Algae Biomass for Bioenergy in Denmark

89
Algae Biomass for Bioenergy in Denmark Biological/Technical Challenges and Opportunities Susse Wegeberg Department of Biology, SCIENCE Claus Felby Forrest & Landscape, LIFE University of Copenhagen, 2010

Transcript of Algae Biomass for Bioenergy in Denmark

Algae Biomass for Bioenergy in Denmark Biological/Technical Challenges and Opportunities

Susse Wegeberg

Department of Biology, SCIENCE

Claus Felby

Forrest & Landscape, LIFE

University of Copenhagen, 2010

1  

0. Contents 

 1. Dansk resumé ................................................................................................................................................ 4 

2. Introduction ................................................................................................................................................... 7 

3. Photosynthesis ‐ potential for biomass production ...................................................................................... 9 

Can we improve the efficiency of photosynthesis? .................................................................................... 11 

Recommended reading ............................................................................................................................... 12 

4. The Chemistry of Algae ................................................................................................................................ 13 

Algae cell walls ............................................................................................................................................. 13 

Algae carbohydrates .................................................................................................................................... 15 

Mannanes ................................................................................................................................................ 15 

Cellulose .................................................................................................................................................. 16 

Ulvan ........................................................................................................................................................ 16 

Fucans ...................................................................................................................................................... 16 

Xylanes ..................................................................................................................................................... 16 

Alginic acid ............................................................................................................................................... 16 

Sulfated carbohydrates ........................................................................................................................... 16 

Intracellular carbohydrates ..................................................................................................................... 17 

Algae oils ...................................................................................................................................................... 17 

Inorganic elements ...................................................................................................................................... 17 

5. Microalgal production for bioenergy .......................................................................................................... 18 

Potential species .......................................................................................................................................... 19 

Growth rate/lipid content ........................................................................................................................... 20 

Mass cultivation ........................................................................................................................................... 23 

Open ponds (Christi 2007, Lee 2001, Li et al. 2008; and references herein) .......................................... 23 

Photobioreactors ..................................................................................................................................... 24 

Alternative designs ‐ OMEGAs (Trent, WSA (2009)) ................................................................................ 26 

Comparison of the cultivation technologies ........................................................................................... 27 

Harvesting .................................................................................................................................................... 28 

Centrifugation .......................................................................................................................................... 29 

Chemical flocculation .............................................................................................................................. 29 

Settling ponds .......................................................................................................................................... 29 

Recommended reading ............................................................................................................................... 30 

2  

6. Possibilities for improvement of microalgal production systems ............................................................... 31 

Yield optimization of photosynthetic microalgal production systems ........................................................ 31 

Photosynthetic efficiency ........................................................................................................................ 31 

Temperature ............................................................................................................................................ 33 

Harvest timing ......................................................................................................................................... 34 

Mixed cultures of algae and bacteria ...................................................................................................... 34 

Heterotrophic microalgae ........................................................................................................................... 35 

Mixotrophic algae ........................................................................................................................................ 37 

7.  Macroalgal production for bioenergy ......................................................................................................... 38 

Species and growth potentials; which species are suitable for cultivation in DK? ..................................... 40 

Growth rates ............................................................................................................................................ 41 

Mass cultivation and biomass yield of seaweeds in tanks .......................................................................... 42 

Sea‐based mass cultivation and biomass yield of seaweeds ...................................................................... 45 

Designs and harvest of sea‐based cultivation systems ........................................................................... 45 

Identification of optimal locations for sea‐based cultivation ................................................................. 48 

Fouling ..................................................................................................................................................... 48 

Comparison of sea‐based cultivation biomass yields .............................................................................. 49 

Reductions in biomass yield .................................................................................................................... 49 

Storage and down‐stream processing ......................................................................................................... 52 

Recommended reading ............................................................................................................................... 53 

8. Possibilities for improvement of macroalgal production systems .............................................................. 54 

Species/strain screening .............................................................................................................................. 54 

Sporophyte density ..................................................................................................................................... 55 

Multiple harvests ......................................................................................................................................... 56 

Manipulating spore formation ................................................................................................................ 56 

Resting gametophyte cultures................................................................................................................. 56 

9. Bioenergy conversion technologies for algae ............................................................................................. 58 

Algae bio‐diesel ........................................................................................................................................... 58 

Algae ethanol ............................................................................................................................................... 59 

Combustion ................................................................................................................................................. 60 

Biogas .......................................................................................................................................................... 60 

Thermo‐chemical processing ....................................................................................................................... 61 

Microalgae for H2 production ...................................................................................................................... 62 

3  

10. Sequestration of CO2, NOX and SOX ........................................................................................................... 63 

Growth rates and CO2 uptake ...................................................................................................................... 63 

Flue gas as CO2 source ................................................................................................................................. 63 

NOx, SOx ....................................................................................................................................................... 64 

11. Scenario for microalgal production in Denmark ....................................................................................... 66 

Production and production systems ........................................................................................................... 66 

Up‐scaling .................................................................................................................................................... 67 

Costs ............................................................................................................................................................ 68 

Fertilizers ................................................................................................................................................. 68 

Seawater .................................................................................................................................................. 68 

CO2 ........................................................................................................................................................... 68 

Area needs ................................................................................................................................................... 69 

Potential for energy production .................................................................................................................. 70 

Prospects and limitations ............................................................................................................................ 70 

12. Scenario of macroalgal production and conversion .................................................................................. 71 

Area needs ................................................................................................................................................... 71 

Production costs .......................................................................................................................................... 74 

Reported production costs ...................................................................................................................... 75 

Macroalgae potential for energy production .............................................................................................. 75 

13. Recommendations ..................................................................................................................................... 76 

Algae production ......................................................................................................................................... 76 

Conversion technology development ......................................................................................................... 77 

Fermentation to liquid energy carriers ................................................................................................... 78 

Combustion and gasification ................................................................................................................... 78 

Biogas ...................................................................................................................................................... 79 

Algae oils .................................................................................................................................................. 79 

14. Literature ................................................................................................................................................... 80 

Appendix 1 ............................................................................................................................................... 88 

 

4  

1. Dansk resumé  

Dette  review  er  udført  på  foranledning  af  DONG  Energy,  Danmark,  som  også  har  støttet  arbejdet 

økonomisk. 

 

Udnyttelse af biomasse  til energiformål er centralt  i  forbindelse med en sikker og bæredygtig  levering af 

energi.  For  dog  at  opnå  en  succesfuld  implementering  af  bioenergi  må  nye  og  bæredygtige 

biomasseressourcer og tilsvarende konverteringsteknologier identificeres og udvikles. 

 

En hidtil uudnyttet, men dog  ikke helt uudforsket, biomasse er den  såkaldte blå biomasse, den primære 

produktion i vand ‐ alger. 

 

Alger er  fotosyntetiserende organismer,  som,  i kontrast  til  landplanter,  ikke producerer blomster og  frø, 

men danner sporer til formering og som spredningsenhed. Enkelt‐cellede alger, mikroalger, findes især frit i 

vandmassen  og  danner  fytoplankton.  De  store  alger  makroalgerne,  har  ikke  rødder,  men  blot 

fasthæftningsorganer,  og  de  har  heller  ikke  specialiseret  væv  til  transport  af  vand,  sukkerstoffer  og 

næringssalte,  idet de er omgivet af vand. Alger er en gammel og meget heterogen gruppe af organismer, 

der spænder fra en størrelse på få nanometer til de store arter på op til 60 m længde.  

 

Som  alle  andre  planter,  er  alger  primært  opbygget  af  sukkerstoffer  som  dannes  ved  fotosyntesen. 

Sammenlignet med landjordens planter indeholder alger kun en lille mængde cellulose og i enkelte tilfælde 

meget  små  mængder  lignin.  Fraværet  af  lignin  gør,  at  alger  i  stedet  har  udviklet  svært  nedbrydelige 

sukkerstoffer, ligesom cellevæggen kan binde store mængder vand. Sidstnævnte egenskab udnyttes bl.a. i 

flere geleringsmidler baseret på alger. Dertil kommer at alger ofte har svovl og nitrogen som strukturelle 

komponenter  i deres cellevægge og ydermere kan have et  indhold af salte og uorganiske  forbindelser på 

over 30 %.    

 

Alger kan danne meget produktive økosystemer. Sammenlignet med  landjordens planter er det  teoretisk 

muligt  at  lave  3‐5  gange  så meget  biomasse  på  samme  areal,  og  interessen  for  at  udnytte  alger  som 

biomasse til produktion af bioenergi har været kraftigt stigende de seneste år. De umiddelbare fordele ved 

at udnytte algebiomasse  til energi er  flere, men her kan nævnes: Alger kan dyrkes  i hav‐ eller brakvand 

direkte  i  havet  eller  i  anlæg  på  arealer,  der  ikke  kan  anvendes  til  landbrug.  Produktionen  af 

mikroalgebiomasse kan kombineres med direkte  fiksering af CO2  fra røggasser, og makroalgeproduktion  i 

havet kan muligvis  få en positiv økologisk effekt ved at bidrage  til  fjernelse af næringssalte samt  fungere 

som skjulesteder for fiskeyngel 

 

Som enhver anden biomasse kan alger omdannes til både faste, flydende og gasformige energibærere. Men 

for alger gælder, at deres kemiske sammensætning med et højt indhold af svovl, nitrogen og salte gør dem 

uegnede til afbrænding, ligesom deres indhold af forgærbare sukre er lavt og derfor ikke velegnede til f.eks 

ethanolproduktion. I praksis er de umiddelbare muligheder for at konvertere alger til energibærere derfor 

begrænset til: 

5  

 

Udnyttelse  af  mikroalgernes  evne  til  at  producere  fedtstoffer,  lipider,  som  kan  omdannes  til 

biodiesel  

Biogas dvs methanproduktion af mikro‐ og makroalgebiomasse og restprodukter fra alge‐biodiesel 

 

Andre mulige konverteringsteknologier er pyrolyse og forgasning til efterfølgende fremstilling af dieselolier, 

der vil dog formentlig være store problemer med uønskede sidereaktioner, tjære og belægninger grundet 

algernes høje indhold af nitrogen, svovl og salte. 

 

For algebiodiesel er der i laboratorieskala påvist et meget stort potentiale. Men der er problemer med den 

efterfølgende processering til biodiesel. Algernes cellevægge er meget robuste og sammen med deres lille 

størrelse er det omkostningstungt at ekstrahere olien fra algerne.  

 

Den største udfordring i at kunne udnytte algebiomasse i stor skala til energi ligger ikke i konverteringen til 

energibærere, men i dyrkning, høst og opbevaring af millioner af tons alger. Eksisterende danske naturlige 

forekomster af alger vurderes ikke tilstrækkelige til at kunne understøtte en udnyttelse til energi. 

 

For mikroalger arbejdes der både med bassiner  (open ponds) og egentlige reaktorer  (bioreactors). Begge 

principper er afprøvet  i pilot‐skala, men de opnåede udbytter er  lave og der mangler  stadig metoder og 

systemer til at kunne håndtere nærings‐ og affaldsstoffer samt undgå infektioner. 

 

For makroalger har der  igennem århundreder været en egentlig kommerciel produktion  til  fødevarer og 

tilsætningsstoffer. Der er dog ingen af disse systemer, der er i stand til at  levere de udbytter og mængder 

som  vil  være  nødvendige  for  stor‐skala  energiproduktion.  Hertil  kræves  intensiv  forskning  både  i  de 

forskellige algearter, marine dyrkningssystemer samt identifikation af optimale dyrkningslokaliteter. 

 

I  forhold  til  et  dansk  scenarie  vurderes  det  umiddelbare  energipotentiale  dog  til  at  være  begrænset. 

Indenfor  en  kort  til mellemlang  tidshorisont  er  den  eneste  tilgængelige  konverteringsteknologi  biogas. 

Udbyttet  fra  1  million  tons  makroalgebiomasse  til  biogas  vil  være  i  størrelsesordenen  10  GJ,  hvilket 

sammenlignet med andre biomasser er relativt  lavt. Omkostningsniveauet herved vurderes også endnu at 

være højt med en  faktor 3‐10  i  forhold  til  andre biomasser.  Ifald det  lykkes  at etablere en  teknologi  til 

produktion  af  algebiodiesel  vil  potentialet  kunne  være  væsentligt  højere,  men  der  er  endnu  ikke  et 

teknologisk og biologisk grundlag herfor. 

 

Set i et længere tidsperspektiv er det sandsynligt, at der vil kunne udvikles både biologi og teknologi som vil 

kunne muliggøre et væsentligt bidrag fra alger til energiforsyningen. Men det forudsætter en betydelig og 

målrettet  forskning og udvikling. Fokus heraf bør være både på grundlæggende biologiske og biokemiske 

problemstillinger  samt  udvikling  af  egentlige  teknologier  til  stor‐skala  produktion  af  algebiomasse med 

tilstrækkeligt lave omkostninger. Dertil kommer, at der også forestår et stort arbejde med udredning af de 

miljømæssige konsekvenser ved anvendelse af havet til algedyrkning i stor skala. 

 

Der er iværksat en del projekter i udlandet, som søger at udvikle især mikroalger til produktion af biodiesel. 

Projekterne er i sig selv ambitiøse og udfordrende, men må karakteriseres som værende risikofyldte. En del 

6  

af projekterne bygger på, at der  foruden energi også kan produceres højværdi‐produkter  såsom  special‐

kemikaler, medicin m.m. Dette er absolut muligt, men i relation til en størrelsen af en energiproduktion vil 

sådanne produkter kun bidrage marginalt til den overordnede økonomi. 

 

Anvendelsen af alger til energi kan derfor karakteriseres ved både at have et meget stort potentiale, men 

også  en  række  teknologiske  og  biologiske  udfordringer,  som  gør  området  risikofyldt  ud  fra  et 

investeringsmæssigt  synspunkt.  For  energisektoren  vil  det  derfor  være  fornuftigt  at  opretholde  et 

forsknings‐ og vidensmæssigt beredskab  som vil muliggøre, at man kan udnytte eventuelle gennembrud 

indenfor algeproduktion. Især vil det være vigtigt at identificere de anvendelser, hvor alger vil kunne have 

synergi med den nuværende udnyttelse af biomasse til energi. 

 

I praksis bør man holde sig grundigt orienteret om resultaterne af den igangværende udvikling for at kunne 

identificere potentielle muligheder der måtte opstå. Derudover er der også behov for at afklare potentialet 

for flere forskellige algeproduktioner under danske forhold f.eks ved gennemførelse af pilotforsøg. Dette vil 

muliggøre,  såfremt der opnås et eller  flere  gennembrud, nationalt  så  vel  som  internationalt,  at der  kan 

åbnes nye muligheder for udnyttelse af alger til energi, og man vil kunne handle hurtigt derefter. 

 

 

7  

2. Introduction  

This review is developed on behalf of DONG Energy, Denmark, whom also funded the work. 

 

The utilization of biomass for energy is one of the key elements in a sustainable and secure energy supply. 

However,  the  successful  implementation of bioenergy  requires  the development of new and  sustainable 

sources  of  biomass  and  associated  conversion  technologies.  Biomass  production must  be  adapted  and 

developed  to  secure  and maintain  a  proper  balance  between  food,  feed  and  energy  production  in  an 

ecologically  and  economically  responsible  way.  The  development  of  high  yield  sustainable  production 

systems  is  a major  challenge  for  the  industrial  and  scientific  communities  if  the  very  high  potential  of 

biomass for energy is to be realized. 

 

The focus has  increasingly been directed to algae biomass as a resource for bioenergy. The advantages of 

algal biomass to terrestrial plants as a source of transportations fuels seem to be numerous according to 

Rodolfi et al. 2009: 

 

Oil yield per area of microalgae could greatly exceed the yield of the best oilseed crops 

Microalgae grow in an aquatic medium, but need less water than terrestrial crops 

Microalgae  can  be  cultivated  in  seawater  or  brackish  water  on  non‐arable  land,  and  do  not 

compete for resources with conventional agriculture 

Microalgae biomass production may be combined with direct bio‐fixation of waste CO2 

Fertilizers for microalgae cultivation can be obtained from wastewaters 

Algae cultivation does not need herbicides or pesticides 

The residual biomass after oil‐extraction may be used as feed or fertilizer, or fermented to produce 

ethanol or methane 

The biochemical composition of the algal biomass can be modulated by varying growth conditions 

the oil content can be highly enhanced 

 

Furthermore, solely considering sea‐based cultivation of macroalgae: 

 

Seaweed farms will not involve land areas at all 

Seaweed farms may have a positive ecological  impact by nutrient stripping and providing nursery 

grounds for fish fry 

 

As indicated above there are several ways of achieving energy from algal biomass (Fig. X): 

 

Oil from lipid containing especially microalgae 

Ethanol from fermentation of sugars in especially macroalgae 

Methane from fermentation of algal biomass in general 

Heat and power by burning of algal biomass in general 

 

8  

  

However,  in  the  comprehensive work  of  the  Aquatic  Species  Program  by  the North  American National 

Renewable  Energy  Laboratory  and  their  subcontractors,  which  was  conducted  in  the  1980’s  and  90’s 

(Sheehan et al. 1998),  four major difficulties associated with microalgal mass culture  for  fuel production 

were identified connected to open pond systems: 

 

Photosynthesis efficiency for light energy and high lipid production 

Fundamentals of species selection and control in open pond systems 

Mechanisms (and control) of algal bio‐flocculation 

Effects of non‐steady‐state operating conditions on algal metabolism 

 

as  only  a  very  low‐cost  system,  based  on  open  ponds mixed  on  low  velocities  and  using  very  simple 

harvesting process, could be considered in such a production. 

 

They also conclude that even with these rather favourable, though plausible, assumptions, costs would still 

be well above those for current, or projected, oil prices. 

