Pemanfaatan keanekaragaman dan biologi sintetis untuk produksi biofuel algaKehidupan modern terkait erat dengan ketersediaan bahan bakar fosil , yang terus memenuhi kebutuhan tumbuh energi dunia meskipun penggunaannya mendorong perubahan iklim , knalpot cadangan terbatas dan memberikan kontribusi untuk perselisihan politik global. Biofuel yang terbuat dari sumber daya terbarukan bisa menjadi alternatif yang lebih berkelanjutan , terutama jika bersumber dari organisme , seperti ganggang , yang dapat dibudidayakan tanpa menggunakan lahan yang berharga . Saring dan pengembangan rekayasa proses yang diperlukan untuk membuat biofuel alga praktis dan ekonomis.Meskipun persediaan terbatas dan meningkatnya permintaan, bahan bakar fosil tetap di antara komoditas termurah di dunia. Harga pasti akan naik setelah permintaan mulai melebihi pasokan, tapi pendek hingga penggantian jangka menengah dari bahan bakar fosil oleh alternatif jinak terbarukan dan lebih ramah lingkungan akan terjadi hanya jika pengganti dapat bersaing secara ekonomi. Salah satu alternatif tersebut didasarkan pada minyak yang diekstrak dari ganggang, dan fasilitas skala pilot komersial untuk menguji ini dalam operasi. Namun, perbaikan yang signifikan masih diperlukan untuk membuat biofuel alga ekonomis. Dalam Review, kami menguraikan keuntungan dari alga sebagai produsen biofuel, membahas metode budidaya yang berbeda, mempertimbangkan opsi untuk mencapai alga biomassa dan lipid produksi yang optimal, dan rekayasa proses yang diperlukan untuk membuat proses efisien dan kompetitif secara ekonomi.Bahan Bakar dari ganggang Memproduksi biofuel alga memanfaatkan kemampuan ganggang untuk menghasilkan minyak hanya menggunakan sinar matahari, karbon dioksida dan air. Mikroalga menumpuk minyak sebagai lipid penyimpanan nonpolar, seperti triacylglycerides (TAG) 1. The fotosintetik dan seluler membran ganggang juga mengandung lipid polar, seperti glikolipid, fosfolipid dan sterol. Minyak dari ganggang dapat menghasilkan biodiesel melalui transesterification2, dan bensin (bensin) atau bahan bakar jet melalui distilasi dan cracking3. Biofuel dapat dihasilkan dari berbagai sumber, tapi perkiraan hasil secara signifikan lebih tinggi untuk ganggang daripada untuk tanaman lain. Hal ini memiliki implikasi yang cukup untuk kebutuhan lahan area: ganggang dibudidayakan pada hanya 30 juta hektar dan menghasilkan biofuel pada perkiraan konservatif dari 40.000 liter per hektar per tahun cukup untuk mengganti 1.200 miliar liter minyak bumi yang digunakan oleh konsumen terbesar di dunia minyak bumi, Amerika Serikat (Gbr. 1). Wilayah ini mirip dengan yang digunakan untuk penanaman kedelai di Amerika Serikat (sekitar 29 juta hektar) dan kira-kira dua kali digunakan untuk produksi AS etanol jagung (sekitar 14 juta hektar digunakan untuk menghasilkan hampir 64 miliar liter etanol pada tahun 2011) , atau area seukuran New Mexico4-6. Selain itu, budidaya alga dapat menggunakan sejumlah besar lahan non-pertanian yang tersedia untuk pembangunan tanpa menggusur produksi pangan, dan permintaan yang relatif tinggi air dapat dipenuhi dengan menggunakan sumber berkualitas rendah seperti limbah atau water7 garam.Algae hampir ideal sebagai organisme untuk mengembangkan strain tanaman yang sangat produktif dan kuat yang penting untuk produksi biofuel ekonomis. Pencarian untuk strain dapat memanfaatkan keragaman besar ganggang, mulai dari kelps multiseluler raksasa mikroalga bersel tunggal. Mikroalga telah menjadi fokus dari upaya produksi biofuel intens karena kemudahan, skala dan kecepatan di mana mereka dapat tumbuh dan dimanipulasi, namun strain berbeda secara signifikan dalam profil lipid, kemampuan fotosintesis, tingkat pertumbuhan, kebutuhan medium pertumbuhan (dari halofilik ekstrim untuk laut dan air tawar), ketahanan terhadap patogen dan produktivitas biomassa. Meskipun sebagian besar ganggang phototrophs, banyak dapat tumbuh heterotrophically.Produksi pertanian dan industri Teknologi yang mendasari dan strategi optimasi untuk memproduksi biofuel melalui komersialisasi pertanian dan industri sangat berbeda. Dalam produksi pertanian, mikroalga dibudidayakan di kolam terbuka, dengan pertumbuhan fotosintesis sinar matahari mengemudi. Metode ini menggunakan lahan non-pertanian, mengkonsumsi sejumlah besar CO2 selama tahap produksi biomassa dan, pada prinsipnya, adalah luar biasa scalable - hanya dibatasi oleh ruang dan biaya modal. Tapi alga yang tumbuh secara efisien dan berkelanjutan dalam sepenuhnya terkena kolam renang sulit, dan sistem budidaya yang sesuai dan praktek masih dalam pengembangan.Produksi industri menggunakan proses mirip dengan fermentasi mikroba industri di mana ragi atau bakteri yang