Engineering strategies were applied to improve the CO(2) fixation rate and carbohydrate/lipid production of a Scenedesmus obliquus CNW-N isolate. The light intensity that promotes cell growth, carbohydrate/lipid productivity, and CO(2) fixation efficiency was identified. Nitrogen starvation was also employed to trigger the accumulation of lipid and carbohydrate. The highest productivity of biomass, lipid, and carbohydrate was 840.57 mg L(-1)d(-1), 140.35 mg L(-1)d(-1). The highest lipid and carbohydrate content was 22.4% (5-day N-starvation) and 46.65% (1-day N-starvation), respectively. The optimal CO(2) consumption rate was 1420.6 mg L(-1)d(-1). This performance is better than that reported in most other studies. Under nitrogen starvation, the microalgal lipid was mainly composed of C16/C18 fatty acid (around 90%), which is suitable for biodiesel synthesis. The carbohydrate present in the biomass was mainly glucose, accounting for 77-80% of total carbohydrates. This carbohydrate composition is also suitable for fermentative biofuels production (e.g., bioethanol and biobutanol).

Microalgae are considered as the most promising renewable feedstock for biofuel production and biorefineries, due to their advantages of fast growth, efficient carbon dioxide fixation, not competing for arable lands and potable water, and potentially accumulating high amounts of lipids and carbohydrates. Since carbohydrates in microalgae biomass are mainly cellulose in the cell wall and starch in the plastids without lignin and low hemicelluloses contents, they can be readily converted into fermentable sugars. However, to date there are very few studies focusing on the use of microalgae-based carbohydrates for biofuel production, which requires more understanding and knowledge to support the technical feasibility of this next-generation feedstock. This review article elucidates comprehensive information on the characteristics and metabolism of main fermentable microalgal carbohydrates (e.g., starch and cellulose), as well as the key factors and challenges that should be addressed during production and saccharification of microalgal carbohydrates. Furthermore, developments on the utilization of microalgae-based feedstock in producing liquid and gaseous biofuels are summarized. The objective of this article is to provide useful knowledge and information with regard to biochemistry, bioprocess engineering, and commercial applications to assist in the viable technology development of for biofuels generation from microalgae-based carbohydrates.

This study aimed to evaluate the potential of using a carbohydrate-rich microalga Chlorella vulgaris FSP-E as feedstock for bioethanol production via various hydrolysis strategies and fermentation processes. Enzymatic hydrolysis of C. vulgaris FSP-E biomass (containing 51% carbohydrate per dry weight) gave a glucose yield of 90.4% (or 0.461 g (g biomass)−1). The SHF and SSF processes converted the enzymatic microalgae hydrolysate into ethanol with a 79.9% and 92.3% theoretical yield, respectively. Dilute acidic hydrolysis with 1% sulfuric acid was also very effective in saccharifying C. vulgaris FSP-E biomass, achieving a glucose yield of nearly 93.6% from the microalgal carbohydrates at a starting biomass concentration of 50 g L−1. Using the acidic hydrolysate of C. vulgaris FSP-E biomass as feedstock, the SHF process produced ethanol at a concentration of 11.7 g L−1 and an 87.6% theoretical yield. These findings indicate the feasibility of using carbohydrate-producing microalgae as feedstock for fermentative bioethanol production.

The development of biofuels has been considered as an important countermeasure to abate anthropogenic CO2 emissions, suppress deteriorated atmospheric greenhouse effect, and mitigate global warming. To produce biofuels from biomass, thermochemical conversion processes are considered as the most efficient routes wherein torrefaction has the lowest global warming potential. Combustion is the easiest way to consume biomass, which can be burned alone or co-fired with coal to generate heat and power. However, solid biomass fuels are not commonly applied in the industry due to their characteristics of hygroscopic nature and high moisture content, low bulk density and calorific value, poor grindability, low compositional homogeneity, and lower resistance against biological degradation. In recently developing biomass conversion technologies, torrefaction has attracted much attention since it can effectively upgrade solid biomass and produce coal-like fuel. Torrefaction is categorized into dry and wet torrefaction; the former can further be split into non-oxidative and oxidative torrefaction. Despite numerous methods developed, non-oxidative torrefaction, normally termed torrefaction, has a higher potential for practical applications and commercialization when compared to other methods. To provide a comprehensive review of the progress in biomass torrefaction technologies, this study aims to perform an in-depth literature survey of torrefaction principles, processes, systems, and to identify a current trend in practical torrefaction development and environmental performance. Moreover, the encountered challenges and perspectives from torrefaction development are underlined. This state-of-the-art review is conducive to the production and applications of biochar for resource utilization and environmental sustainability. To date, several kinds of reactors have been developed, while there is still no obviously preferred one as they simultaneously have pros and cons. Integrating torrefaction with other processes such as co-firing, gasification, pyrolysis, and ironmaking, etc., makes it more efficient and economically feasible in contrast to using a single process. By virtue of capturing carbon dioxide during the growth stage of biomass, negative carbon emissions can even be achieved from torrefied biomass.

Biochars are low-cost and environmental-friendly materials, which are promising in wastewater treatment. In this study, biochars were manufactured from C-phycocyanin extracted (C-CP) Spirulina residue (SDBC) via thermal pyrolysis. Simultaneously, N-doping was also achieved from the protein in the algae for obtaining a high-performance carbocatalyst for peroxydisulfate (PDS) activation. The SDBC yielded large specific surface areas, nitrogen loading, and good conductivity, which demonstrated excellent oxidation efficiencies toward a wide array of aqueous microcontaminants. An in-depth mechanistic study was performed by integrating selective radical scavenging, solvent exchange (H2O to D2O), diverse organic probes, and electrochemical measurement, unveiling that SDBC/PDS did not rely on free radicals or singlet oxygen but a nonradical pathway. PDS intimately was bonded with a biochar (SDBC 900-acid, pyrolysis at 900 °C) to form a surface reactive complex that subsequently attacked an organic sulfamethoxazole (SMX) adsorbed on the biochar via an electron-transfer regime. During this process, the SDBC 900-acid played versatile roles in PDS activation, organic accumulation and mediating the electron shuttle from SMX to PDS. This nonradical system can maintain a superior oxidation efficiency in complicated water matrix and long-term stable operation. More importantly, the nonradical species in SDBC 900-acid/PDS system were capable of inactivating the bacteria (Escherichia coli) in wastewater. Therefore, the biochar based nonradical system can provide a mild and high-efficiency strategy for disinfection in waste and drinking water by green carbocatalysis. This study provides not only a value-added biochar catalyst for wastewater purification but also the first insight into the bacteria inactivation via nonradical oxidation.

This study aimed to achieve higher CO(2) consumption ability and lipid productivity of an indigenous microalgal isolate Scenedesmus obliquus CNW-N by a two-stage cultivation strategy. The microalga strain was first cultivated with 10% CO(2) using a nutrient-rich medium to promote cell growth, which was followed by a nutrient-deficient condition to trigger lipid accumulation. The optimal biomass productivity, lipid productivity, and CO(2) consumption rate were 292.50mgL(-1)d(-1), 78.73mgL(-1)d(-1) (38.9% lipid content per dry weight of biomass), and 549.90mgL(-1)d(-1), respectively. This performance is superior to the results from most of the related studies. Under the nutrient-deficient condition, the microalgal lipid was mainly composed of C16/C18 fatty acids (accounting for 89% of total fatty acids), which is suitable for biodiesel synthesis.