 

The program was closed by  the Clinton‐government  in  the 1990’s, but here 10 years after algal biomass 

derived bioenergy is intensely hyped. What is the actual present status of research and commercialization 

of algal biomass based bio‐fuels? This project seeks to identify and investigate the challenges in producing 

algal biomass for bioenergy production as well as evaluate the potential at present. 

9  

3. Photosynthesis ‐ potential for biomass production  

How much biomass and thus bioenergy can we harvest from plants regardless if they are grown in the sea 

or on land? As any other living organisms the growth of plants are dependent upon the rate by which they 

can feed their metabolism with energy and nutrients. In practice this means that the levels of water, CO2, 

nutrients and light that is available, limit the efficiency by which plants convert solar energy to biomass.  

 

Data on biomass production  from algae are often  reported as  the production  in kg m− 2 d− 1. This unit  is 

valuable from a laboratory scale point of view, but when looking at the millions of tones biomass required 

for  the energy  sector  as well  as  comparing  to  current use of  land based biomass  for energy,  it  is more 

relevant to look at the annual production of biomass from 1 ha. 

 

Current biomass potentials from agricultural crops range from 7 to more than 120 ton ha‐1 with the highest 

levels found in the tropical regions (Table 3.1). Translating reported algae potentials to t ha‐1 (Table 3.2) it 

can  be  seen  that  they  are  potentially  capable  of  producing more  biomass  pr.  area  unit  than  current 

agricultural crops. 

       

Crop  Record yield t/ha  Average yield t/ha 

Corn  19.3 4.6 

Wheat  14.5 1.9 

Soybeans  7.4 1.6 

Sorghum  20.1 2.8 

Oats  10.6 1.7 

Barley  11.4 2.1 

Potatoes  94.1 28.2 

Sugar beets  121.0 42.6 

                    Table 3.1. Comparison of record and average yields for agricultural crops                     (Chrispeels & Savada 2003).  

  kg m− 2 d− 1  t /ha 

Photobioreactor I  0,072  262 

Photobioreactor II  0,048  175 

Raceway ponds  0,035  127 

                       Table 3.2. Potential yields from microalgae production (Christi 2007). Note that                        data have not been obtained in large‐scale.  

The major limiting factor for biomass production in land‐based plants is the amount of water available. For 

algae there is no limitation of water just as the nutrients are more mobile in an aqueous environment and 

can be maintained at optimum levels. Furthermore we may have the opportunity of raising the CO2 level by 

dissolving flue gas  in the aqueous environment of the algae. Therefore  it  is possible to provide conditions 

where  the  only  limiting  factor  is  the  level  of  light  available  to  the  algae,  and  we  may  calculate  the 

theoretical maximum for biomass production at a given amount of solar radiation. 

10  

The  basic  process  in  photosynthesis  is  about  transferring  the  energy  from  the  incoming  photons  to 

electrons  in  the  photosynthetic  pigments.  This  transfer  of  light  energy  to  electrons  is  subsequently 

transformed  into  chemical  energy  that  is  used  to  fixate  CO2  into  carbohydrates.  An  outline  of 

photosynthesis  can  be  seen  in  Fig.  3.1,  note  the  division  between  light  reactions  capturing  the  solar 

radiation and the Calvin cycle responsible for the fixation of CO2 into carbohydrates.  

  

Fig.  3.1.  Outline  of  the  reactions  taking  place during  photosynthesis.  The  light  reactions capture  the energy  in  the  light and  the  fixation of CO2  into sugars (production of carbohydrates takes place in the Calvin cycle).  

 

 

 

The rate limiting step in the process is not the rate by which plants are able to convert photons into excited 

electrons, but the rate by which the carbohydrates are synthesized in the Calvin cycle. 

 

The electrons in the photosynthetic pigments absorb the solar energy by moving between orbitals i.e. the 

electron is excited into an orbital with a higher energy level. Subsequently as the electrons move to lower 

orbitals,  the energy  is  released and used  to  split water and  create energy  in chemical bonds driving  the 

process of CO2 fixation.  

 

Looking at the overall equation (1) for the photosynthesis it can be seen that the levels of CO2, water and 

light are  interdependent. The  level of solar radiation  is specific for a given area at a given  latitude, thus  if 

we know the  latitude we can determine the upper  level of productivity by algae or any other plant  for a 

given location. 

 

(1)    6CO2 + 12H2O + light (photons) ‐> C6H12O6 + 6O2 + 6H2 

 

But how do we  convert  the  level of  solar energy  into  the production of biomass? When  looking  at  the 

photosynthesis reaction to produce one carbohydrate (CH2O) we need 8 photons, one molecule of CO2 and 

two molecules of H2O. 

 

Not all wavelengths of light can be absorbed by the plant pigments, the reason being that the energy level 

of the excited electrons has to match the energies of the reactions creating the chemical energy driving the 

Calvin cycle. Thus the level of energy in the photosynthetically available region (PAR) of light is roughly 217 

kJ mol‐1 of photons, accounting for 43% of the  incident sunlight. The efficiency by which the energy from 

11  

the protons is transferred to electrons within the plant photosynthesis is very high and for simplicity we can 

assume  it  to be 100%. With the single carbohydrate having 1/6 of the glucose energy content  i.e. 467 kJ 

mol‐1, the quantum limit of the photosynthetic efficiency is 11.6 %.  

 

This value is the maximum theoretical level of efficiency by which plants are able to convert solar radiation 

into biomass.  In practice such a high  level can never be  realized as  the plants need  to divide part of  the 

energy to build and maintain their metabolic system, including the molecules in the photosynthetic centres 

as well as many plants are dormant in the winter season.  

 

However,  if  we  assume  that  there  is  a  100%  conversion  of  solar  radiation  into  biomass,  what  is  the 

maximum  level of biomass production  in Denmark with an average solar radiation of 1000 kWh m‐2 on a 

yearly basis? The  answer  can be  seen  in  Table 3.3. These  figures  are  in  fact  valid  for  any  type of plant 

regardless  if  it  is a C3 or C4 type of photosynthesis, and cannot be exceeded no matter how much CO2 or 

nutrients we apply. 

 

Solar radiation  PAR (GJ) Biomass (t/ha) 

1000 kWh/m2 (Denmark)  15500 220 

1500 kWh/m2 (Spain)  23200 330 

2000 kWh/m2 (Sahara)  31000 439 

    

Table 3.3. The levels of photosynthetic available light (PAR), and the corresponding theoretical maximum levels of biomass production assuming that 100% of the light is converted into biomass.  

Again  it  should be  stressed  that  the numbers here are  the  theoretical maximum assuming  that all  solar 

energy  is  converted  to  biomass, which  is  of  course  not  the  case.  In  the  literature  figures  above  these 

theoretical  limits can sometimes be seen. Such figures should  indeed be viewed with outmost caution as 

they  need  to  include  excessive  amounts  of  artificial  lightning.  Also  production  figures  approaching  the 

theoretical possible maximum levels should be viewed with caution, as plants needs to devote a substantial 

part  of  their  energy  to  maintain  respiration,  synthesis  of  functional  cell  wall  components  as  well  as 

proteins. An estimate of what level of practical biomass production that can possible be obtained in highly 

efficient crops and algae systems under natural light conditions would be within 30‐50% of the theoretical 

maximum, which is indeed still a very high productivity. 

  

Can we improve the efficiency of photosynthesis?

Given the structure of the light capturing complexes in the photosynthesis and the matched coupling to the 

reactions in the Calvin cycle, it will not be possible to increase the theoretical efficiency of photosynthesis 

by which light energy can be converted to biomass above the theoretical maximum of 11,6%. 

What will be possible is to increase the rate by which the Calvin cycle are capable of fixating CO2, as well as 

the recovery rate due to the photoprotection of the reaction centres. Photoprotection is necessary as the 

reaction centres of photosynthesis are continuously exposed to high energy radiation, and are on average 

replaced every 20 min. Pulsating light sources can be used to reduce the need for photoprotection, but for 

practical large scale applications this not likely to become economically feasible. 

12  

 

Improvement of photosynthesis will depend upon molecular engineering of the reaction centres as well as 

breeding  of  crops  or  algae.  It will  require  in  the  order  of  10‐20  years  before  significant  results  can  be 

expected, but looking at the current potentials we can come a long way using the crops and algae that are 

already available to us. 

 

Recommended reading

Chrispeels MJ,  Sadava  DE  2003.  Plants,  genes  and  crop  biotechnology.  Jones  and  Bartlett  Publishers, 

Boston, MA. 

13  

4. The Chemistry of Algae  

By looking at algae it is clear that, though they are photosynthetic organisms and thus by definition plants, 

they are very different  from  land based plants. Not only by their physiology and morphology but also by 

their  chemical  and physical  composition  ranging  from molecular‐  to macro‐scale,  it  is  evident  that  they 

have followed a very different evolutionary path. 

 

As with all other plants a main component  in algae  is carbohydrates (sugars). But on an overall basis the 

chemical  composition  and  structure  of  algae  are  considerably more  heterogeneous  than what  is  found 

among  land plants. The evolution path of algae has allowed  for a  far greater diversity  (Domozych et al. 

1980),  and  a  large  number  of  carbohydrates  of  different  composition  and  organisation  can  be  found. 

Basically it appears that any carbohydrate in any conceivable combination can be found in algae cell walls, 

and  in many  cases each  species has  a unique  carbohydrate  composition. This  is  indeed  impressive,  and 

tough it adds to the complexity of utilizing algae for energy, it also underlines the potential for using algae 

as chemical factories producing a number of organic chemicals or energy carriers.  

 

Due to the large chemical diversity within algae a complete picture of the algae chemistry has not yet been 

established. However, the diversity by itself is an important characteristic and also there some compounds 

more common than others. 

 

The  bulk  amount  of  biomass  exploited  for  energy  is  based  on  the  plant  cell  walls,  but  also  storage 

compounds  such  as  starch  and oils  are of  relevance  for  e.g.  fermentation or  extraction of  the oils.  The 

following overall description is divided into the chemistry of algae cell walls storage compounds. 

  

Algae cell walls

All plants have a need for structural rigidity of their cell wall  in order to maintain their physical structure, 

but  depending  on whether  the  plant  has  to  function  in  an  aqueous  or  atmospheric  environment  quite 

different cell wall structures have evolved. Land based plants have as their adaptation to gravity developed 

a sturdy cell wall, based on a combination of the polysaccharide pectin (herbs and young plants) and   the 

aromatic compound lignin (woody plants). Grasses as well as other plants use a combination of pectin and 

lignin during their life cycle, where pectin is used in the young plants and lignin is build into the cell walls of 

the mature plants in order to support the heavy kernels. 

 

For algae, with the exception of diatoms which build their cell wall from silicic acid, the cell wall is based on 

a wide range of carbohydrates and organic acids build into a polymeric matrix capable of forming aqueous 

gels through ionic interactions and thereby providing the necessary structural rigidity. 

 

Algae cell walls are thin and do not have a division  in primary and secondary cell walls. Different cell wall 

layers with different chemical composition can be seen in a number of algae, but there is no overall generic 

structure as seen for land plants. Fig. 4.1 shows the chemical structure of sea lettuce (Ulva spp.), note the 

organisation at  the organelle  level  for  the  thallus as well as  the  cell wall. The  ionic  interaction between 

14  

acids and cations indicated in B at Fig. 4.1 is a common mechanism in algae cell walls for providing strength 

and rigidity. The structure in Fig. 4.1 is only an example for sea lettuce, different structures can be found in 

other algae. 

 

 

 

Fig. 4.1. Distribution of  the different Ulva  sp. cell wall polysaccharides  in a  schematic cross  section of a thallus (A) and proposed associations between the different cell wall polysaccharides (B). After Lahaye & Robic (2007).  

Another distinct feature of algae cell walls is that they contain a high amount of protein compared to land 

plants.  The  proteins  in  the  algae  cell walls  are  structural  glycoproteins  i.e.  proteins with  carbohydrate 

oligomers  linked to their polypeptide side chains. The glycoproteins are a structural part of the algae call 

wall and may also  serve as a cross  linking matrix between cells  in macroalgae.  In  some cases  they even 

constitute a larger part of the cell wall matrix than the carbohydrates, see Table 4.1. 

 

Another common group of proteins  in algae are the proteins  in the photosynthesis complexes. Compared 

to other plants  they constitute a higher amount of  the  total biomass, and  levels of more  than 5% of  the 

total dry weight can be found. 

 

 The  high  protein  content  of  algae  could  provide  opportunities  for  preparing  algae  based  protein  feed 

products, and  such  feed products are manufactured and  sold on a  small  scale. But  in general  structural 

proteins  such  as  glycoproteins  have  a  lower  feed  value  and  less  favourable  amino  acid  composition 

compared to other plant proteins, and they may therefore be less suitable for animal feed.  

15  

Strain  Protein Carbohydrates Lipids Nucleic acid 

Scenedesmus obliquus   50‐56  10‐17  12‐14 3‐6 

Scenedesmus quadricauda  47  ‐  1.9  ‐ 

Scenedesmus dimorphus  8‐18  21‐52  16‐40 ‐ 

Chlamydomonas rheinhardii  48  17  21  ‐ 

Chlorella vulgaris   51‐58  12‐17  14‐22 4‐5 

Chlorella pyrenoidosa  57  26  2  ‐ 

Spirogyra sp.  6‐20  33‐64  11‐21 ‐ 

Dunaliella bioculata  49  4  8  ‐ 

Dunaliella salina  57  32  6  ‐ 

Euglena gracilis  39‐61  14‐18  14‐20 ‐ 

Prymnesium parvum  28‐45  25‐33  22‐38 1‐2 

Tetraselmis maculata  52  15  3  ‐ 

Porphyridium cruentum   28‐39  40‐57  9‐14 ‐ 

Spirulina platensis   46‐63  8‐14  4‐‐9  2‐5 

Spirulina maxima  60‐71  13‐16  6‐7  3‐4.5 

Synechoccus sp.  63  15  11  5 

Anabaena cylindrica  43‐56  25‐30  4‐7  ‐ 

Table 4.1 ‐ Chemical Composition of some microalgae. After Becker (1994). 

 

Algae carbohydrates

As in other plants, carbohydrates are the most common single component found in algae, tough the ratio 

of carbohydrates  is  lower compared  to  land plants. But unlike most  land plants marine algae with a  few 

exceptions do not contain simple carbohydrates or easily hydrolysable polysaccharides. Starch and cellulose 

are only present in minor quantities. 

 

Algae  carbohydrates  may  be  linear,  but  are  often  derivatized  with  acids  or  sulphate  groups.  These 

structural  characteristics  of  algae  carbohydrates means  that  biochemical  conversion  of  algae  is  not  a 

straightforward  task,  as  no  known  industrial  yeast  strains  are  capable  of  fermenting  the major  algae 

carbohydrates.   Below  is a description of some of the most common carbohydrates found  in algae, but  it 

must be emphasized  that  they only represent a small number of  the carbohydrates  that can be  found  in 

algae cell walls. 

 

Mannanes 

In a number of marine green algae as well as  in  the walls of some  red algae  the C6 mannanes are main 

structural  elements.  They  can  be  both  branched  and  linear  and  the  mannosyl  residues  are  1  >  4 

glycosidically  linked.  The  supramolecular  structure  of mannanes  often  form  fibrils  in  a  partly  crystaline 

organisation similar to cellulose. The mannanes may be tightly associated with the cell wall glycoprotein. 

16  

Cellulose 

The glucose based C6 polymer of cellulose is present in a number of both green brown and red algae. The 

amount is typically below 10%. The low amount of cellulose compared to land plants may be caused by the 

fact  that algae are exposed  to a  lower  level of  tensile  stress. The  fibrillar  structure  is  important  for  the 

physical reinforcement of the cell walls. 

 

Ulvan 

A  typical  representative of  the  complex carbohydrates  found  in algae  is ulvan grom  the genus Ulva also 

known as Sea lettuce. The carbohydrate polymer constitute up to 30% of the cell wall in Ulva and is made 

from a number of C5 and C6 carbohydrates including; rhamnose, xylose, glucose, uronic acid and glucoronic 

acid, where rhamnose and glucoronic acid forms the complex aldobiouronic acid. Often the rhamnose has a 

sulphate group and the linkage between the individual carbohydrate monomers vary. Thus the complexity 

of ulvan is impressive, but it also shows the challenge in utilizing algae cell wall components for large scale. 

 

Fucans 

In brown algae the sulphated fucan polysaccharides are common. A number of structural variations can be 

found between the species. The structure is based on the C6 carbohydrate fucose which is sulphonated and 

forms  the polymeric backbone. Different branches of galactose and acetate  side groups can be  found as 

part  of  the  fucan  structure.  Fucans  are  known  to  have  therapeutic  properties  for  blood  coagulation  or 

inflammation. 

 

Xylanes 

Xylanes  are  polymers made  from  C5  sugars where  the  xylosyl  residues  are  linked  via  1  >  3  and  1  >  4 

glycosidic  bonds.  Xylans  are  partly  branched.  As  a  rule  of  thumb  layered  cell walls  can  found  in  xylan 

containing algae. 

 

Alginic acid 

Alginic acid and its salts, the alginates are components of the walls of brown algae. They consist of uronic 

acids: mannuronic acid and glucuronic acid in varying ratios. The alginates of brown algae exist both within 

the cell wall and in the intercellular substance. Their part in the cell wall may be as high as 40 per cent of 

the  dry matter.  They  have  a  high  affinity  for  divalent  cations  (calcium,  strontium,  barium, magnesium) 

which are important for their tendency to gel. 

 

Sulfated carbohydrates 

A distinct feature of algae  is that they often contain sulfated carbohydrates. That  is carbohydrates with –

SO3 groups which have been found in nearly all marine algae. They occur partially in the cell wall itself and 

partially in the intercellular substance. Sulfonated galactanes are typical for many red algae, depending on 

their origin they are named agarose, porphyran, furcelleran and funoran.  

 

17  

Intracellular carbohydrates 

In both green and red algae starch is a common metabolic energy storage compound. In a few cases such as 

Chlorella vulgaris a starch content of up to 37% has been reported, but normally lower contents are found. 