digunakan sebagai agen biorefining untuk menghasilkan makanan, minuman atau bernilai tinggi produk bioteknologi. Untuk ganggang, produksi didorong oleh sinar matahari (dalam fotobioreaktor a) atau dikurangi sumber karbon seperti gula (dalam reaktor fermentasi). Fermentasi terjadi dalam gelap gulita dan identik dengan bakteri atau jamur, yang, seperti teknologi industri dewasa, memiliki banyak sistem dan proses yang diperlukan untuk fermentasi alga sudah di tempat. Namun, fermentasi telah, sejauh ini, telah digunakan hanya untuk menghasilkan relatif produk bernilai tinggi; apakah itu dapat dikembangkan untuk skala besar dan produksi bahan bakar ekonomis tidak pasti. Selain itu, fermentasi alga gula diolah untuk menghasilkan bahan bakar heterotrophically tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca lebih rendah dari pengolahan fuels8 fosil, dan tidak mungkin menyamai biaya mereka karena harga gula sangat tinggi (lebih dari US $ 0,66 per kilogram di 2011) 9. Tergantung pada pengembangan teknologi pengolahan selulosa canggih, menggunakan selulosa biomassa sebagai sumber gula mungkin solution10 a. Namun, ini Ulasan berfokus pada photobioreactors, yang, seperti proses pertanian, bergantung pada CO2 dan sinar matahari untuk produksi fotosintesis.optimasi sistem Kedua produksi pertanian dan industri bisa menjadi penting dalam memenuhi permintaan yang tinggi untuk bahan bakar cair di seluruh dunia. Tapi potensi mereka akan terwujud, dan kelayakan ekonomi tercapai, hanya jika biaya modal dan energi dari proses produksi dapat sangat dikurangi dan hasil bahan bakar ditingkatkan. Gambar 1. Gambar 1 | Perbandingan tanaman oleaginous. Amerika Serikat mengkonsumsi 25% dari minyak dunia. Luas lahan yang dibutuhkan untuk mengganti semua minyak domestik dan impor yang digunakan di Amerika Serikat ditunjukkan sebagai persentase relatif terhadap lahan Amerika Serikat. Daerah yang dibutuhkan untuk ganggang diperkirakan secara signifikan kurang daripada untuk source4,6 biomassa lainnya. Keberhasilan sistem produksi biofuel akan tergantung pada biaya ekonomi dan lingkungan. Analisis siklus hidup (LCA) adalah alat yang berharga untuk menilai keberhasilan ini, mencoba untuk menganalisis biaya lengkap dari suatu proses produksi dengan mempertimbangkan masukan energi dan dampak lingkungan dari setiap langkah. Ketika dikombinasikan dengan analisis ekonomi lainnya, LCA dapat membantu untuk mengidentifikasi daerah-biaya tinggi, dan menentukan apakah strategi produksi biofuel menggunakan proses khusus dan regangan alga yang layak. Juga biasanya dipertimbangkan dalam LCA, proses dasar yang terlibat dalam produksi biofuel alga, termasuk perlindungan dan pemeliharaan tanaman dan konversi produk menjadi bahan bakar (Gambar. 2), digunakan untuk menentukan di mana perbaikan akan memiliki mempengaruhi sangat kuat terhadap hasil , biaya atau energi lingkungan use11-13.Tidak semua LCA mengambil proses yang sama ke rekening, yang berarti hasilnya bisa sangat bervariasi. Misalnya, apakah perubahan penggunaan lahan adalah considered14 bisa menjadi penting dalam menentukan apakah sumber biofuel mengurangi atau meningkatkan emisi gas rumah kaca. Tergantung pada proses dipertimbangkan, perkiraan hasil tahunan untuk pertanian produksi alga biofuel dapat bervariasi antara 8.000 l-ha 1 dan 140.000 l ha-1 (ref 15, 16). Secara keseluruhan hasil ini tentu saja penting dalam menentukan kelangsungan hidup sebuah sistem, tetapi bahkan jika angka mutlak dari output LCA bervariasi, mereka masih memiliki peran dalam mengidentifikasi proses yang membutuhkan optimasi. Tidak seperti sistem pertanian yang paling, produksi industri menggunakan photobioreactors. Photobioreactors ini bervariasi, tetapi biasanya memiliki tubular atau panel besar, tipis dan datar design17 (Gbr. 3). Banyak faktor yang dapat disesuaikan untuk meningkatkan produktivitas dan mengurangi biaya, termasuk budaya media dan sumber nutrisi, laju aliran (jumlah pencampuran) dan paparan sinar matahari. Sistem budidaya alga amobil dapat digunakan untuk pertumbuhan pada surface17,18 solid untuk mencegah shading dan meningkatkan fotosintesis, yang sangat berguna untuk ganggang yang mengeluarkan prekursor bahan bakar (Kotak 1), namun evaluasi awal dianggap teknologi ini juga expensive19.Dalam LCA komparatif sistem pertumbuhan yang berbeda,-light emitting diode (LED) -illuminated photobioreactors diproduksi secara signifikan lebih biomassa (244.668 kg ha-1) dibandingkan photobioreactors surya-menyala (8.262 kg ha-1) dan kolam terbuka (4957 kg ha -1). Tapi untuk biaya produksi per kilogram biomassa, urutan ini terbalik: perkiraan biaya produksi di kolam terbuka adalah sekitar $ 3 untuk kilogram, lima kali lebih rendah dari