genetically modified algae (I'll speak to this matter in another post) they would need to do this in a closed system so that the gentically modified organism was not allowed under any circumstances to be released to the environment.

            2. Contamination
            One of the biggest problems for the long term in any cultivation of algae is contamination - but this is especially problematic when growing on a large scale. In the lab, scientist take careful measures to make sure they are always working with sterile equipment, transfer algal culture in laminar flow hoods that limit the number of air born particles that come in contact with the culture, and they transfer the culture often to make sure an individual strain stays healthy. In large scale cultivation, it is difficult to control all these factors. In a open pond, it can be almost impossible. A friend mine who works on open pond systems said their group is focused on isolating natural strains that are already known to do well under local condition against competitors. This is true, and a cleaver strategy. However, we still do not understand all the aspects of the delicate balance found in microbial communities. Thus, I think it will always be difficult to control and maintain algal growth in open ponds where the culturing system is in contact with the open air. Close bioreactors are subject to contamination issues as well, but careful design and management can greatly reduce to chance of contamination.

            3. Footprint
            On of the benefits of using algae is their cultivation doesn't necessary require a large land footprint or arable land. Many of the open pond designs are large, shallow ponds that have a large surface area. Close bioreactors have flexibility in their design to allow for various shapes, stacking, integration with other building structures, and in general can have a much smaller footprint for the same amount of volume cultivated. In both cases, the biggest obstacle in scaling up is light limitation. In dense algal cultures, the optical path, or the distance light can travel through a material, is 3 in. That is why some many of the photobioreactor designs are thin plates, tubes, or bags. This is also why open ponds must be shallow. So photobioreactors techologies, such as Bodega Algae's reactor, work to get around this limitation by delivering light into larger volumes. If this can be done efficiently and with inexpensive materials, its possible to start cultivating much larger volumes without light limitation. For high cultivation densities, the algae need to have just the right amount of light. Too much light causes photoinhibition, where the cellular activities are shut down, and too little light means that the system is not as productive as possible. Light can be much easier to control in a closed system which optimizes the amount of biomass per unit area.

            As things stand now, photobioreactors are still much more expensive than open ponds systems. What I like about our work at Bodega Algae is we are working toward bringing the costs down by engineering smart reactors with limited moving parts and inexpensive materials. As the article in Biomass Magazine says, there may be room for both open ponds and closed systems in the ultimate algae cultivation solution.