Mannitol and  laminarin are storage carbohydrates found  in brown algae. During the summer season they 

may constitute up to 40% of the dry matter. 

 

Algae oils

Like other vegetable oils or  lipids, the algae oils are composed of triglycerides  i.e. glycerol esterified with 

fatty acids. When processed to biodiesel the glycerine is removed by de‐esterification. 

 

Just  as  for  land  plants,  triglycerides  in  algae  are  energy  storage  compounds.  But  there  is  an  important 

difference  in  the metabolism  of  algae  as  they  produce  the  highest  content  of  lipids when  exposed  to 

nutrient stress. Unfortunately this also means that high content of  lipids correspond to  low growth rates, 

which  is unfavourable  for  large scale production. Algae oils are high  in unsaturated  fatty acids. The most 

commonly found oils in algae are: 

 

Arachidonic acid  

Eicospentaenoic acid  

Docasahexaenoic acid  

Gamma‐linolenic acid  

Linoleic acid 

  

Inorganic elements

With the exception of grasses algae has a high level of inorganic elements compared to land based plants. 

The  most  common  elements  found  in  algae  are;  calcium,  potassium,  sodium,  phosphorous,  sulphur, 

chlorine and magnesium. The most elements are calcium and sodium which are typically found at levels of 

1‐3%.   

 

 

18  

5. Microalgal production for bioenergy  

From an application point of view microalgae can be described as a single cell photochemical factory. They 

can be used  to produce not only biomass  for energy but also, pharmaceuticals, nutraceuticals, pigments 

(e.g. Dunaiella, Fig. 5.1) etc. 

 

   Fig. 5.1. From left to right: Dunaliella salina, a natural bloom of D. salina and cultivation of D. salina (for natural beta carotene) in Western Australia.  

The overwhelming interest in microalgae is due to the high lipid content of some species, and that the lipid 

synthesis,  especially  of  the  non‐polar  triacylglycerols  (TAGs),  which  are  the  best  substrate  to  produce 

biodiesel, can be modulated by varying growth conditions. The  total content of  lipids  in microalgae vary 

from about 1‐85% of  the dry weight  (Rodolfi et al. 2009, and  references herein) with values higher  than 

40% typically achieved under nutrient limitation. 

 

The potential has been heavily investigated during the 1980 and 1990’s dominated by the North American 

Aquatic  Species  Program  headed  by  the National  Renewable  Energy  Laboratory  (NREL)  (Sheehan  et  al. 

1998), which was closed by the Clinton government). Now, ten years  later, the  interest  in microalgae  for 

bio‐diesel  is peaking and  research  institutes as well as private companies are allocating  resources  to  this 

area  as  the  benefits  of  this  renewable  energy  seems  obvious,  as  according  to Rodolfi  et  al.  (2009,  and 

references herein): 

 

Oil yield per area of microalgae cultures could greatly exceed the yield of the best oilseed crops 

Microalgae grow in an aquatic medium, but need less water than terrestrial crops 

Microalgae  can  be  cultivated  in  seawater  or  brackish  water  on  non‐arable  land,  and  do  not 

compete for resources with conventional agriculture 

Microalgae biomass production may be combined with direct bio‐fixation of waste CO2 

Fertilizers for microalgal cultivation can be obtained from wastewaters 

Algae cultivation does not need herbicides or pesticides 

The residual microalgal biomass after oil extraction may be used as feed or fertilizers, or fermented 

to produce ethanol or methane 

The  biochemical  composition  of  the  microalgal  biomass  can  be  modulated  by  varying  growth 

conditions and the oil contents can be highly enhanced 

  

Regardless the technological and biological advantages the question  is  if at present  is possible to produce 

microalgal biodiesel at costs competitive with petroleum derived diesel?  

19  

 

Christi (2007, 2008) claims that  it  is possible to produce feasible algae source bio‐diesel. He finds a gap  in 

prices of petroleum and algae source diesel of a factor 9 and 7, respectively, according to crude oil prices, 

but  still  consider  it  attainable  due  to  optimization  of  yield  and  production  chain. However,  Borowitzka 

(2008) presents a gap of a factor 5, but considers it to be impossible to close this gap as production price is 

interconnected with energy price. 

 

The  interest  for using microalgae  for bio‐diesel production  is  large.  There  are  several  companies whom 

offer algae growing  systems  (AlgaeLink, GreenFuel); Carbon Trust  in UK  launched  late 2008  the by  then 

largest  algal  biofuel  project  (http://www.carbontrust.co.uk/technology/directedresearch/algae.htm); 

Seambiotic  claims  to be  the  first  company  that  is utilizing  flue gas  from  coal burning power  stations  for 

algae  cultivation.  Seambiotic  (http://www.seambiotic.com/) was  founded  in 2003 with  the objectives  to 

grow and process marine microalgae  for profitable exploitation of microalgae  in  two areas, bio‐fuels and 

food additives; Bill Gates invests in algal‐based biofuels (http://www.sapphireenergy.com/)! 

 

To evaluate the potential of a feasible production of microalgae for bio‐diesel in Denmark we need to look 

through both hype as well as technology pessimism: 

 

1. Which species or strains of species of microalgae will be suitable for Danish conditions, considering 

growth rates and lipid yields and thereby the actual lipid production 

2. Can the production be optimized to meet the production cost of petroleum source fuels 

3. Can microalgal mass cultures serve as flue gas bioremediation and reduce the microalgal biomass 

production costs 

 

Potential species

Few works have  focused on  identifying  the most suitable microalgal species or strains  for oil‐production. 

The most comprehensive work being that of the North American Aquatic Species Program (Sheehan et al. 

1998), but more recently a nice work of Rodolfi et al. (2009) was published on species and strains tested in 

Italy. 

 

It  is well known  that strains of a species might perform very different according  to growth rate and  lipid 

contents under different conditions  (Hu et al. 2008, Rodolfi et al. 2009, Sheehan et al. 1998). The  list of 

promising  species  and  their  strains  are  available  in  Sheehan et  al.  (1998). More  than 3000  strains were 

collected  whereas  300  strains  remain  in  the  collection.  From  this  and  other  works  (Christi  2007,  and 

references herein, Li et al. 2008, and references herein, Rodolfi et al 2009) the species  listed  in Table 5.1 

seem to be the most promising candidates for mass cultivation and  lipid production. In the original 1984‐

1985 Microalgae Culture Collection Catalogue (SERI 1984) the 10 highest lipid yielding species were listed, 

of which 7 are on the list of microalgae accumulating lipids by Christi (2007). In the same work Christi lists 

further 7 species with high oil contents. All species have been evaluated for  lipid production and a few of 

them are commented on below: 

 

20  

Cryptothecodinium  cohnii  (Fig.  5.2)  is  a  colourless  marine  dinoflagellate,  which  means  that  it  is  a 

heterotrophic organism. It will be treated below in connection with microalgae not obligate autotrophic. 

  

In Christi (2007) Schizochytrium sp. (Fig. 5.2) is listed as an oil containing microalgae, but this organism is a 

thraustochytrid, a microbe which is a heterotrophic marine fungi.  It is sometimes referred to as a marine 

alga, perhaps because of reproduction by zoospores? As Schizochytrium sp. is obligate heterotrophic as well 

as not being an alga it is not included in this evaluation. 

 

 

Fig. 5.2. From left to right; Cryptothecodinium cohnii, Schizochytrium sp.  

 

Of the species listed in Table 5.1, 9 are registered in Denmark (Thomsen 1992, Hällfors 2004) and therefore 

are potential species for cultivation under Danish environmental conditions. 

 

In  Table  5.1,  when  Christi  (2007)  is  used  as  reference,  the  numbers  are  homologous  to  numbers 

corresponding to Sheehan et al. (1998). 

 

Growth rate/lipid content

Under optimal conditions of growth, algae synthesize fatty acids principally for etherification into glycerol‐

based membrane lipids, while under suboptimal or stress conditions for growth many algae alter their lipid 

biosynthetic pathways towards the formation and accumulation of neutral lipids mainly in the form of TAGs 

(Hu et al. 2008). TAGs composed primarily of saturated and monounsaturated fatty acids can be efficiently 

packed  into the cell and generate more energy than carbohydrates upon oxidation, thus constituting the 

best reserve for rebuilding after the stress (Rodolfi et al. 2009, and references herein). 

 

Therefore, as very high  lipid production usually  is correlated with stress conditions  (nutrient deprivation) 

(Chiu  et  al.  2009,  Rodolfi  et  al.  2009,  Sheehan  et  al.  1998),  this  results  in  decreased  photosynthetic 

efficiency  and  decreased  growth.  Thus  the  two  conditions  of  high  lipid  content  and  high  biomass 

productivity are mutually exclusive. In general, productivity and lipid content is inversely related, a fact that 

further has its rationale in the high metabolic cost of lipid synthesis (Rodolfi et al. 2009).  

 

The best  lipid producers are  the  strains  showing  the best  combination of biomass productivity and  lipid 

content  (Rodolfi et al. 2009). However, often only data of the  lipid contents are published as summed  in 

Table 5.1. It  is quite difficult to obtain published data on growth rates obtained  in the same study as  lipid 

contents, which would give the true picture of the lipid productivity potential of a species or strain. 

 

Apparently more data of this kind is in press, for example on Nannochloris oleoabundans, as presented on 

the XIth International Conference on Applied Phycology in Galway, 2008 (Fouchard et al. 2008). 

21  

 

Species  Phylum/Class   Lipid yield(% DW) 

References F  M 

DK 

Botryococcus braunii  Chlorophyta  44‐54 Banerjee et al. 2002, Ben‐Amotz et al. 1985, Christi 2007, Sheehan et al. 1998 

F •

Chlorella spp.  Chlorophyta  22‐63 Christi 2007, Illman et al. 2000, Liu et al. 2008 

F •

Cylindrotheca sp.  Bacillariophyceae  16‐27 (37*) Ying et al. 2002, *Christi 2007 

M

Dunaliella primolecta  Bacillariophyceae  9‐25 Ben‐Amotz et al. 1985, Christi 2007 

M •

Isochrysis sp.  Prymnesiophyta  7‐33 Christi 2007, Ben‐Amotz et al. 1985, Sukenik & Wahnon 1991 

M •

Monallanthus salina   

Chlorophyta    21‐22    (41‐72) 

Sheehan et al. 1998, Christi 2007, (Shifrin et al. 1981) 

M

Nannochloris sp.  Chlorophyta  20‐36 Ben‐Amotz et al. 1985, Christi 2007 

M •

Nannochloropsis sp.  Eustigmatophyta  31‐60 (68*) Chiu et al. 2009, *Christi 2007, Rodolfi et al. 2008 

M •

Neochloris oleoabundans 

Chlorophyta  35‐54 Christi 2007  F? 

Nitzschia sp.  Bacillariophyceae  22‐47 Ben‐Amotz et al. 1985, Christi 2007 

M •

Phaeodactylum tricornutum 

Bacillariophyceae  20‐30 Christi 2007  M •

Tetraselmis suecica  Prasinophyta  9‐15 (23*) Rodolfi et al. 2009, *Christi 2007 

M •

Table 5.1. List of selected species for cultivation due to relatively high lipid contents. *It has not been possible to verify 

the lipid yield stated by Christi (2007, table 2). F: freshwater, M: marine. 

22  

A  summary  of  available  data  on  potential  species’  growth  rates,  lipid  contents  and  thus  their  lipid 

productivity is presented in Table 5.2. 

 

Rodolfi et al. (2009) screened 30 species and strains and found that the marine genus Nannochloropsis as 

one of  the best candidates  for oil production performing high growth  rates  together with  relatively high 

lipid production leading to the highest lipid productivity of the strains screened (table II). 

 

Species Biomass 

productivity (g L‐1 d‐1) 

Lipid content (% DW) 

Lipid productivity    (mg L‐1 d‐1) 

References 

Botryococcus braunii  0.21*  30.5  65  Casadevall et al. 1985 Chlorella spp.  0.22  19  42  Rodolfi et al. (2009) Isochrysis sp.  0.17  25  42.5  Rodolfi et al. (2009) Nannochloropsis sp.  0.18  28.5  51.5  Rodolfi et al. 2008 Phaeodactylum tricornutum  0.24  18.5  45  Rodolfi et al. (2009) 

       Table 5.2. List of mean growth rates, lipid contents and lipid yields, which were available for the        selected species for mass cultivation. *Calculated.  

To evaluate the best candidates the species are ranked after best lipid productivity (Table 5.3). 

 

Species Lipid 

productivity    (mg L‐1 d‐1) 

Botryococcus braunii  65 Nannochloropsis sp.  51.5 Phaeodactylum tricornutum 

45 

Isochrysis sp.  42.5 Chlorella spp.  42 

 

Table 5.3. Selected species ranked after lipid productivity based on Table Y.  

 

Even though Botryococcus braunii tops the list based on the study of Casadevall et al. (1985) the freshwater 

species is usually considered as slow growing, though with a high content of lipids (Dayananda et al. 2005). 

It might  explain why  this  algal  species  has  not  been  grown  commercially,  though well  tested  for  lipid 

contents and races of lipids (Metzger & Largeau 2005). 

 

The  genus Nannochloropsis  is  a  promising  candidate.  It  is  already widely  used  in mass  cultivations  for 

aquaculture as feed for  live‐feed for fish and has proved  its robustness  in mass cultivation.   Furthermore, 

according to Rodolfi et al. (2008), Nannochloropsis seems to, as an exception to other species (see above), 

continue  lipid  synthesis  after N‐starvation  starting  from newly  fixed  carbon, which means  that  the  lipid 

production is not on the expense of other cellular components and therefore not on growth rate. 

 

Rodolfi  et  al.  (2009)  find  actually much higher  lipid productivities  (up  to 117 mg  L‐1 d‐1  in  summertime, 

Tuscany)  in  their  outdoor  flat  plate  photobioreactor  (see  later)  for  Nannochloropsis,  resulting  in  a 

calculation of 50 kg lipid ha‐1d‐1, which, according to their calculations can be optimized to 90 kg lipid ha‐1d‐1 

by  introducing a two‐step process. The two‐step process results  in an annual  lipid yield of 20 t ha‐1 taking 

23  

low/no  production  periods  due  to  the  varying  solar  irradiance  in  the  Tuscany  area  into  account.  They 

estimate a potential annual lipid production of 30 t ha‐1 for the tropics (for detailed information, see Rodolfi 

et al. 2009, p. 110). 

 

Nannochloropsis  is already available  in culture  in Denmark. See Scenario for Microalgae Production for an 

estimation of lipid yield under Danish conditions. 

 

Mass cultivation

Ugwu et al. (2008) present a review on photobioreactors for mass cultivation of microalgae. They  include 

following photobioreactor systems: 

 

Open ponds 

Tubular photobioreactors 

Vertical‐column photobioreactors 

Flat‐plate photobioreactors 

 

Raceway  ponds  are  widely  used  as  an  open  pond  system  since  it  is  easy  to  operate.  Production  of 

microalgae  biomass  has  been  extensively  evaluated  in  raceway  ponds  by United  States  Department  of 

Energy (Sheehan et al. 1998). 

 

Closed photobioreactors were also recommended for scaling up production of autotrophic microalgae since 

this kind of bioreactor could save water, energy and chemicals compared to some other open cultivation 

systems (Peer et al. 2008). The most widely used closed photobioreactors are designed as tubular reactors 

or plate reactors as will be presented below. 

 

A  new  “technology”  has  recently  been  presented  at  the  International Workshop  on Offshore Algae  for 

Biofuels and Beyond, April 2009, Lolland, Denmark, which is sea‐based cultivation of marine species in sacs 

anchored  to wind‐mill  foundations. The  technology has not been  tested but  theoretical pros and cons of 

this  land‐saving  technology will be  discussed  together with  the more  established  and  tested  cultivation 

technologies.  

 

Open ponds (Christi 2007, Lee 2001, Li et al. 2008; and references herein) 

Raceway‐shape culture ponds are used in Israel, USA, China and other countries. Generally, the structure of 

the ponds is almost the same as the sewage treatment system (Fig. 5.3). Fertilizer is used and the culture is 

agitated by paddle wheel (Fig. 5.3). 

 

The advantages of open ponds are low costs and that they are easy to operate.  However, they are sensitive 

to  contamination  leading  to  introduction  of  unwanted  fast  growing  organisms  in  the  ponds.  Especially 

heterotrophic organisms will graze on the autotrophic biomass and  lead to  loss of productivity. Therefore 

the  present  commercial  production  of microalgae  in  open  culture  systems  is  restricted  to  only  those 

organisms  that  can  grow  under  extreme  conditions  i.e.  high  pH  or  salinity.  Thus  a  limited  range  of 

microalgae  can  be maintained  as monoculture  in  open  ponds  in  long‐term  operation.  Presently,  only 

24  

Dunaliella  in high  salinity,  Spirulina  in high  alkalinity  and Chlorella  in high  levels of nutrients have been 

successfully mass cultured and marketed commercially. To overcome the problem of infections in the open 

pond systems the solution may be to mass cultivate mixotrophic organisms that can “clean up” themselves 

(se Mixotrophic organisms). 

 

Another major barrier  is harvesting of  the microalgae biomass due  to  its dilute  form  in open ponds  (see 

Harvest). 

 

 Fig. 5.3. At left; outline of a raceway open‐pond (after Li et al. 2008), and above and right, examples of plants.  

 

 

 

Photobioreactors 

According  to  the  consensus  on which  photobioreactors  systems  to  be most widely  investigated  (IVXth 

Congress  on  Applied  Phycology,  Galway,  April  2008)  and  most  recent  publications,  the  applicable 

photobioreactor systems are, the tubular and flat plate designs. 