yang dicapai dengan photobioreactors surya-remang dan delapan kali lebih rendah daripada dengan LED-lit photobioreactors20. Jadi meskipun hasil total biomassa yang lebih rendah, biaya input berkurang dapat mengakibatkan sistem produksi yang lebih efisien. Terlepas dari organisme yang digunakan, hasil per biaya input faktor penting untuk kontrol ekonomi secara keseluruhan. Meningkatkan pertumbuhan alga sekaligus menjaga biaya input konstan dapat menetralisir banyak kerugian efisiensi yang terkait dengan pemulihan bahan bakar. Yield ditentukan oleh tingkat pertumbuhan, densitas sel dan lipid isi ganggang, sehingga optimasi dari setiap parameter mempengaruhi efisiensi ini pengolahan hilir. Tingkat pertumbuhan yang lebih tinggi mengurangi waktu antara panen, berpotensi mengurangi eksposur ganggang patogen dan kerugian tanaman yang terkait, dan penurunan konsumsi air selama siklus panen. Kepadatan sel akhir budaya - yang menentukan jumlah biomassa pada saat panen - juga penting karena panen adalah salah satu proses yang lebih mahal. Perbaikan teknik akan membantu untuk mengoptimalkan efisiensi dalam pengolahan biofuel, tetapi jumlah biomassa pada saat panen dan kualitas (kadar lemak) yang akan mempengaruhi productivity21. Hasil biomassa keseluruhan dan lipid terkait yang dapat dikonversi menjadi bahan bakar dikendalikan oleh satu set kompleks, dan kurang dipahami, lingkungan dan faktor genetik. Mencapai hasil terbaik melibatkan memilih strain menjanjikan (genotipe) dan menyesuaikan faktor lingkungan, terutama komposisi pertumbuhan-media. Meskipun hubungan antara metabolisme dan penyimpanan lipid kompleks, metabolisme primer dan sekunder pemahaman akan memungkinkan strain yang akan direkayasa untuk menekan atau menghapus proses yang menciptakan molekul produk energi menyimpan yang tidak cocok untuk produksi biofuel. Mutagenesis konvensional dan rekayasa genetika telah digunakan untuk mengidentifikasi strain produksi yang menjanjikan, dan teknologi DNA rekombinan digunakan untuk meningkatkan pertumbuhan alga dalam kedua sistem pertanian dan industri. Mengembangkan varietas produksi dioptimalkan tidak diragukan lagi akan memberikan perbaikan hasil yang mendalam. Produksi jagung saat ini, misalnya, memiliki hampir delapan kali hasil itu delapan dekade lalu, sebelum varietas komersial yang developed6. Temukan regangan Mengidentifikasi alga regangan ideal untuk produksi biofuel menjadi lebih mudah dengan keanekaragaman besar dari kelompok, yang telah menyimpang lebih dari miliaran years22. Alga memiliki kolam genetik potensial yang lipat lebih besar dari hewan atau tanaman darat, namun keragaman ini hanya baru-baru diperiksa. Potensi ini tercermin dalam keragaman spesies alga sedang dieksplorasi untuk produksi bahan bakar, yang meliputi ganggang hijau, diatom dan cyanobacteria. Dalam sistem pertanian, strain alga harus mampu mentolerir variasi suhu, cahaya, salinitas dan beban patogen. Strain dioptimalkan untuk budidaya di berbagai wilayah geografis dan di setiap musim akan diperlukan untuk memastikan penggunaan luas mereka. Namun, strain asli tidak mungkin memiliki semua karakteristik yang diperlukan baik untuk produksi pertanian atau industri. Tidak ada tanaman atau hewan yang digunakan dalam skala besar produksi pertanian atau industri adalah tipe liar regangan - mereka semua telah dijinakkan oleh modifikasi ekstensif melalui pemuliaan dan seleksi. Proses domestikasi yang sama akan menjadi penting dalam memperoleh strain alga yang menghasilkan hasil dan kualitas biomassa yang memadai. Bioreaktor Industri dapat dikontrol, membuat mereka lingkungan yang lebih stabil dibandingkan kolam terbuka. Menemukan strain alga yang tumbuh cepat kepadatan sel tinggi dan menghasilkan tingkat tinggi lipid menggunakan energi sesedikit mungkin akan penting untuk memastikan operasi yang hemat biaya. Kontaminasi adalah faktor yang signifikan dalam sistem budidaya dan, karena sterilisasi yang ketat hampir pasti akan terlalu mahal, strain akan perlu memiliki pertahanan yang memadai terhadap atau toleransi patogen untuk mencapai hasil yang tinggi. Suhu-kontrol dan gas pertukaran sistem yang dibutuhkan dalam sistem industri untuk mencegah kematian alga dari pemanasan matahari yang berlebihan atau keracunan oksigen components23 mahal. Sebagian besar strain yang digunakan dalam produksi biofuel tumbuh terbaik pada 20-30 C (ref. 23). Menggunakan varian termofilik dari cyanobacteria, yang tumbuh dengan baik antara 35 C dan 50 C, bisa menjadi salah satu solusi untuk ini control24 suhu mahal. Surya pemanas kurang perhatian dengan kolam renang, tapi pertumbuhan yang lebih rendah selama musim dingin - juga berlaku untuk photobioreactors luar ruangan - secara signifikan