 

Tubular photobioreactor system (Christi 2007, Li et al. 2008; and references herein)   

A  tubular  photobioreactor  is  usually  equipped  with  fencelike  solar  collectors.  Microalgal  broth  is 

continuously pumped  through  the  solar  array, where  sunlight  is  absorbed.  Fresh  culture medium  is  fed 

continuously to the degassing column during daylight, and an equal quantity of broth  is harvested at the 

same  time.  The  degassing  column  is  continuously  aerated  to  remove  the  oxygen  accumulated  during 

photosynthesis and the oxygen‐rich exhaust gas is expelled from the degassing column. 

 

Photosynthesis generates oxygen. A high concentration of dissolved oxygen  in combination with  intense 

sunlight  produces  photooxidative  damage  to  algal  cells.  To  prevent  inhibition  and  damage,  the  oxygen 

needs  to  be  removed  through  a  degassing  column  as  the  oxygen  cannot  be  removed  within  the 

photobioreactor tube. 

 

As the broth moves along the photobioreactor tube, pH increases because of consumption of CO2. Feeding 

of CO2 to the reactor is done in the degassing zone in response to a pH controller. Additional CO2 injection 

25  

points may  be  necessary  at  intervals  along  the  tubes,  to  prevent  carbon  limitation  and  an  excessive 

increase in pH. A typical tubular photobioreactor is designed as in Fig. 5.4. 

   

 

 Fig. 5.4. Typical outline of tubular photobioreactors, right. After Li et al. 2008. For explanation, see text. 

 

Flat plate technology 

The  flat plate photobioreactor  is a vertical  reactor made of  transparent plates glued  together  to  form a 

500‐1000 L unit (Cheng‐Wu et al. 2001), and elaborated by Rodolfi et al. (2008) to the patented “green wall 

panel” (GWP)) (Fig. 5.5). 

 

The GWP comprises a culture chamber made of 0.3‐mm  thick  flexible LDP  film enclosed  in a  rectangular 

metal frame. The modules are 1 m high, 2.5 m long and ca 4.5 cm thick resulting in a culture volume of 110 

L. For mixing, compressed air was bubbled at the bottom of the reactor through a perforated plastic tube. 

CO2 was injected into the culture through a gas diffuser placed in an un‐aerated zone, as carbon source and 

for  pH  regulation.  A  control  unit  provided  temperature  regulation  of  the  cultures  by  automatically 

activating water spraying on the reactor surface, when temperature exceeded the pre‐set value. 

 

 Fig. 5.5. Flat plate (green wall panel (GWP)). After Rodolfi et al. 2008. For explanation, see text. 

 

In general, for the above described photobioreactors, the advantages are no contamination and controlled 

production parameters but the design is expensive and will also require cooling. 

26  

Alternative designs ‐ OMEGAs (Trent, WSA (2009)) 

This technology  is ocean mega enclosures of semi‐permeable membranes for growing algae (OMEGAs)  in 

freshwater  (Fig. 5.6). The  idea  is  to  fill  the enclosures with nutrient  rich  freshwater  (sewage?) and grow 

microalgae  species which are not  supposed  to  survive  if  leaked  to  the  surrounding marine environment. 

The  idea  is also that the osmotic force by placing the OMEGA  in sea with freshwater content can be used 

for concentrating the biomass. 

 

It is a land‐saving technology for microalgal cultivation, and is also bioremediative in case of using sewage 

as growing medium, as suggested. 

 

However, risk of leakages is the major concern for this technology, regarding both introductions of invasive 

species as well as sewage to the environment. The technology is as yet not sufficient developed concerning 

robustness and especially mixing of the internal content for nutrient and light distribution. As the OMEGA is 

an  alien  to  the  environment,  prototypes  have  been  attacked  by  sea  gulls  as  well  as marine  animals 

(dolphins, sharks) (McGillivary, WSA 2009). 

 

 Fig. 5.6. Principles of the OMEGA system. An example of an offshore membrane enclosure as a fresh water reservoir for cultivating freshwater algal species, which will take up nutrients  from treated wastewater and be harvest by concentrating the algal biomass by osmosis. 

27  

Comparison of the cultivation technologies 

Cultivation of microalgae using open‐ponds is technologically simple, but not necessarily cheap due to the 

high downstream processing costs. The need to achieve higher productivity and to maintain monoculture 

of algae led to the development of enclosed tubular or flat plate photobioreactors. Despite higher biomass 

concentration and better control of culture parameters, data accumulated in the past 30 years have shown 

that  the  illuminated  area,  volumetric  productivity  and  cost  of  production  in  these  enclosed 

photobioreactors are not better than those achievable in open‐pond cultures (Lee 2001).  

 

Christi  (2007,  2008)  provides  calculations  for  comparison  of  photobioreactor  and  raceway  production 

methods (Table 5.4).  His main conclusions from these calculations are that a larger area is needed with the 

open pond  system  (7828 vs. 5681 m2, 38%) and  the oil yield  is correspondingly  lower per area  (99.4 vs. 

136.9 m3 ha‐1). He does not, though, credit the data or indicate which species are considered. 

 

 Table 5.4. Comparison of photobioreactor and raceway production methods. Based on afacility area, bactual pond area, cprojected area of photobioreactor tubes, d70% by wt oil in biomass, e30% by wt oil in biomass. After Christi (2007).  

Rodolfi et al.  (2009) achieved very good  results on cultivation of  the genus Nannochloropsis  in  flat plate 

reactors, but they did not perform either a practical (harvest, cleaning) or an economical evaluation on this 

production system. 

 

However, Rodolfi et al.  (2008) presented a comparison of  the GWP and open pond systems. They  found 

that  the GWP  technology was  severely  hampered  by  a  low  net  energy  ratio  (NER).  The  high‐embodied 

28  

energy  of  the  reactor  and  the  high‐energy  expenditures  for  mixing,  algae  harvesting  and  dewatering 

appeared difficult to reduce in a significant way. The presented preliminary life cycle analysis indicated that 

raceway ponds, requiring no energy  for cooling and a much  lower energy  input per unit area  for mixing, 

have much more  favourable NER. However,  they  consider  algae ponds  to be  very unstable ecosystems, 

which  suffer  from  the  impossibility  to maintain  the desired organism  in  culture  long enough. Therefore, 

they proposed a strategy combining reactors and ponds with the aim to achieve both positive NER and the 

process reliability necessary for cost‐effective production. 

 

In Table 5.5 a summary of prospects and limitations of various culture systems for microalgae is presented 

as considered by Ugwu et al (2008). Ugwu et al. (2008) also include the main issues of the photobioreactor 

systems, the need for cooling. 

 

 Table 5.5. Prospects and limitations of various culture systems for microalgae. After Ugwu et al. (2008). 

 

The  temperature problem  is  logically  interconnected with the need  for maximal solar  irradiance, but this 

will  increase the cooling requirements. At present there  is no cooling technology available that will make 

possible to achieve a high NER. 

 

Harvesting

Efficient harvesting of microalgae is one of the major factors to be overcome in order for them to be used 

as a fuel source. According to Benemann & Oswald (1996) the problem is that microalgae mass cultures are 

dilute,  typically  less  than 500 mg L‐1 on a dry weight organic basis, and  the  cells are very  small,  like  the 

genus Nannochloropsis with cell sizes of2‐5 um. In order to extract and process the lipids into bio‐diesel the 

algae must  be  available  at  15%  solids,  and  in  raceway  ponds,  for  example,  there  is  a  1%  solids  level 

(Benemann  &  Oswald  1996).  Therefore  the  culture must  go  through  a  process,  which  will  result  in  a 

sufficient concentration of the algae biomass. 

 

Many different algae harvesting processes have been studied. In Table 5.6 technologies is compared. 

 

29  

Table 5.6. Comparative evaluation of harvesting technologies. After Benemann & Oswald 1996. 

 

Centrifugation 

The algae pond solution is pumped into a large centrifuge, which rotates at several thousand RPM and has 

a filter of few microns. This is a proven method but has high cost (Table 5.6). 

 

Chemical flocculation 

Chemicals  like  lime,  alum  or  chitosan  can  be  added  to  the  algae  pond  solution  flocculating  the  algae. 

However,  this  technology  also  has  relatively  high  costs  associated with  the  large  amounts  of  chemicals 

required. 

 

Settling ponds 

A  raceway  open  ponds  system may  include  settling  ponds.  The  settling  ponds may  serve  as  the  initial 

harvesting method, where settling of the microalgae will bring the solution to 3% algae biomass. After the 

settling ponds one of the above technologies then will need to be applied, but use of the settling ponds will 

reduce costs accordingly. 

30  

Recommended reading

Hu Q,  Sommerfeld M,  Jarvis  E, Ghirardi M,  Posewitz M,  Seibert M, Darzins  A.  2008. Microalgal  triacyl‐

glycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances. The Plant Journal 54: 621‐639. 

 

Rodolfi L, Zittelli GC, Bassi N, Padovani G, Biondi N, Bonini G, Tredici MR. 2009. Microalgae  for oil: strain 

selection,  induction  of  lipid  synthesis  and  outdoors  mass  cultivation  in  a  low‐cost  photobioreactor. 

Biotechnology and Bioengineering 102: 100‐112. 

 

31  

6. Possibilities for improvement of microalgal production systems  

Yield optimization of photosynthetic microalgal production systems

Improving the yield of a given photosynthetic algae species provided equal  input of energy and nutrients 

will  improve  the economy of microalgae biodiesel  accordingly. According  to  the  rapport on  the Aquatic 

Species  Program  (Sheehan  et  al.  1998)  a  technical  evaluation  identified  two  major  requirements  for 

economic feasibility of algal biodiesel production: 

 

1. Photosynthetic efficiency,  i.e. the percentage of  incident radiation converted  into biomass, needs 

to be 18%, which is above the theoretical maximum for photosynthesis efficiency of approximately 

12%. 

 

2. Algal biomass needs to consist of 60% lipid 

 

At present we  cannot meet  these  requirements.  Suggestions  to  improve performance of microalgae  for 

biomass and lipid production is presented and discussed below. 

 

Photosynthetic efficiency 

Flashing light 

Studies have shown that intermittent light increased the rate and efficiency of photosynthesis compared to 

the  energy  utilization  efficiency  under  constant  illumination  (Grobbelaar  2008,  Grobbelaar  et  al.  1996, 

Nedbal et al. 1996, Terry 1986). The shift between  light and dark speeds up the rate of photosynthesis as 

the enzymatic process of CO2  reduction  to photosynthetic  intermediate products  is accomplished  in  the 

dark, and  the chlorophyll  is set  free to take part again  in the photochemical reaction  (Emerson & Arnold 

1932a, b). 

 

This  flashing  light effect can be mimicked  in vertically mixed algal ponds, as cells circulate  to  the surface 

and  back  down  to  the  lower  levels  in  the  pond  thereby  creating  a  transition  between  the  photic  and 

aphotic  layers. Thus,  the photosynthetic efficiency of algal grown  in ponds and photobioreactor designs 

may be  increased  in high  light by using mixing strategies that optimize the effects of an  intermittent  light 

regime (Grobbelar 1996, Nedbal et al. 1996, Sheehan et al. 1998). 

 

Light adaptation 

Can  adapting  microalgal  cells  to  lower  light  regimes  optimize  photosynthetic  yield?  The  historical 

background on adaptation of algae to various light intensities is that it is argued that there is little evidence 

to suggest that previous growth at  low  light  intensities enhances the ability of an alga to utilize these  low 

light levels (Beardall & Morris 1976, and references herein) and may even result in lowered maximum levels 

of photosynthesis  at  light  saturation  (Pmax). However, both Beardall & Morris  (1976)  and Neale & Melis 

(1986) do find an enhanced photosynthetic efficiency  in Phaeodactylum tricornutum and Chlamydomonas 

reinhardtii,  respectively, adapted  to  low  light  regimes. According  to Neale & Melis  (1986, and  references 

32  

herein) most  species of algae  increase  the  chlorophyll  cell‐1 under  low  light  conditions.  In  their  study of 

Chlamydomonas reinhardtii they found that the photosynthetic performance of cells grown in low light (LL 

cells) was higher  in  low  light regimes than cells grown  in high  light (HL cells)  indicating the benefit, which 

the algae derive from the adaptation of their photosynthetic apparatus. Overall they concluded that LL cells 

had a greater ability for photosynthesis at low light, but maximum photosynthetic capacity per cell was not 

lower. 

 

In  connection with mass  cultivation of microalgae  it was  suggested  that  this  light adaptation ability was 

utilized  to  optimize  photosynthetic  production  in  connection  with  photobioreactor  designs  (Weismann 

2008), as well as the photosynthetic production may be higher than expected when culturing algae in areas 

with lower solar radiation (Tredici 2008). 

 

Cell engineering 

According to Rodolfi et al. (2009), considering genetic and metabolic engineering of microalgae, it would be 

prudent  to  limit projections  to what can be achieved with wild‐type strains  for  the  foreseeable  future as 

they state that: “It seems likely that among the thousands of microalgal species and billions of strains that 

colonize almost every photic niche of the earth, many organisms suitable for outdoor biomass culture and 

biofuel production might be  found. Thus  there  is no apparent need  to genetically modify microalgae  to 

achieve  the  immediate objectives of  such a process,  [which]  is  stable mass  cultures exhibiting  relatively 

high oil contents and productivities.” 

 

Eliminating photosaturation and photoinhibition 

Christi (2007) finds cellular engineering useful in many respects, including enhancing biomass growth rate, 

oil contents in biomass, improving temperature tolerance, but focuses on eliminating photosaturation and 

photoinhibition, i.e. rising Pmax by a delayed onset of photosaturation and increasing the “window” of Pmax 

by a higher  tolerance  to high  light  intensities, delaying  the onset of photoinhibition  (see also Chapter 2, 

Photosynthesis). 

 

Cell engineering focusing on eliminating photosaturation and photoinhibition by cell engineering, Rodolfi et 

al.  (2008) also expect can  significantly  increase productivity of outdoor cultures and greatly  improve  the 

economics  of microalgal  oil  production.  But  they  also  take  into  account  that  it will  require  long‐term 

research  and  funding,  and,  in  many  countries,  overcoming  current  strictures  against  the  release  of 

genetically modified organism. And, it must be recognized, that improving the photosynthetic efficiency by 

eliminating  photosaturation  and  photoinhibition  will  require  a  major  redesign  of  the  very  advanced 

photosynthetic molecular complex, which we even today only partially understand.  

 

Reducing antenna size 

Another approach to optimizing photosynthesis is reducing antenna size. The actual photochemistry in the 

reaction  centres  of  the  two  photosystems  involves  only  two  or  three  chlorophylls  but  the membranes 

contain many more. These additional chlorophylls together with other accessory pigments (phycobilisomes, 

carotenoids)  are  known  as  antenna  pigments  because  they  substantially  increase  the  likelihood  that 

sunlight falling on the organism will be captured and transferred to the photosynthetic apparatus (Prince & 

Kheshgi 2005, and references herein). These very large antenna systems collect far more photons than can 

33  

be used by  the  reaction centres. Therefore efforts are put  into manipulating  the system  to decrease  the 

antenna size to achieve higher yields and photosynthetic efficiencies by a smaller energy budget (Prince & 

Kheshgi 2005, Grobbelaar 2008). Melis et  al.  (1999)  showed  that  the  green  alga, Dunaliella  salina, with 

manipulated small antenna sizes exhibited higher photosynthetic productivities and photon use efficiencies 

than normally pigmented cells. 

 

In  contrast  to  Rodolfi  et  al  (2008),  Prince  &  Khesghi  (2005)  philosopher  about  evolution  concerning 

photosynthetic efficiency and  find  that natural  selection  “unfortunately” not  seems  to have  selected  for 

maximal energy usage or efficiency! They write:” We do not understand why natural selection has resulted 

in a system that is optimized for maximal photon use rather than maximal energetic efficiency.” One reason 

could be that within large algae populations, the algae, which are not directly light exposed at the surface, 

are limited by suboptimal light levels, thus favouring apparently oversized photon capturing systems. 

 

It should be noted that none of the methods and ideas described above would overcome the limitation in 

photosynthetic efficiency caused by the level of energy present in energy that can be transferred from the 

photons to the photosynthetic system. Therefore the maximum efficiency of the photosynthesis cannot be 

higher than 11.8% of the incident solar radiation at a given surface (see Chapter 2 on photosynthesis).  

 

Temperature 

As temperature regulation, in the form of cooling or heating will add significant costs to the production of 

microalgal  biomass  it  has  been  argued  that  the  species/strain  selected  for  production will  need  to  be 

temperature tolerant in a wide range relevant for the actual climate (Christi 2007). 

 

The typical response is for photosynthesis to increase progressively with increasing temperature, with a Q10 

(temperature  coefficient  for  ratio of  rate at T°C  to  that of T + 10°C) of approximately 2  (Davison 1991). 

However, if the temperature exceeds the temperature range tolerated by the organism the growth rate will 

decrease with increasing respiration/photorespiration. 

 

Therefore  the  local  temperature  and  the  range  of  optimal/tolerated  temperatures  of  the  selected 

species/strain must walk and in hand. The solar irradiance crucial for photosynthesis may also elevate the 

temperature  into  non‐tolerated  temperature  regimes  for  the  cultivated  algae;  especially  this may  be  a 

problem  in  photobioreactors.  Species  and  strains  with  wide  temperature  tolerance  ranges  are  thus 

desirable for mass cultivation (Christi 2007). 

 

Mass culturing microalgae  in temperate climates may diminish this problem but will have to compensate 

for less solar irradiance. One should also bear in mind that species from temperate climates are adapted to 

lower  temperatures  and  the  elevated  temperatures  in  ponds  with  low  water  levels  as  well  as 

photobioreactors may also well be outside the range of their temperature tolerances. 

 

On the other hand low temperatures will make processes go to slow resulting in low growth rates. 