dapat mengurangi hasil. Menemukan kolam dan photobioreactors luar ruangan di iklim hangat akan mengkompensasi kerugian ini; Namun, idealnya strain yang menghasilkan hasil yang tinggi dalam berbagai iklim akan diidentifikasi, atau strain yang dikenal akan dimodifikasi. Banyak ganggang sudah toleran terhadap suhu dingin dan dapat pulih dari dekat titik beku, tapi mereka tumbuh slowly25. Beberapa jenis alga yang digunakan untuk budidaya diketahui tumbuh lebih baik pada suhu tertentu. Misalnya, Nannochloropsis tumbuh terbaik pada suhu 25 C; Nannochloris tumbuh lebih baik pada suhu 30 C; dan Chlorella vulgaris memiliki produksi terbaik pada 10 C (ref. 26). Oleh karena itu Rotasi strain alga berdasarkan musim tanam adalah model produksi kemungkinan, hanya seperti di bidang pertanian terestrial. Gambar 2 Gambar 2 | produksi biofuel ganggang. Cahaya, air dan nutrisi (kuning, biru dan merah panah) yang diperlukan untuk pertumbuhan alga di kolam. Beberapa proses yang terlibat dalam produksi biofuel alga yang umum untuk sebagian besar sistem (panah hijau). Setelah ekstraksi molekul bahan bakar ada penggunaan alternatif untuk biomassa alga (putus-putus panah); banyak dari ini dapat menghasilkan co-produk yang bermanfaat untuk pertimbangan analisis ekonomi dan siklus hidup. (Potret milik Sapphire Energy, San Diego, California).Satu set beragam tipe liar strain telah diisolasi dari situs geografis dan lingkungan yang berbeda, dan dievaluasi untuk tingkat pertumbuhan dan accumulation27-29 penyimpanan lemak. Dari 30 strain mikroalga liar, Nannochloropsis sp. F & M-M26 adalah yang paling produktif, mencapai produksi lipid dari 61 mg l-1 per hari melalui produktivitas biomassa dari 0,21 g l-1 per hari dan kadar lemak 29,6% dari biomass30 tersebut. Produktivitas biomassa tertinggi tercatat 0.37 g l-1 per hari di Porphyridium cruentum (alga merah), dan kadar lemak tertinggi adalah 39,8% di calcitrans Chaetoceros (diatom a); jika maximas ini adalah dicapai dalam strain tunggal ini berpotensi menjadi kenaikan 2,5 kali lipat. Memindahkan Nannochloropsis paling produktif mengisolasi ke photobioreactors besar peningkatan produktivitas lipid menjadi 84 mg l-1 per hari. Meskipun potensi alami ini, efisiensi produksi harus lebih tinggi untuk kelangsungan hidup komersial. Alunan Chlorophyta, Eustigmatophyceae, Haptophyceae dan cyanobacteria digunakan untuk memproduksi biofuel dan chemicals30 organik industri lainnya, dan jenis lain dari ganggang telah diuji. Meskipun isolat alami mungkin ada yang melebihi hasil saat ini, meningkatkan strain melalui pemuliaan atau teknologi DNA rekombinan lebih mungkin untuk berhasil dalam mencapai efisiensi yang dibutuhkan untuk produksi ekonomi. Breeding untuk meningkatkan fenotipe Komponen utama yang hilang dari perbaikan strain alga adalah program pemuliaan. Program-program tersebut telah penting untuk manipulasi tanaman tanaman selama century31 masa lalu, dan terus digunakan untuk peningkatan hasil dan untuk melindungi tanaman. Sistem peternakan baik dijelaskan untuk model green alga Chlamydomonas, tetapi tidak untuk orang lain. Alasannya mungkin, sebagian, kurangnya kawin isolat yang kompatibel - seperti interfertile isolat telah diidentifikasi hanya untuk Chlamydomonas reinhardtii laboratorium strains32 - atau dorongan yang kuat di sebagian besar penelitian biofuel terhadap teknologi molekuler dan transgenik daripada peternakan. Strain alga dapat ditingkatkan dengan mencari heterogenitas fenotip dalam interfertile tipe liar isolat dan kemungkinan pelanggaran (fenotipe progeni ekstrim melampaui orang-orang baik tua). Siklus seksual pendek dan pertumbuhan yang cepat memungkinkan seleksi cepat mereka dari kolam renang genotipe sangat besar, menciptakan potensi untuk berkembang biak di mikroalga melebihi dalam beberapa tahun keuntungan yang diperoleh dari satu abad program pemuliaan pada tanaman tanaman konvensional. rekayasa genetika Teknik metabolisme alga memiliki peran penting dalam peningkatan pertumbuhan dan akumulasi biomassa. Dengan penggunaan teknologi sequencing generasi berikutnya, pemahaman kita tentang genom alga telah meningkat pesat, terutama gen yang terlibat dalam metabolisme responses33-35. Analisis kekurangan nitrogen di ganggang, yang meningkatkan akumulasi TAG, telah mengidentifikasi banyak gen responsif, termasuk 86 dijelaskan sebagai factors35 transkripsi. Mutagenesis insersional dari salah satu faktor tersebut dapat mempengaruhi TAG accumulation36, menunjukkan potensi untuk rekayasa metabolik untuk akumulasi lipid. Apakah mutan alga tumbuh lebih cepat dari jenis liar mereka progenitor tidak diketahui, tetapi meningkatkan tingkat pertumbuhan biofuel memproduksi mikroalga pasti memiliki potensi. Para