  

34  

Harvest timing 

To overcome the inverse relation between growth rate and lipid yield an experiment was conducted as part 

of the Aquatic Species Program (Sheehan et al. 1998) to help understand the effects of nitrogen deprivation 

and  lipid accumulation on photosynthetic efficiency. The  results  showed  that N  starvation  triggered  the 

lipid  accumulation  after  the  culture  was  grown  to  a  certain  density  and  reaching  the  maximum  of 

photosynthetic efficiency. Therefore, according to Sheehan et al. (1998) summing up the results of Lien & 

Roessler (1986), to obtain maximal lipid yield the best time for harvesting occurs just after the N is depleted 

from the cultures. 

 

Mixed cultures of algae and bacteria  

Cole  (1982)  reviewed  the  interaction between bacteria and algae  in aquatic  systems and concluded  that 

laboratory evidence strongly suggested that a zone existed within which bacteria and algae interact in both 

stimulatory  and  inhibitory  ways.  Banerjee  et  al.  (2002)  also  include  this  matter  in  their  review  of 

Botryoccocus braunii as a  renewable  source of hydrocarbons. They  list a number of  impacts of bacteria 

presence on algal cultures; stimulation of algal growth by releasing substances (vitamins, organic chelating 

agents),  remineralisation  of  inorganic  nutrients  as well  as  influence  on  pH  and  redox  potential  by  CO2 

production. They conclude that:  “In many cases, stable association [of algae and bacteria, eds] will provide 

a  large  increase  in  algal  biomass  and  hydrocarbon  production,  a  reduced  contamination  by  other 

microorganisms, and an improved supply of CO2.”  

 

However, the choice of bacteria culture will be important as some bacteria cultures may provide inhibitory 

effects  (Banerjee  et  al. 2002, Cole 1982,  and  references herein),  i.e. Pseudomonas oleovorans  caused  a 

marked reduction in algal biomass and hydrocarbon production in Botryococcus braunii (Jones 1972). 

 

The inhibition of bacteria on algal growth, according to Banerjee et al. (20022) and Cole (1982) can be: 

secretion of algaecides 

degradation of algal polysaccharindes 

decomposition of algal cell walls causing algae cells to lyse (rupturing/puncturing of the cell wall) – 

which may be interesting as an oil extraction process? 

competition for nutrients 

 

Banerjee  et  al.  (2002)  describes  that  the  effects  of  algae  and  bacteria  interactions  depend  on  culture 

conditions  and  the microbial  species  involved.  This  is based on  several  examples of  tests performed  to 

elucidate  the  impact  of  different  bacteria  cultures  on  B.  braunii  growth  and  hydrocarbon  content  (for 

references, see Banerjee et al. 2002). 

 

The bacteria culture, which has been demonstrated to have the best and most profound effect on both the 

biomass and hydrocarbon yield  in B. Braunii  is Flovobacterium aquatile  (Jones 1972). But Grossart  (1999) 

tested  the  interactions  between marine  bacteria  and  three  diatom  species  and  also  found  a  significant 

stimulating effect of especially one bacteria culture (Fl17) on the growth rates of all three diatom species 

tested. 

 

35  

However, in general conclusions are somewhat ambiguous probably due to: 

 

a range of environmental parameters affecting the interaction 

different impacts of different bacteria cultures 

that  even  though  stimulatory  effects  have  been  observed,  the  stimulatory  substances  remains 

unknown 

the complex nature of the stimulatory effects  

 

These issues are also recognized by Cole (1982), and primarily, the interaction between algae and bacteria 

is not treated when concerning oil‐rich algal biomass production. 

 

Can bacteria that cause algal cells to lyse be used in extracting oil from an algal biomass? 

According  to  the  review  of  Cole  (1982)  the  bacterium  induced  lysis  of  an  algal  cells  is  caused  by  the 

bacterial release of a substance (lysozyme) which causes breakdown of the algal cell wall and release of the 

cell contents. Probably owing to the need for attachment and chemotaxis, lysis occurs most rapidly in static 

liquid cultures. 

 

Heterotrophic microalgae

To  solve problems on  light  requirements,  eg.,  in  countries on higher  latitudes,  some microalgae  can be 

cultured heterotrophically on  sugar or organic acids  (Table 6.1). However,  the maximum  specific growth 

rate of algae cultures heterotrophically on simple sugars and organic acids are usually slower  than  those 

cultured photosynthetically, sometimes up to a third (Table 6.2), which implies that the cell concentration 

of heterotrophic cultures needs to be, in that case, three times higher than that of a photosynthetic culture 

to achieve the same product output rate (Lee 2001). 

 

This  is,  though,  also one of  the main  advantages of producing heterotrophic microalgae  as  they do not 

require light, it is possible to grow them in much higher cell densities. Cultures with high cell densities have 

several  advantages  in  industrial  applications,  as  they  occupy  less  space  and  reduce  the  expense  of 

extraction and other downstream operations (Chen 2008). 

 

Xu et al. (2006) cultured Chlorella protothecoides heterotrophically on corn powder and reached a maximal 

cell concentration of 15.5 g L‐1. Compared to autotrophically cultured species this  is about 10 fold higher! 

For example, the maximal cell concentration found in Chlorella sp. and Nannochlopsis oculata was 1.4 and 

1.2 g L‐1 (Chiu et al. 2008, 2009), respectively. 

 

However,  the  need  for  a  carbon  supply  implies  a major  barrier  for  a  bioenergy  production  unless  it  is 

possible to find a waste source. 

 

Thus heterotrophic microalgae are not considered suitable for mass cultivation for high biomass yields at 

present.  However,  heterotrophic  algae  may  serve  as  production  apparatus  for  high  quality  products 

(nutraceuticals, pharmaceuticals, pigments) and thereby high‐price products. 

36  

Table 6.1. Commercially important microalgal species that could be cultured heterotrophically. After Lee (2001).  

 

 

 Table 6.2. Comparison of the maximum specific growth rate of some commercially important microalgae cultured photosynthetically, heterotrophically and mixotrophically. After Lee (2001). 

37  

Mixotrophic algae

Mixotrophic cultivation of microalgae  takes advantages of  their ability  to simultaneously  feed on organic 

energy  and  carbon  substrates  while  performing  photosynthesis  concurrently.  Some  find  a  need  for 

sterilizable bioreactors for mixotrophic cultivation of microalgae a challenge (Lee 2001), while others find 

the  mixotrophic  behaviour  as  a  prerequisite  for  mass  cultivation  in  open  ponds  as  the  mixotrophic 

organism being able to “clean up” unwanted organisms (PJ Hansen, pers. comm.). 

 

According  to Yu et al.  (2009, and  references herein),  for  some kinds of algal  strains, photosynthesis and 

oxidation of organic substrates proceed independently in an additive manner under mixotrophic condition 

so that the growth rate of cells  in mixotrophic condition  is equal to the sum of those  in phototrophic and 

heterotrophic cultures. This phenomenon has been reported from several strains of Chlorella vulgaris and 

some  cyanobacteria,  although  there  are  several  examples which  diverge  from  this  pattern, where  the 

addition of glucose or like‐wise may slow down photosynthetic rate and enhance the dark respiration 

 (Yu et al. 2009, and references herein). 

 

Table 6.3 lists some microalgae capable of mixotrophic cultivation and suitable substrates. 

 

   Table 6.3. Commercially important microalgae that could be cultured mixotrophically. After Lee (2001). 

 

The benefits of culturing mixotrophic microalgae definitely  require  further  investigations  to  find  suitable 

species or strains and optimal culturing design. 

38  

7.  Macroalgal production for bioenergy  

Seaweeds  are  a  little  exploited  source  of  biomass  for  energy  production.  Since  seaweeds  are  of  low 

importance for human nutrition worldwide they can potentially provide a basis for non‐food bioenergy. Oil 

in macroalgae is not considered of any importance although some authors argue for relative high contents 

of  lipids  in macroalgae  (Hossain & Salleh 2008). Ethanol has been made  from kelp‐species but mainly as 

conversion of free sugars (e.g. Coastal Research Management, Kiel, Horn et al. 2000, Adams et al. 2008). 

 

The following will only focus on cultivation of seaweed for industrial uses, as harvest of natural stocks, as in 

Iceland,  Ireland  and  Norway,  is  not  of  relevance  for  Denmark.  Due  to  lack  of  suitable  substratum  in 

Denmark (Wegeberg & Felby 2009) the natural stocks of seaweeds are relatively small, and harvest of these 

occurrences will be neither sustainable nor economically feasible. For information on worldwide harvest of 

natural seaweed stocks, see for example Critchley et al. (2006) or Steen (2005) on data from Norway. 

 

Traditionally  species of  seaweeds  are  cultivated on  industrial  scale worldwide  and  algal polysaccharides 

such as alginates and carrageenans are widely used as texturisers, gelling agents, emulsifiers and stabilisers. 

There  are  also  specialized  niche  markets  for  algal  polysaccharides.  Alginate  is  used  in  various 

pharmaceutical preparations such as Gaviscon®, Bisodol®, Asilone® and is also used extensively as a mold‐

making  material  for  dentistry  and  prosthetics.  Calcium  alginate  is  used  in  different  types  of  medical 

products, including burn dressings that promote healing.  

 

The market for seaweed compounds and conversion technologies is relatively immature and, unsurprisingly 

given the potential gains, highly competitive. 

 

From  the  onset  of  the  Aquatic  Species  Program  by  NREL  it  also  included  pilot‐scale  cultivation  of 

macroalgae subcontracted by  the Solar Energy Research  Institute  (Macintosh 1984). The original concept 

was an energy  farm based on macroscopic algae  in open‐sea; a suspended  framework structure, buoyed 

and moored at great depths  (> 700m)  to which macroalgae as Macrocystis pyrifera  (giant kelp)  (Fig. 6.1) 

would be attached. Very early doubts about  its economic  feasibility and cost‐effectiveness was  raised as 

the great depths required pumping of nutrient rich bottom water to the surface to nourish the growth of 

the  surface cultivated macroalgae biomass. The  trial was beset with  technical problems probably mainly 

due to the open‐sea location and the test module sank to the bottom before any useful data was obtained 

(Macintosh 1984)! The story does not tell the reason to this disaster but when buoyancy is calculated one 

has to take into account that the growing algae eventually get heavier. 

 

An  alternative  concept  by  the Aquatic  Species  Program was  a  land‐based  energy  production  system  of 

burial vaults. 42 macroalgal species  (16 green algae, 2 brown algae and 18 red algae) were screened and 

two species (Gracelaria sp. and Ulva sp.) were the most successful and suitable species for cultivation; they 

demonstrated the highest carbohydrate content considered to be anaerobically digested for methane gas 

(Macintosh 1984). 

 

39  

Fig. 7.1. Macrocystis pyrifera. Left; creating underwater forest of up to 60m high plants. Above; bladders at base of each blade leading to buoyancy. 

 

They also tested the lipid contents of macroalgae but initial results indicated that macroalgae produce very 

low quantities of  lipids ranging from 1‐5% of the total organic weight; the majority are polar, membrane‐

bound lipids, which are less valuable as fuels (Macintosh 1984). 

 

After  this  1984‐report  the  emphasis  of  the  Aquatic  Species  Program  has  been  on  the  production  of 

microalgae (see Microalgae Production for Bioenergy). 

 

However, other countries have well‐established sea‐based mass production of macroalgal species. In Asian 

countries as China, Japan and Korea kelp species (mainly Saccharina japonica, Porphyra yezoensis, Undaria 

pennitifida) are cultivated for commercial purposes. 

 

Japan  has  developed  a  comprehensive  program  (the  Ocean  Sunrise 

Program)  on  large‐scale  production  of  bioethanol made  from  cultivated 

seaweed (Sargassum fulvellum, Fig. 7.2) for bio‐fuels (Aizawa et al. 2007). 

 

The mid‐  to  long‐term goal of  the Ocean  Sunrise Project  is  to produce 5 

million kL of bio‐ethanol by farming 150 million tons of S. fulvellum. 

 

In  Europe  Ireland  has  long  tradition  on  utilization  of  especially  natural 

harvest of seaweed species as Ascophyllum nodosum. Irish Seaweed Center 

(ISC) has been up front  in developing protocols for cultivation and testing 

sea‐based  cultivation  systems  of  various  macroalgal  species,  like  Alaria 

esculenta  (Kraan  &  Gury  1998,  Kraan  et  al.  2000,  Morrissey  2002), 

Laminaria digitata and Palmaria palmata (Morrissey 2002, Edwards 2008) 

(Fig. 7.3), all of which are commercial important species. 

 

 Fig. 7.2. Sargassum fulvellum 

Also  Scotland has  initiated  a program on  sustainable  fuels  from marine biomass, BioMara.  The  Scottish 

Association  for Marine  Sciences  (SAMS)  is  the  lead  partner  and  the  project  involves  research  on  both 

macro‐  and microalgae  (Gunn  2007). MHT  seaweed  biomass  they  focus  on  sea‐based  cultivation  and 

conversion to methane gas and bio‐ethanol/butanol (see Mass Cultivation). 

 

40  

 

Fig. 7.3. Macroalgal species. From left to right: Alaria esculenta, Laminaria digitata, Palmaria palmata. 

 

Neighbouring  regions  seems  to  stake on  industrial production  of  seaweeds.  Thus  it may be possible by 

acquiring  the  appropriate basic  knowledge on optimizing  cultivation processes,  to develop  a  large‐scale 

cultivation of seaweed species in Denmark for bioenergy and other biomass components? In the following 

we will evaluate the potential and need for optimizations as well as knowledge of a feasible production of a 

macroalgal sourced bioenergy in Denmark. 

 

Species and growth potentials; which species are suitable for cultivation in DK?

Irradiance, temperature, nutrients, grazing and stand density are the most important parameters affecting 

biomass production  in  the  sea. Parameters, which affect photosynthesis, affect productivity. Macroalgae 

show variations over day and season in photosynthetic rate, as well as variation in pigmentation related to 

light conditions, such as shading or with increased depth (Dring 1986). Photosynthetic rates also depend on 

interconnected  external  parameters  as  nutrients,  CO2  availability  and  water  motion,  and  biological 

parameters such as age and species (strain). The photosynthetic rate can be enhanced up to 4 times that in 

still water by increased water motion. Rapid water motion facilitates the availability and uptake of CO2 and 

nutrients  by  the  macroalgae  enhancing  the  photosynthetic  rate  together  with  the  flashing  light 

phenomenon (Leigh et al.  1987, Gao & McKinley 1994, and references herein, Grobbelaar 2008) (see also 

Yield Optimization for Microalgae Production Systems). 

 

Countries in temperate to arctic climates such as Canada, Faroe Islands, France, Greenland, Iceland, Ireland 

and Norway and North America, which have oceanic waters as well as rocky coasts, have a high occurrence 

of kelp species and kelp forests (Table 7.1). Despite of a relatively low level of irradiance, due to adaptation 

and acclimation these macroalgae utilizes light so efficiently that they build up large biomasses. 

 

Kelp  species  are well‐adapted  to  short  light  seasons  by  an  ecological  strategy  of  these  perennial  kelps, 

which  synthesize  and  store  reserve  products  in  summer  and  remobilize  them  for  growth  in winter  and 

spring making them capable of initiating growth under suboptimal light conditions (Bartsch et al. 2008). 

 

Country  Species  Biomass (kg m‐2)  References 

Canada  Saccharina longicruris  8  Sharp et al. (2008) Greenland (SW)  Alaria esculenta +              

Laminaria nigripes 8  Wegeberg (2007) 

Ireland  Laminaria hyperborea  19  Werner & Kraan (2004) Norway  Laminaria hyperborea  20‐30  Steen (2005) 

          Table 7.1. Maximal biomasses of kelp species in the North Atlantic. 

41  

A  specimen  collected  at  the  North  coast  of 

Zealand, Denmark,  in  April  (Fig.  7.4) was  90 

cm long consisting of the old blade at the top 

and  the  new  blade  from  present  year’s 

growth at basis, already 45 cm long. 

 

  

Fig.  7.4.  Saccharina  latissima  collected  at Tisvilde, Denmark, 21st March 2009. Bottom‐right; new blade, top‐left; old blade. 

Therefore the relative number of red, brown and green algae species changes with latitudes. From tropical 

to  cold  temperate  regions  the diversities of  red  and  green  algae  are drastically  reduced  and  the brown 

algae begin to dominate also expressed in an index showing the relationship of red (R), brown (P) and green 

algae (G) (R:P:C), which  is 1.0:1.6:1.0  in Greenland and 1.4:1.2:1.0  in the Baltic Sea Area (based on Lüning 

1990, Nielsen et al. 1995, Pedersen 1976). 

 

The  acclimation potential  of  some  species,  such  as  Saccharina  latissima,  to  different  irradiances  is  very 

high. Photoprotection enables photosynthesis to acclimate both to high and very low irradiances (e.g. 1100 

‐ 5 μmol m‐2 s‐1, respectively). Furthermore, respiration rates decrease under low light conditions, lowering 

the light compensation point to about 2 μmol m‐2 s‐1 so that photosynthesis is balanced even during periods 

of, for example, ice cover (Bartsch et al. 2008, and references herein). 

 

Growth rates 

Growth rates of kelp species can be very high  in the  light season with a  length  increase of 2 cm d‐1  in the 

exponential growth phase (Mortensen & Wegeberg 2007). 

 

In a pilot‐cultivation study of Alaria esculenta in the Faroe Islands the mean length reached approximately 

1.5 m after 3.5 months of growth. The maximal  individual  length reached 270 cm within the  investigation 

period  (Mortensen  &  Wegeberg  2007)  (Fig.  7.5).  In  the  North  Sea,  testing  design  for  cultivation  of 

Saccharina  latissima, the cultivated plants reached a mean  length of 1.5‐2.0 m within one growth season 

(February to June) (Buch & Buchholz 2004) (Fig. 7.5). 

 

Estimating growth rates of the pacific kelp species, Eisenia arborea, showed that, comparing growth rates 

expressed as length increase and weight increase, the weight increase was up to 3 fold the length increase 

(Zertuche‐González et al. 2008).  It was  therefore  concluded  that previous estimates of  the growth of E.  

arborea in Mexico based on total length might have been underestimated. 