peneliti belum mampu mencapai rekombinasi homolog efisien dalam genom nuklir yang umum berubah laboratorium alga regangan C. reinhardtii, yang telah membatasi beberapa penelitian, tapi ini tidak terjadi untuk alga laut dan calon biofuel Nannochloropsis37. Meskipun tidak ada gen yang dikenal di Nannochloropsis menargetkan untuk meningkatkan pertumbuhan, contoh dari koleksi penghapusan ragi menunjukkan apa yang dapat dilakukan: penghapusan gen tunggal menghasilkan peningkatan 7% di rate38 pertumbuhan; jika pertumbuhan ini terjadi di ganggang, seperti peningkatan akan melipatgandakan sel dan biomassa yang diperoleh dari waktu ke waktu dibutuhkan galur wild type untuk membagi 15 kali (sekitar siklus panen normal untuk ganggang). Penjelasan lebih lanjut dari genom alga akan membantu dalam mengidentifikasi gen yang potensial untuk menargetkan untuk memanipulasi tingkat pertumbuhan. Densitas sel tergantung pada media yang digunakan dan spesies alga yang terlibat, dan biasanya tertinggi untuk pertumbuhan heterotrofik dalam bioreaktor. The chlorophyte C. vulgaris memiliki kepadatan sel sangat tinggi selama pertumbuhan heterotrofik, mencapai 120 g l-1 (ref. 39). Pada kerapatan yang tinggi, sekresi molekul yang memediasi komunikasi seluler menjadi penting. Kedua C. vulgaris dan C. reinhardtii telah terbukti menghasilkan molekul yang meniru sistem quorum-sensing untuk menghambat growth40,41 bakteri. Banyak proses lain yang digunakan untuk sinyal ke sel-sel mikroalga lain dari spesies yang sama juga telah diidentifikasi, termasuk autoinduction dari division42 sel, death43 sel prematur, allelopathy (produksi dan pelepasan metabolit yang berpengaruh negatif terhadap kelangsungan hidup species44 lain), dan pemangsaan pencegahan dan sistem peringatan untuk stress45,46 lingkungan. Memahami komunikasi seluler di ganggang mungkin mengidentifikasi kimia gen diatur dan memungkinkan manipulasi jalur sehingga pertumbuhan alga dapat melebihi batas sel-rapat arus. Misalnya, dalam Escherichia coli, mutasi pada gen SDIA, yang terlibat dalam deteksi homoserine N-asil untuk quorumsensing regulasi, hasil dalam peningkatan 16% pada kepadatan sel akhir dibandingkan dengan tipe liar E. coli47. Dan di jamur, tyrosol molekul dapat meningkatkan pertumbuhan dengan selektif memperpendek fase lag dalam budaya low-density tanpa mengubah growth48 eksponensial.

Gambar 3 | metode budidaya alga. a, kolam ganggang dari 0,5 ha dan 1 ha merupakan bagian dari fasilitas alga biofuel skala komersial pertama di Amerika Serikat di Sapphire Energy Algal Terpadu BioRefinery. Mereka mencakup area yang luas 400 meter dengan 1.600 meter di lokasi dekat Columbus, New Mexico. b, Sebuah kolam tunggal 1 juta liter dayung-roda didorong dari fasilitas Columbus. c, A fotobioreaktor panel datar skala pilot yang dikembangkan di Laboratorium Penelitian Alga dan Bioteknologi di Arizona State University di Mesa (image courtesy of Q. Hu). d, A fotobioreaktor tubular skala komersial yang dirancang dan dibangun oleh IGV dan dioperasikan oleh Salata di Jerman (image courtesy of C. GREWE). e, Sebuah tangki fermentasi skala industri untuk budidaya heterotrofik dari mikroalga di Martek Biosciences, bagian dari DSM di Heerlen, Belanda (image courtesy of D. Dong). efisiensi fotosintesis Budidaya ganggang di photobioreactors industri atau kolam pertanian bertujuan untuk memanen sebanyak energi surya mungkin (Gbr. 3). Upaya untuk meningkatkan efisiensi fotosintesis belum spesifik untuk ganggang; sebagai strategi, telah diusulkan untuk meningkatkan hasil tanaman darat untuk mengimbangi meningkatnya permintaan makanan di mana lahan tanaman yang dapat digunakan adalah limited49. Genom kloroplas paling mampu tingginya tingkat rekombinasi homolog, dan menargetkan gen-gen tertentu dalam organel ini tidak sulit di sebagian besar spesies. Idealnya, karakteristik fotosintesis ganggang akan dioptimalkan untuk fotoperioda berbeda dan intensitas cahaya. Optimasi ini dapat dicapai dengan skrining sejumlah besar mutan atau dengan menggunakan mesin fotosintesis kloroplas dari spesies yang sudah disesuaikan dengan kondisi ini. Misalnya, dua strain alga Ostreococcus hijau dengan morfologi hampir identik baik tumbuh di dekat permukaan (strain cahaya tinggi) atau pada kedalaman yang besar (strain cahaya rendah), ukuran antena fotosistem spesies cahaya rendah lebih besar dan, lebih mencolok, aliran elektron diubah bawah conditions50 cahaya rendah. Mengoptimalkan ukuran antena juga sedang dipertimbangkan dalam sistem produksi sebagai potensi berarti untuk membatasi efek shading dan meningkatkan keseluruhan efficiency51,52 fotosintesis. Memanipulasi enzim karbon memperbaiki primer Rubisco juga bisa meningkatkan efisiensi. Rubisco adalah enzim yang paling melimpah di semua organisme fotosintesis, tetapi juga salah satu yang paling efisien. Hybrid enzim dari tumbuhan dan alga spesies telah terbukti berfungsi dengan cara yang berbeda dari enzymes53 asli. Dalam cyanobacteria, overekspresi Rubisco meningkatkan tingkat fotosintesis (yang juga berpotensi berguna untuk biofuel non-biomassa yang berasal dalam Kotak 1) ketika bikarbonat digunakan sebagai source54 karbon. Tapi Rubisco tidak selalu menilai membatasi, pengurangan nya (up to 50%) pada tanaman dan ganggang hijau tidak memiliki efek negatif pada growth55,56. Fotosistem dalam alga telah berevolusi sebagai tanggapan terhadap lingkungan alami mereka, dan kompleks fotosintesis sering direnovasi sebagai respon terhadap cahaya, suhu atau nutrisi limitations57. Menghapus ganggang dari lingkungan asli mereka melindungi mereka dari sesekali, tapi berpotensi mematikan, lingkungan ekstrim. Insinyur kloroplas mereka untuk menjadi optimal untuk lingkungan yang ideal, bukan alami satu, dapat meningkatkan efisiensi fotosintesis. Pendekatan syntheticbiology telah digunakan untuk memperkenalkan kloroplas genom eksogen C. reinhardtii menjadi ragi cells58. Sebuah genom sintetik dalam ragi memungkinkan manipulasi urutan kompleks dan cepat untuk membuat genom kloroplas sintetis; pada kenyataannya, beberapa protein dari fotosistem Scenedesmus obliquus ditemukan berfungsi di C. reinhardtii58. Sistem ini dapat memungkinkan penciptaan plastida minimal yang dapat segera dioptimalkan untuk fungsi fotosintesis. Memperluas penggunaan lipid Studi prospeksi Lipid-produktivitas cenderung untuk memeriksa lipid netral (TAG digunakan untuk asam lemak metil ester). Ini hanya merupakan sebagian kecil dari kadar lemak total sel alga, yang juga termasuk lipid polar, seperti fosfolipid, glikolipid dan sulpholipids. Menggunakan kedua jenis lipid untuk produksi bahan bakar secara signifikan akan meningkatkan total hasil biodiesel yang dapat diperoleh dari biomassa. Perusahaan Akademik dan komersial telah menyadari pentingnya penelitian tersebut tentang topik ini, dan metode transesterifikasi langsung untuk kandungan total lipid mikroalga telah menghasilkan tingkat yang cukup biodiesel bahkan ketika ada tingkat yang tidak terdeteksi dari lipids59,60 netral. Rekayasa genetika akhirnya bisa memungkinkan ganggang untuk mengakumulasi tingkat tinggi TAG bahkan di bawah conditions61 pertumbuhan yang cepat. Tapi mampu menggunakan lipid polar penting, serta yang netral, akan memastikan bahwa sumber lipid digunakan tersedia, terlepas dari kondisi pertumbuhan.Lipid dan kualitas bahan bakar Kualitas Lipid menentukan banyak sifat-sifat bahan bakar yang dihasilkan, termasuk cetane number (ukuran kualitas pembakaran di mesin kompresi), stabilitas oksidatif, viskositas dan flow62 dingin. Sumber yang paling umum dari biodiesel terdiri dari C16 tak jenuh dan asam lemak C18 metil ester. Algae biasanya menghasilkan lipid antara C14 dan C20 panjang. Lipid tidak jenuh biasanya menghasilkan bahan bakar dengan cetane number miskin dan stabilitas oksidatif rendah, sedangkan asam lemak jenuh menghasilkan bahan bakar di sejumlah cetane yang lebih tinggi dan dengan stabilitas yang lebih besar tapi dengan mengorbankan kemampuan mereka untuk digunakan pada suhu dingin. Strategi kimia untuk memperbaiki sifat-sifat biodiesel, seperti mereaksikan ester fattyacid dengan alkohol selain metanol (etil dan ester isopropil telah meningkatkan sifat suhu rendah), hidrogenasi lemak untuk meningkatkan saturasi, catalytic cracking tradisional dan menggunakan aditif untuk meningkatkan sifat biofuel, bisa used62. Upaya untuk meningkatkan kuantitas lipid melalui ekspresi konstitutif transgen dalam alga telah sukses terbatas karena hanya ekspresi kecil transgene63 tersebut. Hal ini berbeda dengan berlebih dalam tembakau dari gen Arabidopsis DJPU (terlibat dalam biosintesis TAG) dan LEC2 (gen regulasi pematangan biji dan minyak-storage), yang meningkatkan asam lemak yield64 diekstraksi. Namun, produksi lipid adalah kompleks dan mungkin berbeda antara beberapa ganggang dan tumbuhan tingkat tinggi, misalnya DJPU telah diekspresikan dalam C. reinhardtii tanpa efek diamati pada accumulation65 lipid. Kelas lain dari hidrokarbon yang ditemukan dalam tanaman dan ganggang, yang isoprenoidnya, adalah senyawa organik kompleks yang merupakan prekursor bahan bakar yang ideal dan bisa meningkatkan fungibility biofuels66. Banyak isoprenoidnya diproduksi di kloroplas, dan pemahaman yang lebih baik peraturan mereka dan cara terbaik untuk memodifikasi jalur biosintesis mungkin mengizinkan lebih prekursor biofuel yang akan produced67. Namun, meningkatkan kadar lemak dan mengubah jenisnya bisa memiliki efek samping