 

Thus  an  obvious  choice  when  producing  large‐scale  macroalgal  biomasses  in  the  North  Atlantic  will 

therefore be cultivation of kelp species, such as especially Alaria esculenta and Saccharina  latissima, but 

also Laminaria digitata and Sacchorhiza polyschides, being  screened by  ISC and SAMS,  respectively, may 

also prove to be potential candidates. 

42  

Fig. 7.5. Kelp species biomass yield within on growth season of 1) Alaria esculenta in the Faroe Islands, and 2) Saccharina latissima in the North Sea (after Mortensen & Wegeberg (2007) and Buch & Buchholz (2004), respectively).  

Mass cultivation and biomass yield of seaweeds in tanks

When cultivation of seaweeds is conducted in tanks, it usually is for high quality products as Porphyra (Levy 

2008) or  for bioremediation of effluent water  from aquacultures of, e.g., oysters  (Lüning 2008), abalone 

(Robertson‐Andersson et al. 2008) and as animal (abalone) feed. 

 

For  the  bioremedative  effect  of  the  macroalgae,  benefitting  the  recycling  of  water,  tanks  may  be 

interconnected with water pipes  and  aerated  individually.  The  residence  time of  the water  is  regulated 

according to the turbulence of the aeration. The air diffusers make the algae culture rotates for enhanced 

nutrient uptake and flashing light effect (Pang & Lüning 2004) (Fig. 7.6). 

 

Sylter  Algenfarm,  Germany,  produces  four macroalgal  species,  Saccharina  latissima,  Palmaria  palmate, 

Soliera chordalis and Gracelaria vermiculaphylla, integrated in oyster culture on test‐scale (Lüning 2008) for 

human  nutrition  or  as  raw  material  for  the  cosmetics  industry  (Fig.  7.7).  The  tanks  are  placed  in 

greenhouses with re‐circulated water. 

 

 

Fig.  7.6.  Tumble  culture  of  macroalgae  using specialized tanks. A) Longitudinal section with a pipe  as  air  diffuser  at  bottom.  B)  Transverse section of  tank. C) Tumble  culture of Palmaria palmata, Irish Seaweed Centre. Photo: K Sjøtun.  

Figure continues next page 

  

 

A

43  

   Fig. 7.6, continued. 

 

 

 

 Fig. 7.7. Sylter Algenfarm producing four species; one brown kelp, Saccharina latissima, and three red algae, Gracelaria vermiculaphylla, Palmaria palmata and Solieria chordalis. After www.algenfarm.de.  

 

A production of Pacific dulse (Palmaria mollis) on Big Island, Hawaii, is co‐cultured with abalone in a land‐

based system (Demetropoulos & Langdon 2004) for bioremediation and feed supply. The production of P. 

mollis averages 70 t month‐1. 

B C

44  

In  Israel  NoriTechTM  focuses  on  the  production  of  Porphyra,  the  most  valuable  commercial  seaweed, 

derived  from  land‐based,  scalable,  artificial  ponds,  using  proprietary,  cost  effective  technology 

(www.noritech.co.il), and, according  to Levi & Friedländer  (2008)  the production can prize‐wise compete 

with  the  sea‐based cultivation of Porphyra performed  in, e.g.,  Japan. The production  system  is patented 

(WO/2008/013667),  and  the  invention  claims  to  provide  unique  technology,  systems  and methods  of 

cultivating different types of seaweeds. 

 

In  Ireland  intensive  tank  cultivation  of  Porphyra  spp.  is  under  trial.  The  project  examines  the  different 

factors affecting the vegetative growth of P. dioica in indoor tank cultures under controlled conditions, and 

a  small‐scale demonstration unit  is developed  to evaluate  the production  in view of economic  feasibility 

under  Irish  conditions  (Hanniffy &  Kraan  2008).  Also  in USA  tank  cultivating  of  Porphyra  umbilicalis  as 

bioremediation for Atlantic cod production is under trial (Neefus et al. 2008). 

 

The green algae Ulva sp. is cultivated in tanks in Denmark (Fig. 7.8) for the purpose of bioenergy production 

(Rasmussen et al. 2009). According to Rasmussen et al. (2009), the production of Ulva  is estimated to an 

average of 45 t dry weight/ha on annual basis (200 days of sufficient light conditions). 

 

 Fig. 7.8. Cultivation of Ulva sp. in outdoor tanks at Danish Shellfish Centre, Nykøbing Mors, Denmark. Photo 

from presentation by PD Jensen, Bioenergidag, 24.11.08. 

Tank cultivation of Ulva spp. is critical because the frequently occurring sporulation events result in loss of 

algal  tissue  (Werner  et  al.  2003,  and  references  herein)  (see  Biomass  Reduction).  This  phenomenon  of 

sporulation and the resulting reductions in biomass was also observed by Rasmussen et al. (2009). 

45  

In Mexico cultivation of Ulva spp. (former Enteromorpha spp.) was performed in ponds and in open water 

in the Bay of La Paz for evaluation of biomass production in commercial scale to food and feed industries. 

According to Sánchez et al. (2008) preliminary results showed that cultivation of Ulva spp.  in their studies 

was feasible. However, data are yet not released as well as the cultivation methodology in open water. 

 

Sea-based mass cultivation and biomass yield of seaweeds

Most bulk biomasses of seaweed are obtained by sea‐based cultivation on sticks or ropes as known from, 

e.g., China, Japan, Philippines, and in the light of globally rising demand for agricultural land focus has been 

on utilizing resources  from sea. Sea‐based cultivation processes and development of  large‐scale seaweed 

farms may deliver the required supply of biomass for an energy production. Such seaweed farms may have 

a positive  ecological  impact by nutrient  stripping  and provide nursery  grounds  for  fish  fry,  and will not 

involve areas suitable for cereals. 

 

The  protocols  of  sea‐based  cultivation  of  kelp  species  are  known  and  documented  by  several  authors 

(Blouin et al 2007, Buch & Buchholz 2004, Lüning & Müller 1978, Lüning & Pang 2003, Kraan & Guiry 1998, 

Mortensen & Wegeberg 2007, Shea & Chopin 2007) and goes through following steps (Fig. 7.9): 

 

1. Collection of fertile specimens in winter months 

2. Sporulation and  inoculation;  release of  spores which are added  to enriched  seawater  containing 

items for settling (ex. lines) 

3. Establishment of sporelings; life cycle accomplishment under specified laboratory condition 

4. On‐grow of sporophytes in sea from February/March until harvest in summer 

5. Harvest 

 

 

Fig. 7.9. Production cycle of kelp species. For a detailed description of  cultivation of  Laminaria digitata  and  Saccharina  latissima  in  Denmark, see Wegeberg (2010). 

 

 

Designs and harvest of sea‐based cultivation systems 

Several designs of sea‐based cultivation methods have been developed and  tested. The most simple, but 

also the most applicable and most commonly used, is the long‐line (Figs 7.10‐13). In Germany and in Ireland 

the grid has been tested (Buch & Buchholz 2004, Morrissey 2003) (Fig. 7.14), and in Germany a cultivation 

ring was developed for cultivation in high‐turbid waters (North Sea) (Buch & Buchholz 2004) (Fig. 7.15). 

46  

The  long‐line and grid are both  systems build up by  ropes of 16‐18 mm  thickness anchored by concrete 

blocks or, for example, in between wind mills (Figs 7.11, 12). For details on mooring gear and establishment 

of long‐lines and grid, see Morrissey (2003) and Buch & Buchholz (2004), respectively. 

 

To harvest  from  long‐lines and grids small boats can be employed. Either  the kelp biomass  is cut off  the 

lines  into  the boats or  the  lines are pulled  into  the boat. So  far no development has been performed on 

optimizing the process of harvesting from long‐lines and grids. 

  

The  off‐shore  cultivation  ring  developed  by  Buch &  Buchholz  (2004)  (Fig.  7.15)  has  proved  resistant  to 

rough weather  conditions  and water  velocities  and  also permits  easy handling.  The  ring  constructed by 

Buch &  Buchholz  (2004)  carried  84 m  of  seed  lines  leading  to  a  harvest  of  approximately  300  kg  kelp 

biomass in wet weight. To harvest the ring construction the rings can be towed to the shore and  lifted by 

cranes, or harvest at sea can be performed by boat‐based cranes. However, the costs of a fully mounted 

ring are quite high, € 1000, as suggested by Buch & Buchholz (2004) (see Scenario for Macroalgae). 

 

                       Fig. 7.10. Model of a floating raft consisting of seed line (red) with cultivated kelp on long line anchored by concrete blocks and kept floating by buoys. After presentation by Kraan & Guiry (ISS 1994).  

Fig. 7.11. Line with cultivated kelp species anchored between wind turbines and kept buoyant by buoys. 

47  

 

 

Fig. 7.12. Long line with a twisted seed line. Saccharina latissima, Denmark. 

Fig. 7.13. Long lines with mature kelp. Saccharina japonica, China. 

 

 

 

Fig. 7.14. Example of grid‐model floating rafts system with  dimension  suggestions. Marker buoys (arrow). After Buch & Buchholz (2004, ladder‐model). 

Fig.  7.15.  Ring‐construction  for  seaweed cultivation. For details, see Buch & Buchholz (2004). 

48  

Identification of optimal locations for sea‐based cultivation 

Identification  of  specific  locations  with  ideal  environmental  conditions  for  optimal  growth  and  yield, 

minimal risks of impact on natural stocks and overgrowth of unwanted organisms is essential for sea‐based 

mass cultivation of macroalgal species. 

 

Following parameters have to be taken into account: 

 

Level  of  exposure/wave  action  is  important  to  consider  as  a  cross  point    of  ensuring  good  water 

exchange  and  thereby  continuous  nutrient  supply  and  level  of mechanical  stress  on  the  cultivated 

species as well on the mooring system. 

Water depth  is essential  in several ways;  too shallow sites with soft bottom may cause high siltation 

and  suspended  solid  load causing  lower  light conditions as well as  sedimentation of particles on  the 

kelp biomass; shallow sites with hard bottom may cause shading of natural stands of macroalgae by the 

cultivation  system; very deep  sites will  require more  costly mooring  systems as well as may  lead  to 

nutrient deficiency as cultivated seaweeds in the surface on deep water may lead to nutrient deficiency 

as  the  re‐mineralized  nutrients  from  the  bottom  only  will  reach  the  surface  in  areas  of  natural 

upwelling. The optimal water depths are estimated to range between 5 – 20 m (Morrissey 2003). 

Salinity, especially  in  the  inner Danish waters  (Wegeberg & Felby 2010)  is a major  factor  influencing 

growth potential of macroalgae. Therefore  it has  to be considered carefully  if  the salinity of a site  in 

question  is  optimal  for  the  projected  species  to  be  cultivated.  In  general,  the  best  results will  be 

reached in full strength ≈ 30‐35 psu (Wegeberg 2008, Morrissey 2003) 

Fouling of unwanted organisms such as other macroalgae or mussels, sea‐squirts, hydroids, barnacles, 

which will  decrease  growth  of  kelp  as well  as  constituting  a  problem  for  the  quality  of  the mature 

biomass (see Fouling). 

Bottom type is essential to the anchoring potential, as very soft bottom, for example, will constitute a 

problem for the stability of the mooring system. 

Congested sea areas with many other stakeholders (recreational, fishing) might need to be avoided. 

 

According to B. Buch (pers. comm.) optimal  locations are very  local, even  in the North Sea, and therefore 

efforts have to be invested in identifying these optimal sea areas for kelp cultivation. 

 

Fouling 

Unwanted organisms may  constitute  a major problem on  cultivation  ropes  as well  as on  the  cultivated 

macroalgal biomass. Both animals as well as other macroalgal species are known to foul on the available 

substratum, which the cultivation system provides (for actual infestations and diseases, see Biomass Yield). 

 

Macroalgae  species, most  often  of  the  filamentous  types  (species  of  Ectocarpus,  Pylaiella,  Sagassum, 

Ceramium,  Polysiphonia),  constitutes  competitors  for  light  and  nutrients  leading  to  decrease  in  growth 

rates and final biomass yield. The epiphytic macroalgae may not threat the quality of the mature biomass 

unless they appear in dominating masses. 

 

49  

As macroalgae often are cultivated in proximity to mussel farms mussel spat settlement on the macroalgal 

mooring gear may constitute a problem on the weight on the mooring system (Morrissey 2003) as well as 

on the quality of the mature algal biomass. The same problem is constituted by other fouling organisms as 

tunicates  and  hydroids,  which  also  was  experience  in  connection  with  a  pilot  project  on  cultivating 

Laminaria digitata and Saccharina  latissima at a   mussel farm  in the Limfjord (2010); the cultivation  lines 

with relatively well‐developed kelp was  in  late spring/early summer completely fouled by sea squirts and 

hydroids. 

 

Also Buch & Buchholz  (2004) observed heavy  fouling  in  testing cultivation systems  in a harbour. Actually 

the  fouling  of  especially  sea  squirt  (Ciona  intestinalis) was  so  heavy  that,  in  the  end, many  algae were 

basically reduced to the meristematic area leading to a negative growth rate. 

 

Localities with high water velocities as well as  lower nutrient  load, e.g. the northern part of Kattegat and 

the North Sea, will probably not experience the same degree of animal fouling, as wave action may knock 

away the enemies of the seaweeds and also prevent grazers to feed on them (Leigh et al. 1987). 

 

Comparison of sea‐based cultivation biomass yields 

As sea‐based cultivation seaweeds on a commercial scale  is premature  in our part of the world not many 

data are available on the actual yield obtained on sea‐based cultivation systems. 

 

In  Table  7.2  comparative  available  cultivation  data  on  the  kelp  species,  Saccharina  latissima,  from  the 

temperate Atlantic are presented. 

 

Country  kg m‐1 rope  kg m‐2  t ha‐1  References 

Denmark (Great Belt)  5  12  1202  Birkeland (2009) Canada  12  351  3502  Chopin et al. (2004) Germany (North Sea)  4  121  1202  Buch & Buchholz (2004) Ireland      9  Kraan & Guiry (2004) “Temperate Atlantic”  28      Ratcliff & Kraan (2008) 

Table  7.2.  Biomass  yields  of  cultivated  Saccharina  latissima  from  relevant  countries.  1Computed  from published data.  2Extrapolated.  

The extreme variation in biomass yields may be due to different inoculation conditions, for example, spore 

density,  spore  viability,  size  of  sporophytes  when  out‐planted,  just  to  mention  a  few  possibilities. 

Furthermore, the  location suitability may be reflected  in the yield as well as  improper extrapolations may 

lead to numbers out of proportion (see Recommendations). 

 

Reductions in biomass yield 

High‐density  commercial  farming  of  macroalgal  monocultures  may  be  plagued  with  diseases  and 

infestations  of  algal  epiphytes  leading  to  reduction  in  biomass  production.  Several  cases  have  been 

reported for green, red and brown macroalgae. 

 

 

50  

Red rot disease 

Red  rot  disease  (in  Japanese:  Akagusare)  of  Pophyra  caused  by  Pythium  porphyrae  is  one  of  the most 

destructive fungal diseases affecting Porphyra cultivation farms in Japan and Korea. The causative organism 

of  this  disease  is  spread  by  fungal  zoospores  released  into  seawater. When  the  zoospores  attach  to 

Porphyra thalli, they grow hyphae and kill the algae within a few days along with release of a large number 

of new zoospores (Park et al. 2001, and references herein). 

 

Therefore, in order to reduce the incidence of red rot disease in cultivation farms, it is important to detect a 

small amount of zoospores in seawater before onset of infection. Park et al. (2001) tested specific primers 

in detection of  the  red  rot disease  fungi Pythium  spp. by polymerase  chain  reaction  (PCR). Their  results 

supported that using the primers, PP‐1 and PP‐2, against P. porphyrae and P. marinum parasitic to Porphyra 

is effective and sensitive for detection of hyphae and germ‐tubes of zoospores in the early infection as well 

as non‐germinated zoospores in seawater before infection. 

 

To prevent red dot disease in Pophyra cultivation farms an acidic fungicide treatment is applied (Park et al. 

2008). 

 

The red rot disease is also known in terrestrial crops but caused by other species of Phytium. 

 

Pinhole disease 

Pinhole  disease  is  known  from  cultivated Undaria  pinnatifida,  a  brown macroalga,  in  Korea  (Park  et  al. 

2008). The disease  is characterized by numerous small holes  in the thallus of the alga, and  infected algae 

are not considered to be suitable for human consumption. It is called a disease although the pinholes are a 

result of grazing by species of phytal copepods, but the macroalga react by the cells on the periphery of the 

excavated pinholes contained more pigment than normal cells in un‐infested parts of the plants (Fig. 7.16). 

 

Fig.  7.16.  Undaria  pinnatifida  with  pinhole disease  caused  by  phytal  copepods.  The  area encircling  the  pinholes  is  more  heavily pigmented than normal thallus. After Park et al. (2008). 

 

Epiphytes 

Floral  and  faunal  epiphytes  are  common  in  natural macroalgae  beds,  but may  constitute  a  problem  in 

connection with cultivated macroalgae if in amounts causing an actual infestation. 

 

Algal epiphytes 

Farms of a red alga, Kappaphycus alvarezii, for carrageen  in the Philippines regularly experience epiphyte 

outbreak of species of Neosiphonia (Fig. 7.17) (Vairappan et al. 2008). These infections may lead to reduced 

production and in some cases to collapse of crop. 

 

51  

In  2005  a  bad  infection  led  to  a  desperate measure  to  safe  the  industry  by  importing  new  seedlings. 

However due to  insufficient monitoring as well as quarantine these efforts resulted  in an  introduction of 

yet another species of Neosiphonia, N. apiculata. This new epiphyte has caused severe outbreaks of with 

dense  epiphyte  coverage,  secondary  infections  by microbes  (“ice‐ice”  infection)  and  breaking‐off  of  the 

seaweed thallus of K. alvarezii. 