yang tidak diinginkan: the mikroalga hijau Botryococcus terakumulasi hampir 40% dari biomassa dalam bentuk botryococcene68 terpenoid hidrokarbon tetapi dengan mengorbankan rate69 pertumbuhan. Penggunaan Gizi dan daur ulang Fotosintesis menghilangkan kebutuhan untuk sumber karbon organik mahal. Namun, media yang dapat mendukung pertumbuhan alga kaya masih memerlukan nutrisi berupa nitrogen, fosfor dan kalium, yang expensive70 dan - dalam kasus fosfor - limited71. Biaya dapat dikelola dengan menempatkan kolam alga atau bioreaktor dekat kaya nutrisi aliran air limbah, atau dengan menggunakan sumber-sumber pakan seperti anaerobic digester effluents72 limbah. Pilihan lain adalah untuk mendaur ulang nutrisi yang tetap dalam limbah alga setelah ekstraksi lipid, daripada memproduksi pelet untuk menjual sebagai coproduct untuk pakan ternak. Bukti untuk pencernaan anaerobik waste73,74 alga menunjukkan bahwa langkah logis berikutnya adalah untuk mengoptimalkan ganggang tumbuh pada aliran limbah tersebut. Strategi ini menciptakan aliran limbah proses dan menyediakan nutrisi, ketika menggunakan energi yang tersimpan dalam biomassa alga limbah dapat membantu untuk menjalankan proses produksi. Kimia dan rintangan rekayasa perlu diatasi sebelum proses ini akan layak, dan ganggang harus direkayasa untuk memproses nutrisi, termasuk kompleks nitrogen dan fosfor, dari limbah alga daur ulang. Pendekatan-pendekatan lain untuk daur ulang nutrisi ini termasuk ekstraksi air superkritis untuk menghilangkan asam lemak hampir semua tetapi meninggalkan amonia bebas dan fosfat dalam fase berair, yang kemudian dapat digunakan untuk melengkapi media75,76 pertumbuhan segar. Pemulihan Gliserol juga mungkin. Ini adalah salah satu main-produk dari proses transesterifikasi yang dapat berfungsi sebagai bahan baku karbon untuk pertumbuhan alga heterotrofik. Ditanam di gliserol mentah, protothecoides Chlorella telah disampaikan biomassa dan lipid hasil yang mirip dengan pertumbuhan di glucose77. Meskipun energi yang tersedia dalam limbah gliserol sebagai sumber karbon untuk produksi energi tidak akan layak, menggunakan aliran limbah ini dalam photobioreactors sebagai suplemen bahan baku pasti bisa meningkatkan hasil biomassa. Perlindungan dari patogen Perlindungan tanaman sangat penting untuk sistem kolam outdoor dan bioreaktor tertutup. Namun, relatif sedikit yang diketahui tentang ancaman terhadap alga pertanian bahkan dari patogen dikenal dan hama penggembalaan, dan lain-lain mungkin muncul dengan pertanian lebih intens. Fasilitas outdoor percontohan jangka panjang akan sangat penting untuk menentukan beban patogen di berbagai lingkungan. Patogen ganggang sangat beragam dan termasuk virus, bakteri, jamur dan eukaryotes78 lainnya. Selain infeksi virus Chlorella ditemukan pada awal 1980-an (ref. 79), sangat sedikit virus alga telah dipelajari. Merumput oleh zooplankton juga tekanan, tetapi parasit adalah ancaman yang lebih besar untuk alga mekar di environments80 alami. Temukan regangan juga dapat sangat mempengaruhi perlindungan tanaman. Ganggang laut, seperti Dunaliella, tumbuh dalam media halofilik yang beberapa organisme dapat bertahan hidup. Spesies Nannochloropsis mentolerir basa pH fluctuations81, yang mungkin tidak dapat ditoleransi oleh banyak patogen. Cyanobacteria Alkaliphilic sudah diproduksi di kolam renang besar untuk produksi nutraceutical dalam budaya yang hampir seluruhnya bebas dari kontaminasi. Adapun banyak tanaman tanaman tradisional, dimungkinkan untuk mengidentifikasi atau berkembang biak alga yang tahan terhadap pestisida dan antibiotik yang digunakan untuk mengendalikan spesies yang tidak diinginkan. Transformasi genetik ganggang telah didirikan di banyak spesies selain dari model organisme Chlamydomonas, dan banyak metode yang digunakan harus dialihkan kepada strain biofuel. Seiring dengan gen resistensi diperlukan, biaya rendah dan tinggi kemanjuran pestisida atau antibiotik akan perlu diidentifikasi untuk pengobatan kolam dan bioreaktor. Lain, strategi yang sangat berbeda untuk memerangi kontaminasi bakteri memanfaatkan sistem quorum-sensing yang menghambat pertumbuhan bakteri, dan saat ini sedang dieksplorasi dalam budidaya massa microalgae82.Peningkatan panen Pemanenan, terutama dewatering biomassa alga, merupakan salah satu biaya utama dalam produksi biofuel alga. Kebanyakan kolam terbuka menggunakan strategi panen semi yang menghilangkan kira-kira setengah dari ganggang, mengurangi kebutuhan untuk re-inokulasi. Ganggang dipanen setelah setiap dua kali lipat, sehingga pertumbuhan satu generasi per hari akan sama dengan panen tunggal per day83. Atau, sistem kontinu untuk menjaga ganggang dengan kepadatan konstan dan batch atau lengkap sistem yang mengingatkan tanaman pertanian, menghapus hampir semua ganggang selama panen tunggal. Pemanenan biasanya melibatkan pemisahan alga oleh sedimentasi atau flokulasi, diikuti dengan penyaringan atau sentrifugasi untuk menghapus air yang tidak diinginkan. Pengeringan ganggang merupakan langkah sangat besar energi-intensif, yang merupakan salah satu kendala pada pembangunan komersial. Surya pengeringan adalah sebuah pilihan, tapi masih bermasalah dengan teknologi saat ini, karena waktu dan ruang yang dibutuhkan. Mengoptimalkan ganggang untuk memudahkan panen dapat mencakup peningkatan ukuran sel, yang membantu dengan strategi perlindungan tanaman dan bantu filtrasi. Strain alga juga dapat direkayasa sedemikian rupa sehingga penambahan polimer atau perubahan variabel lingkungan memicu flocculation84,85. Dapat dibayangkan, protein yang terlibat dalam flokulasi dapat diperkenalkan dan dimanipulasi untuk merespon keadaan pertumbuhan tertentu, seperti yang ditunjukkan dalam strain industri yeast85,86. Ekstraksi lipid dari ganggang basah mungkin menggunakan ekstraksi air superkritis ganggang dengan kadar air sekitar 80% (ref. 76). Ekstraksi basah Efisien bisa menghapus kebutuhan untuk dewatering luas dan pengeringan. Outlook Berkurangnya sumber bahan bakar fosil dan kekhawatiran atas penggunaannya telah membuat kebutuhan untuk strategi produksi biofuel efisien dan berkelanjutan lebih mendesak. Produksi biofuel skala besar ada, tapi ada kegelisahan tentang efeknya pada produksi pangan dan perubahan penggunaan lahan. Biofuel alga dapat mengurangi kekhawatiran ini. Alga dapat tumbuh dengan cepat di lahan non-pertanian untuk menghasilkan jumlah besar lipid yang dapat mudah dikonversi ke bahan bakar sepadan. Meskipun produksi biofuel dari ganggang masih terlalu mahal untuk bersaing dengan bahan bakar fosil, itu adalah calon sumber biofuel berkelanjutan menarik.

BOX 1 Platform untuk produksi Desain untuk budidaya ganggang untuk menghasilkan biofuel di kolam, bioreaktor dan photobioreactors semua memiliki karakteristik yang unik, dan bagaimana mereka memproduksi bahan bakar bervariasi. Dalam model pertanian, strain yang berbeda telah diuji dengan sumber air yang berbeda dan desain kolam tetapi, di semua fasilitas skala besar, lipid pertama kali menumpuk di dalam sel alga, kemudian diekstraksi setelah panen dan diubah menjadi bahan bakar. Model industri biasanya menggunakan pendekatan yang sama, apakah menggunakan pertumbuhan heterotrofik dalam fermentor atau pertumbuhan fotosintesis di photobioreactors. Photobioreactors mahal untuk skala, sehingga sekresi langsung molekul bahan bakar dari sel-sel alga telah menarik minat sebagai cara untuk mengurangi biaya panen. Bahan Bakar dapat lipid yang secara alami disekresikan oleh beberapa algae68,69 atau ganggang direkayasa untuk mengeluarkan lemak dari conversion54,87 fotosintesis langsung. Pertumbuhan Photofermentative bukanlah konsep baru bagi ganggang, dan modifikasi genetik telah ditujukan pada sekresi lipid dan hidrogen production88. Sebagai ganggang mampu mengumpulkan gula dan pati dari fotosintesis, konversi karbohidrat ini menjadi etanol, dan sekresi bahan bakar utama ini juga telah pursued89. Dalam banyak kasus, akumulasi prekursor bahan bakar dan bahan bakar dalam lingkungan oksigen akan meningkatkan proliferasi organisme mencemari, membuat strategi perlindungan tanaman penting untuk mencegah katabolisme produk yang dikeluarkan. Meskipun awal-pengembangan teknologi bahan bakar sekresi dapat mengurangi kebutuhan untuk memanen ganggang, setiap budaya padat digunakan pada akhirnya akan mati, sehingga perlu untuk menghapus biomassa dari media pertumbuhan tidak sepenuhnya dihilangkan (kecuali air dan daur ulang nutrisi diabaikan). Dengan upaya bersama, perbaikan dapat dibuat untuk budidaya pertanian dan industri ganggang untuk produksi biofuel. Budidaya Industri menghasilkan paling ganggang per liter, tetapi sangat mahal. Budidaya pertanian pada dasarnya dapat mencapai efisiensi biaya lebih dekat ke yang diperlukan untuk bersaing dengan bahan bakar berbasis minyak bumi, dan dengan mengurangi dampak lingkungan secara keseluruhan, tetapi kelangsungan hidup dengan skala yang cukup besar hanya saja mulai diuji. Upaya untuk meningkatkan produktivitas tetapi mengurangi input dan biaya melalui rekayasa proses dan penggunaan metode transgenik, dan pemuliaan klasik bertujuan untuk mengembangkan dijinakkan strain tanaman alga, akan menguntungkan kedua strategi. Dengan waktu, dan didorong oleh terus meningkatnya harga bahan bakar fosil, teknologi dan fenotip alga akan dikembangkan untuk memungkinkan biofuel alga untuk bersaing dengan komoditas yang saat ini mendukung kehidupan modern - bahan bakar fosil.