 

Fig. 7.17. Kappaphycus alvarezii infested with the epiphyte Neosiphonia. After Vairappan et al. 2008. 

 

 

Cultivating  the  green  macroalga  Ulva  in  culture  tanks  integrated  in  an  abalone  farm  in  South  Africa 

infestation  of  a  brown  algal  epiphyte  Myrionema  stangulans  has  been  reported  (Bolton  et  al.  2008, 

Robertson‐Andersson et al. 2008). 

 

M. strangulans occurs naturally in wild populations of Ulva spp. It persists as spots, numbering between 5 

and 10 on the holdfast section. The spots are brown regular discs, 1 ‐ 3 mm in diameter. 

 

In Fig. 7.18 the effects of a M. strangulans infestion are presented. Typical effects on Ulva thalli in culture 

are that the M. strangulans spots  increase  in number and move over the entire thallus surface. The Ulva 

thallus becomes thinner and yellow in colour. Then, due to some unknown process (as M. strangulans is an 

epiphyte with no endophytic filaments), the host thallus breaks up into pieces of 1‐3 cm in diameters. Once 

this has happened, the culture populations never recover. 

 

 

  

Fig. 7.18. Ulva without and with infestation of Myrionema  strangulans.  After  D.  Robertson‐Andersson (www.botany.uwc.ac.za) 

 

52  

According  to  a  net‐based  article  by  D.  Robertson‐Andersson  (www.botany.uwc.ac.za) M.  strangulans  is 

called The Brown Strangler! 

 

Infestation is particularly prevalent in culture tanks that are carbon limited due to low water exchange rates 

or  in  tanks  that have a high pH. Pulse  fertilization and  improved water exchange  rates  (12  ‐ 20 volume 

exchanges per day) appear to control or minimize the infections. 

 

It  is  listed  as  being widespread  in  temperate  seas.  Its  infection  and  subsequent  decimation  of Ulva  in 

culture means that cultivating Ulva one needs to be able to recognize and treat infestations rapidly before 

they become too severe. 

 

Faunal epiphytes 

Tamigneaux et al. (2008) experienced colonization of the  invasive bryozoan Membranipora membranacea 

on kelp blade and  stipe  in Quebec, Canada. The  cover of  the  thin  incrusting bryozoan  led  to  loss of  the 

blades in 68% of plants. They therefore recommend setting up cultivation and harvesting before settlement 

of bryozoans larvae in, in this case, July. 

 

Sporulation 

As already mentioned sporulation may result in loss of biomass, and is a phenomenon known for especially 

green  parenchymatic  macroalgae,  like  Ulva  spp.  and  Monostroma  spp.  In  these  species  reproduction 

involves transformation of somatic cells to sporangia (Wegeberg & Felby 2010). 

 

To overcome the problem of repeated sporulations illumination by low light throughout dark‐phase can be 

installed (Werner et al. 2003, and references herein). Ulva gets reproductive about every 2 weeks near full 

or new moon  in a semi‐lunar  rhythmicity depending on season  (Lüning et al. 2008). By applying artificial 

light during dark‐phase the endogenous clock  is disturbed. Sporulation may still occur but  is restricted to 

small portions of the blades. See Lüning et al. (2008) for more details. 

 

A more elegant and cheaper solution to the problem would be to produce non‐sporulating varities through 

selection of natural non‐fertile ecotypes and breeding. But  compared  to  terrestrial  crops and plants  the 

breeding programmes are still in their infancy. 

 

Storage and down-stream processing

After harvest before  conversion  to energy  the biomass may need  to be  stored. Not much  knowledge  is 

provided on this issue. However, Liot et al. (1993) studied the microbiology and storing life of fresh edible 

seaweeds. They concluded  that  the  seaweeds could be  stored  in  the cold  (4°C) up  to 14 days and  these 

compare  favourably with stored  fresh vegetable such as  lettuce. The use of tap water to wash seaweeds 

quickly altered their quality, whereas seawater washing resulted in low microbial densities during storage. 

 

Arramara Teoranta is an example of how seaweed biomass is down‐stream processed (Fig. 7.19). The old, 

low‐tech factory is placed in Connemara in Ireland, and processes natural harvested Ascophyllum nodosum. 

On an annual basis  they process 20.000  tons of Ascophyllum‐biomass. They dry and mill  the biomass  for 

53  

feed supplements for domestic animals and aquaculture as well as fertilizers. The products are exported to 

12 different counties. When the seaweed arrives in large lorries the seaweed biomass is stored outside only 

for a few days before processing is needed.  

 

Fig. 7.19. Seaweed processing at the seaweed factory Arramara Teoranta in Connemara, Ireland. 

 

Desiccated seaweed should be stored only for few days or in the cold. An alternative could be to leave the 

harvested  seaweed  biomass  in  the  sea  in  great  nets  until  use  or  to  harvest  when  needed.  However, 

weather and/or fouling may constitute a problem  in both cases and trial will be required to confirm their 

appropriateness. 

 

Recommended reading

Buch  BH,  Buchholz  CM.  2004.  The  offshore‐ring:  A  new  system  for  the  open  ocean  aquaculture  of 

macroalgae. Journal of Applied Phycology 16: 355‐368. 

 

Werner A, Clarke D, Kraan S. 2003. Strategic Review of the Feasibility of Seaweed Aquaculture  in  Ireland. 

Marine Institute, Technology Park, Parkmore, Galway, Ireland (www.marine.ie/marinertdi). Report, 120 pp. 

54  

8. Possibilities for improvement of macroalgal production systems  

When  the optimal species and optimal  localities  for cultivation  in Denmark are  identified, what can  then 

optimize the macroalgal biomass production? 

 

1. Strain selection/breeding? 

2. More efficient production and harvest technologies? 

 

Species/strain screening

Characterization and screening of species and genotypes for biomass production regarding productivity and 

yield of biomass components including bioenergy performance has only been conducted in limited extent. 

 

In  China molecular  studies,  amplified  fragment  length  polymorphism  (AFLP)  analyses,  have  shown  that 

natural populations of Saccharina japonica, now under cultivation in China, are genetically mixed in nature 

and have a high level of hybrididzation (Li et al. 2008). Some varieties have undergone several generations 

of  inbreeding  (5‐15),  selection and X‐ray  treatments, and are characterized by higher growth  rate  (frond 

elongation)  at  higher  temperatures,  higher  iodine  content  and  lower water  content  resulting  in  higher 

productions  than natural populations. Large‐scale cultivation showed  that  the production of  these breed 

varieties was 8‐40% higher than that of control (Wu & Pang 2006). 

 

Also methods for strain selection of Alaria esculenta has been developed (Kraan & Guiry 1998), and it has 

been shown for A. esculenta in Ireland that genotypic variation caused differences in relative growth rates 

(Kraan et al. 2000). 

 

The significant salinity gradient  in the Danish  inland waters provides unique environmental conditions for 

the possibilities of seaweed breeding. Several brown seaweed species adapt to temperatures and salinities 

and thereby establish ecotypes with genotypic variation (e.g. Kristiansen et al. 1994). These ecotypes may 

provide a natural resource for breeding according to optimizing growth rates and contents of attractive cell 

components. 

 

AFLP  analyses,  did  not,  however,  reveal  any  differences  between  different morphotypes  of  Laminaria 

digitata  and  Saccharina  latissima  from  Danish  coastal  waters  (Erting  et  al.  2004).  Differences  in 

morphology, established as morphotypes, may be expected,  though,  to be a  result of  the  level of water 

velocity  and  not  a  result of  genotypic  variation. However,  comparison of morphotypes  as  a  function of 

water velocities was not included in the investigation. 

 

55  

Sporophyte density

Biomass  yield  can  vary  with  stand  density.  When  the  density  is  high,  light  availability,  nutrients  and 

inorganic carbon sources become limited. Optimal density for maximal yield of, e.g., a natural Macrocystis 

pyrifera population  in central California has been estimated at 5‐6 kg m‐2  in wet weight  (Gao & McKinley 

1994, and references herein. 

 

However, when it comes to sea‐based production of kelp species the ideal density of sporephytes has not 

been  investigated.  It  should  leave  sufficient  space  for  the  individual  macroalga  to  grow  and  develop 

optimally  according  to  light  and  nutrient  conditions  but  also  deny  space  for  smothering  of  unwanted 

organisms that compete for substrate.  

 

Buch &  Buchholz  (2004)  did  not,  either,  estimate  the  optimal  spore  density  in  their  tests  of  different 

cultivation  systems  and  localities.  They  conclude  that:  “Optimum density of  sporophytes on  the  culture 

lines is still unknown and requires further well‐designed investigations. “ 

  

Such investigations can be studies of different spore concentrations in the line‐seeding process at different 

conditions. 

 

Reed  (1990)  studied  the effects of  spore density on kelp  recruitment  in a natural habitat, and obtained 

results that indicated that a settlement of at least 1 spore mm‐2 is necessary for successful recruitment of 

two kelp species from the Pacific Ocean (Macrocystis pyrifera and Pterygophora californica) to macroscopic 

sizes. This minimum density may be determined  in part by  the maximum distance  separating male  and 

female  gametophytes  at  which  fertilization  is  still  possible.  Fertilization  in  kelps  is  enhanced  by  a 

pheromone emitted  from  the egg  that  triggers both  the  release and attraction of  sperm  from  the male 

gametophyte (Wegeberg & Felby 2010). Laboratory studies indicate that the range of attraction of an egg 

emitting  the  pheromone  does  not  exceed  1 mm  (Reed  1990,  and  references  herein).  Reed  (1990)  also 

found  that  although  the  proportion  of  female  gametophytes  producing  sporophytes  was  negatively 

correlated with spore density in all experiments, higher densities of settled spores often resulted in greater 

numbers of sporophyte recruits (Table 8.1). 

 

Table 8.1. Settlement densities of pores on  glass  and  rock  in  laboratory  using three different concentrations of spore suspensions  for  two  pacific  kelp species.  The  differences  in  settlement densities  among  the  three  seeding concentrations  are  significant.  After Reed (1990). 

 

Although the studies of Reed (1990) do not provide any idea of the range of optimal spore density for kelp 

cultivation,  his  results  are  worth  bearing  in  mind  when  designing  investigation  on  spore  density 

optimization as fertilization of the female gametophyte’s eggs is crucial for development of sporophytes for 

on‐grow in sea. 

56  

Multiple harvests

To achieve higher biomass yield it may be possible to perform more than one production cycle per year. As 

most kelp species are fertile during winter the seeded lines are ready for on‐grow in sea in late winter/early 

spring (Wegeberg 2010). Breaking this seasonal  limitation can be performed  in several ways; by  induction 

of sporogenesis (Pang & Lüning 2004, Lüning 2008) or by resting gametophytes (Lüning & Dring 1978, Kraan 

& Guiry 1998). By manipulating the timing of reproduction it is possible to achieve seed lines ready for on‐

grow  in sea either earlier or  later than those of the natural seasonal cycle opening up for more than  just 

one annual harvest.  

 

Manipulating spore formation 

Breaking seasonal  limitation for year‐round zoospore formation (sporogenesis)  in kelp species  isolation of 

blade parts of kelp species together with certain laboratory conditions is required. By mechanically blocking 

the  transport  of  the  putative  sporulation  inhibitors  produced  by  the  blade meristem  and  culturing  the 

plants in constant short day (8 h light d‐1) sporogenesis was obtained in Saccharina latissima (Pang & Lüning 

2004, Lüning 2008). Sporogenesis was  successfully  induced by  removal of  the blade meristem, either by 

cultivating distal blade fragments or by performing a suitably long transverse cut in the frond (Fig. 8.1). 

 

 

Fig. 8.1. Saccharina latissima. Sorus induction induced by  culturing  fragments  in  constant  short  days.  A) Fragmentation  scheme  showing  the  middle  blade portion  used  for  sorus  induction.  B)  Middle  blade proportion  with  transverse  cut,  being  too  short  for sorus  induction  (left)  or  suitablyy  long  for  sorus induction (right).  After Pang & Lüning 2004. 

 

Hwang et al. (2008) also induced sori formation on isolated discs from distal parts of the blades of Ecklonia 

stolonifera, an important kelp species for food and feed in Korea, in laboratory. 

 

Resting gametophyte cultures 

When  gametophytes  have  been  obtained  from  zoospores  (Wegeberg  2010),  the  gametophytes  can  be 

maintained in the vegetative state in red fluorescent light at an irradiance of 10 μmol photons m‐2s‐1 in glass 

dishes containing sterile enriched seawater (Kraan & Guiry 1998) (Fig. 8.2). Gametophyte cultures grown in 

red light will not become fertile as blue light induces fertility (Lüning & Dring 1978). 

 

The resting gametophytes can be kept stored in red light, which can be obtained just by covering with red 

cellophane, and change of media every month. 

 

A B

57  

For obtaining sporophytes  the  filamentous gametophytes are gently ground with mortar and pestle. The 

few‐celled  gametophytes  fragments  can  be  innoculated  into  tanks  with  seeding  lines  and  the  sticky 

gametophytes fragments will settle on the lines within short time (Lüning 1979). In white flourescent light 

the gametophytes mature and accomplish life history to obtain sporophytes (Wegeberg 2010). 

 

Fig. 8.2. Resting gametophytes of Alaria esculenta in glass 

dishes (After Mortensen & Wegeberg 2007). 

 

 

 

 

 

58  

9. Bioenergy conversion technologies for algae  

From an energy point of view conversion of algae biomass to energy carriers the overall is identical to other 

types of biomass. Thus biomass from micro‐ and macroalgae can be converted into solid, liquid or gaseous 

energy carriers. But there are some major differences in the chemical and physical chemical composition of 

algae as well as their physical composition which make them more or  less suitable for a given conversion 

technology. 

 

In general the most important issues to remember when evaluating bioenergy conversion technologies for 

algae are their high content of inorganics (more than 30% can be found), a low level of fermentable sugars, 

high protein and sulphur content and a potentially very high content of oils. The glycerine has many uses, 

such as in the manufacture of food, in the production of pharmaceuticals as well as a feedstock for biogas. 

 

Algae bio-diesel

The  term  bio‐diesel  covers  a  diesel  type  oil made  from  vegetable  oils.  In  plants  oils  are  found  as  tri‐

glycerides, where  three  fatty acids of different chain  lengths are coupled  to a glycerol molecule by ester 

bonds  (Fig. 9.1). By splitting  the  triglycerides  into  their components via a  transesterification  reaction  the 

single fatty acids can be separated for used as fuel in diesel engines. In principle the plant oils can be used 

directly as diesel fuels, but triglycerides have a high melting point and can be solid at low temperatures. 

 

The amount of glycerol  relative  to  fatty acids depends on  the chain  length of  the acids, but as a  rule of 

thumb the ratio of glycerine to fatty acids is 1:10. The glycerine has many uses, such as in the manufacture 

of food, in the production of pharmaceuticals as well as a feedstock for biogas. 

 

Fig. 9.1. Triglyceride. 

 

The processing of plant oils  to biodiesel  is  technically  simple,  the  transesterification  is  typically done by 

applying a catalyst e.g. methanol at alkaline pH, whereupon the glycerol and fatty acids can be separated.  

 

Algae biodiesel are derived from microalgae only, as macroalgae does not have sufficient high oil content. 

The  production  of  bio‐diesel  from  algae  oil  is  not  any  different  than  for  other  vegetable  oils,  but  the 

composition of  fatty acids  in algae  is not  the  same as  for other plant oils. Algae generally have a higher 

content of polyunsaturated  fatty acids with  four or more double bonds.   These acids are  susceptible  to 

oxidation during storage and are not accepted as motor grade diesel. The problem can be overcome by a 

simple hydrogenation of the oils, similar to the production of margarine. 

59  

From a processing point of view the main difference between algae bio‐diesel and oil crop bio‐diesel is the 

different properties with  regard  to  the applicable methods  for extraction of oil  from  the biomass. More 

than 90% of the oil from seeds can be extracted using a simple mechanical press; this is, however, not the 

case  for microalgae. Microalgae  cell walls  are  very  sturdy  and  do  not  break  upon mechanical  pressing. 

Furthermore the small size of the algae makes it difficult to do mechanical extraction, as the press cake will 

block the oil. Therefore, there are at present no feasible methods for mechanical extraction available. 

 

Several methods  can  be  applied  for  extraction  of  the  algae  oil.  The most  commonly  used method  is 

extraction using organic solvents, typically hexane. The use of hexane for extraction of oils is already done 

at  a  large  scale  in  the  food  industry,  but  it  is  a more  costly  process  requiring  energy  and  chemicals 

compared  to mechanical  processing.  Another  option  is  the  use  of  supercritical  CO2  for  extraction.  The 

process is efficient but supercritical processes have not yet been implemented at such a scale that would be 

required for bio‐diesel oil extraction. Supercritical extraction will require some input of energy (electricity), 

which yet has to be quantified. Extraction using different solvents may be assisted by the use of ultrasound 

to break down the algae cell wall. 

 

From a  commercial point of  view algae biodiesel has a  large potential provided  that algae with high oil 

levels are available. But it does not appear that a feasible process for large‐scale production of algae oil to 

bio‐diesel is available at present. Further development of the technology will be required. 

 

Algae ethanol

The production of ethanol by fermentation of sugars is technically well developed. On commercial scale the 

sugar glucose  is  fermented by ordinary yeast  to produce ethanol. Glucose  is a  so called C6  sugar with 6 

carbon atoms and can be found in a number of different plant sugars of which cellulose, starch and sucrose 

are the most common. New microorganisms capable of fermenting C5 sugars are under development, but 

have not yet reached a commercial scale and applicability. 

 

An important parameter in ethanol production is an ethanol level following fermentation of at least 8 %. At 

lower levels the energy requirement for separation (distillation) of the ethanol rises exponentially. 

 

The potential for production of ethanol from any biomass is dependent upon the presence of fermentable 

sugars. Algae only have a low level of fermentable C6 and C5 sugars, typically below 10%. Therefore it is not 

possible  to obtain sufficient yields  for efficient ethanol production,  just as  the high salt content  requires 

extensive  washing.    It  may  be  possible  to  breed  new  algae  strains  capable  of  higher  production  of 

fermentable sugars, but  it does not seem  likely that the carbohydrate content can be  increased to  levels 

that will provide sufficient ethanol for efficient distillation. 

 

Algae ethanol is therefore neither technically nor economically competitive with current use.  

 

A  radically  different  approach  is  to  develop  cyanobacteria  capable  of  directly  producing  ethanol  from 

photosynthesis. The company Algenol is currently building a large‐scale unit in Mexico and claim to go on‐

line by 2009. Very few details about the process and the biochemistry involved are available.  

60  

Combustion

Efficient combustion of biomass requires a low content of inorganic components as well as of nitrogen and 

sulphur compounds. 

 

The  chemical composition of algae biomass  (see Chapter 4)  shows  that  it  is not a  suitable  feedstock  for 

combustion.  A  high  content  of  sulphur,  nitrogen,  alkali  and  inorganic  compounds  requires  extensive 

cleaning of the flue gas just as fouling of the boilers will be a major problem. Raw algae biomass is thus not 

suitable for heat and electricity production by combustion. Application of algae for combustion will require 

extensive washing and  separation of  inorganics, N‐ and  sulphur compounds  from  the carbohydrates and 

oils. No reports on combustion of algae biomass have been found. 

 

Biogas

Biogas is produced by methanogenic bacterial breakdown of organic matter under anaerobic conditions. It 

is also known as anaerobic digestion or mesophilic  fermentation, and consists of at  least  three bacterial 

processes yielding the main final products methane (CH4) and CO2. A wide range of organic matter can be 

converted  in  a  biogas  reactor, with  lignin  and  cellulose  being  the main  exceptions.  The  processing  of 

biomass  in a biogas  reactor  typically  takes weeks, but  the process as  such  is  robust. The composition of 

biogas varies depending upon the feedstock. Biogas will contain CH4, CO2, H2, N2, O2, H2S and water vapour. 

Typically the methane content of biogas is 55‐75%CH4, 20‐40% CO2 and smaller amounts of the other gases. 

Purification of  the  gas  is  therefore needed  and  several  large‐scale methods  are  available.  Following  the 

conversion to biogas there will be residual liquid and fibre fractions. The liquid fraction typically has a high 

content of salts and nitrogen, whereas the fibre fraction contains the biomass that could not be digested by 

the bacteria. 

 

Biogas  production  from  of  algae  by methanogenic  bacteria  is  probably  the  best  suited  technology  for 

converting both macro‐ and microalgae biomass into a practical energy carrier. 

 

For algae biomass  the high  content of  sulphur  is a  challenge as H2S  is  corrosive and will  require  special 

considerations  in  design  of  the  biogas  plant.  Also  the  high  content  of  silicium  in  algae may  produce 

siloxanes that need to be removed. 

 

The energy content of biogas varies from 16‐30 MJ m3 depending on the feedstock composition and thus 

the final concentration of methane. For algae the yields has been reported to be between 0.15 to 0.65 m3 

kg‐1 of dry biomass. However, the published most of the published reports show somewhat lower yields e.g. 

0.18 m3 kg‐1 using different species (Fernandes et al. 2007) and 0.20 m3 kg‐1 using Ulva (sea lettuce) (Brian & 

Moran 1997). A reasonable average yield from algae biomass is 10 GJ of energy ton‐1 of biomass; this is the 

net yield  including purification. This puts  the biogas yield higher  than manure but  lower  than e.g. clover 

grass or whole  crop  corn,  therefore algae biomass  is not  suitable  to boost  the  conversion of manure  to 

biogas. 

 

The biggest practical challenges with regard  to biogas  from algae are  the residual  fractions. For  the  fibre 

fraction the high sulphur and nitrogen content makes it less suitable for combustion. The liquid fraction will 

61  

have a high content of nitrogen which making  it well suited as a fertilizer, but  in the case of marine algae 

the residual salt could make application in the field difficult. 

 

No technical development has addressed these problems at present, but they need to be solved in order to 

make algae biogas commercially viable.  

 

In general biogas is the currently best suited technology for converting algae biomass into practical energy 

carriers. Some design considerations are needed for the biogas plant but for the digester itself there are no 

major technical constraints. However, more development  is needed with regard to the residual fibre and 

liquid fraction. It has not been tested if the liquid fraction is suitable as fertilizer or if the fibre fraction can 

be combusted, therefore more knowledge is needed in order to evaluate the full potential of algae biogas.  

 

Thermo-chemical processing

Algae  biomass  can  be  processed  using  thermochemical  processes,  no  different  from  those  applied  for 

conversion  of  biomass  residues.  This  may  include  pyrolytic  cracking  or  gasification  and  subsequent 

reforming of the syngas. The products from these processes are a crude bio oil or synthetic diesel oils, he 

latter also known as biomass to liquid (BtL) diesel.  

 

Patil et al. (2008) describe hydrothermal  liquefaction as an efficient option for converting wet biomass to 

oil. Hydrothermal technologies are broadly defined as pyrolysis at 200‐600 C and pressures of 5‐40 MPa in 

liquid or supercritical water (Peterson et al. 2008). The bio‐oil produced by such a process will have a high 

content of organic acids and the shelf life will be short, as the unrefined oil will undergo further oxidation. 

Therefore it will require further processing by purification and hydrogenation in order to produce a suitable 

fuel. 

 

Patil et  al.  (2008)  suggest  that  the moist biomass  can be heated by microwave power  as performed by 

Bohlmann et al. (1999) on sewage sludge, but from a processing point of view the large amounts of electric 

power required will probably make this too expensive. 

 

Minowa  et  al.  (1995)  liquified  algal  cells  of Dunaliella  tertiolecta with  a moisture  content  of  78.4%  by 

termochemical  liquefaction. At 300°C and 10 MPa the oil yield was about 37%, and the oil calorific value 

was comparable to that of fuel oil.  

 

In Switzerland Haiduc et al (2008) are developing: “an innovative process (SunChem) for the production of 

methane via hydrothermal liquefaction and gassification of microalgae.” The process consists of five steps: 

 

1. Photosynthetic production of biomass in photobioreactor 

2. Mechanical dewatering (to 15‐20% dry weight) 

3. Hydrothermal liquefaction of biomass sludge and salt separation for reuse of nutrients 

4. Catalytic hydrothermal production of CH4 

5. CO2 separation from the product gas and recycling to the photobioreactor 

 

62  

The Swiss group is currently working towards demonstrating the technical and economical feasibility of the 

SunChem process for sustainable production of CH4 (Haiduc et al. 2008). 

 

The process may be an economic alternative to other harvest and conversion technologies depending on 

the extent to which otherwise necessary costs for harvest, drying and conversion can be dispensed with. 

 

Microalgae for H2 production

A  different  technology  for  producing  energy  caariers  from  algae  is  the  photobiological  production  of 

hydrogen. Prince & Khesghi (2005) present a review of photobiological production of hydrogen. 

Prince  &  Khesghi  (2005)  describes  how  cyanobacteria  and  microalgae  emits  hydrogen  only  in  small 

amounts under normal photosynthetic conditions. But many microalgae and cyanobacteria can synthesize 

enzymes  (nitrogenase,  hydrogenases)  that  can  reduce  protons  to  gaseous  hydrogen.  These  enzymes 

provide  proton‐reducing  activity  and  actively  evolve  H2  if  provided  with  reductant  (e.g.  N2).  Thus  the 

presence of hydrogenase or nitrogenase will divert electrons  to  these enzymes and produce H2. From a 

biochemical point of view the advantage is that the formation of H2 it is not limited by the slow CO2 fixation 

rates but build upon  the much  faster  light harvesting  complexes. For more details  see Prince & Khesghi 

(2005). 

 

Production  of H2  involves  some  of  the  same  barriers  as  those  for  lipid  production;  the  photosynthetic 

efficiency  and  mass  cultivation.  Furthermore,  production  of  H2  will  imply  sterile  photobioreactors  to 

minimize the biological consumption of hydrogen. 

 

Some efforts have been  focused on H2 production using  the green microalga Clamydomonas  reinhardtii. 

Lehr  et  al.  (2008)  and  Torzillo  et  al.  (2008)  investigated  the  possibilities  of  optimizing H2  production  as 

hydrogen  photoproduction with  C.  reinhardtii  is  sustained  by  depriving  the  cultures  of  sulphate.  They 

tested switch from growth to H2 production phase with controlled sulphur feeding and aeration as well as 

flashing light effects. 

 

If  photobiological  hydrogen  production  is  to  achieve  commercial  success,  it  must  use  solar  photons 

efficiently. According to Prince & Khesghi (2005) the highest photon efficiency of the energetic systems of 

hydrogen evolution is approximately 40% and they suggest several prospects of cell engineering to bring up 

the  photosynthetic  efficiency  by  bringing  down  energetic  costs.  See  Prince &  Khesghi  (2005)  for more 

details. 

 

63  

10. Sequestration of CO2, NOX and SOX  

As any other photosynthetic organisms algae are capable of fixating CO2 from the atmosphere. Therefore 

they present an opportunity to serve as carbon sinks and an approach to CO2 sequestration is to use plant 

biomass, with a relatively long residence time, e.g. wood to fix CO2. It has also been suggested to use large, 

perennial kelp species  in  the sea  to  increase  living plant biomass  in  the sea  (Fei et al. 2007).  In order  to 

meet the CO2 sink purpose some kinds of artificial  large facilities should be constructed and cultivation of 

long‐living  kelp  species  without  blade‐change  as,  for  example  suggested,  Sargassum  spp.,  has  to  be 

developed. However, the scale of such systems would be very  large, and the use of algae biomass as CO2 

sink should only be seen as a side effect of biomass production for energy. 

 

Growth rates and CO2 uptake

To estimate the sequestering effect of algal biomass on CO2, one has to take into account that the uptake 

rates as well as the ability to take up dissolved inorganic carbon (DIC) as eitherCO2, HCO3‐ or CO32‐, may be 

specific or even  strain‐specific  (Gao & McKinley 1994, Douskova et al. 2009),  in  the  case of macroalgae, 

depending on the presence or absence of extracellular carbonic anhydrase (CA) (Gao & McKinley 1994), for 

more details, see Gao & McKinley (1994). 

 

Chiu et al. (2008, 2009) tested the growth rate and  lipid accumulation of the microalgal species, Chlorella 

sp. and Nannochloropsis oculata, respectively, cultivated at different CO2 concentrations. They found that 

at a 2% CO2  concentration  the optimal CO2  removal efficiency was  reached  for Chlorella  sp.  (Chiu et al. 

2008)  as well  as  the maximal  biomass  and  lipid  productivity was  reached with  2%  CO2  aeration  for N. 

oculata (Chiu et al. 2009). 

 

For macroalgae studies have shown  that  to CO2 saturate photosynthesis concentrations of up  to 5  times 

that of  the  ambient  for ordinary  air were needed  for  a number of macroalgal  species  (e.g., Cladophora 

rupestris, Macrocystis pyrifera, Gracelaria sp., Ulva lactuca) (Gao & McKinley 1994, and references herein). 

 

A better understanding of the use of inorganic C by algae under elevated CO2 concentrations is important 

for predicting the effects of CO2 on biomass production, and thereby the CO2 bioremediation effect. 

 

Flue gas as CO2 source

Douskova et al. (2009) tested flue gas originating from a municipal waste incinerator (MWI) as a source of 

CO2 for the cultivation of a microalga, Chlorella vulgaris, in order to decrease the biomass production costs 

and  to  bioremediate  CO2  simultaneously.  Flue  gas  emission  limits  from MVIs  are  very  strict,  in most 

parameters by over an order of magnitude lower than those valid for the coal‐fired power plants. 

 

For most microalgae cultivation the optimum concentration of CO2 in the gas mixture is 2%, as also shown 

by Chiu et al. (2008, 2009)  (see above). However, the strain of Chlorella vulgaris used by Douskova et al. 

64  

(2009) allowed its cultivation directly on the cooled flue gas containing 10‐13% of CO2, and showed a higher 

growth rate than the growth of the control culture grown under conditions usually regarded as optimal. 

 

Acién and co‐workers (Acién et al. 2008, González et al. 2008, Sierra et al. 2008) conducted  investigations 

to elucidate the CO2 fixation of microalgae. They tested a number of cyanobacteria species for their ability 

to fix CO2, and developed a model for predictive control of bioreactor operation for CO2 removal from flue 

gases by microalgal systems. They  found  that  the best  results were obtained  from Anabaena sp., which, 

when cultivated on flue gas containing 10% CO2, reached a CO2 fixation rate of 15‐90 g CO2 m‐2 d‐1 or 1.5 g 

CO2  L‐1 d‐1. 

 

According to Douskova et al. (2009) the toxicological analysis of the biomass produced using untreated flue 

gas showed only a slight excess of mercury while all the other compounds; other heavy metals, polycyclic 

aromatic hydrocarbons, polychlorinated dibenzodioxins and debenzofurans, and polychlorinated biphenyls, 

were  below  the  limits  required  by  the  European  Union  foodstuff  legislation.  Extending  the  flue  gas 

treatment prior to cultivation by active carbon led to an efficient absorption of gaseous mercury and to the 

algal biomass composition compliant with all the foodstuff legislation requirements. 

 

Douskova et al (2009) explain that at the assumed 47% of carbon in algal dry biomass, about 1.72 kg CO2 kg‐

1 biomass is required, which is in accordance with Hall et al. 1991, Sánchez Mirón et al. 2003, Christi 2007, 

Patil et al. 2008, Rodolfi et al 2009, all considering 1 kg of dry algal biomass requiring about 1.6‐1.8 kg of 

CO2.  However,  Douskova  et  al.  (2009)  computed  by  a  mathematically  model,  which  permitted  the 

calculation of optimum flue gas  injection rate  into the photobioreactor containing Chlorella sp. From this 

theoretical  model  on  the  mass  balance  of  CO2  obtained  from  the  flue  gas  stream  and  for  the  algal 

suspension  it  was  estimated  that  about  50%  of  flue  gas  decarbonization  can  be  attained  in  the 

photobioreactor and that 4.4 kg of CO2 is needed for production of 1 kg (dry weight) algal biomass. That is 

about 2.5 fold higher than generally stated (1.6‐1.8 kg CO2 kg‐1 biomass) and definitely needs verification by 

similar studies. 

 

NOx, SOx

It has been  reported  that sulphur and nitrogen oxides  (SOx, NOx), which were present  in  flue gases  from 

power plants boilers,  inhibited  algal  growth,  as well  as  the presence of  these  gases  (at  low  levels)  had 

barely any influence on algal growth (Doucha et al. 2005, and references herein). 

 

Doucha et al. (2005) tested the effect of NOx present in flue gas on the microalgae Chlorella sp. They found 

that the presence of NOx did not inhibit the growth of microalgae as well as the degree of denitrification of 

the flue gas, estimated from NOx absorption  in the algal suspension was about 10% of the NOx content  in 

the inlet gas stream. 

 

65  

The studies of Doucha et al. (2005) and Douskova et al. (2009), although some of their results need support 

by similar studies, are excellent examples of commercial useful research, which actually evaluates some of 

the obvious potential benefits of producing biomass for bioenergy. More studies of this kind are definitely 

required for evaluating this flue gas bioremediation effect, but also others of the non‐evaluated suggested 

potential benefits of using algal biomass for bioenergy. 

 

66  

11. Scenario for microalgal production in Denmark  

In  the  comprehensive work of  the Aquatic Species Program  (Sheehan et al. 1998)  four major difficulties 

associated  with  microalgal mass  culture  for  fuel  production  were  identified  connected  to  open  pond 

systems: 

 

Photosynthesis efficiency for light energy and high lipid production 

Fundamentals of species selection and control in open pond systems 

Mechanisms (and control) of algal bio‐flocculation 

Effects of non‐steady‐state operating conditions on algal metabolism 

 

as  only  a  very  low‐cost  system,  based  on  open  ponds mixed  on  low  velocities  and  using  very  simple 

harvesting process, could be considered in such a production. 

 

They also conclude that even with these rather favourable, though plausible, assumptions, costs would still 

be well above those for current, or projected, oil prices.   These considerations seem still to be valid, and 

given  the  current  state‐of‐the‐art  oil  prices  above  200  USD/barrel would  be  needed  in  order  to make 

microalgae based bio‐fuels competitive. 

 

As no research has been performed in Denmark using open‐pond or photobioreactor systems in open air or 

on best suited microalgal species or strains for optimal biomass production and lipid yield, the scenario will 

present  calculations  on  realistic  data  from  productions  in  Eilat,  Israel, which  actually  are  running.  The 

production of Dunaliella is for production of carotenoid‐rich algae powder for the health product market in 

Asian countries, but  the recently  initiated production of Nannochloropsis will be evaluated  for  its biofuel 

potential (Ben‐Amotz, WSA 2009). At present the total scale of the Dunaliella sale is approximately 100 mill 

$ year‐1. 

 

Prospects  and  limitations  comparing  the  geographical parameters  (temperature, hours of  sunlight, non‐

arable land) of Israel and Denmark will be discussed. 

 

Production and production systems

Open‐ponds  seem  at  the  moment  to  be  the  best  solution  for  microalgal  cultivation,  which  also  was 

supported by Dr Ami Ben‐Amotz at the International Workshop on Offshore Algae Cultivation for Biofuels 

and  Beyond  (WSA),  Lolland,  April  2009.  Dr  Ben‐Amotz  did  not  want  to  discuss  open‐ponds  vs. 

photobioreactor systems, but stated that all commercial productions at present were open‐ponds.  

 

The photosynthetic  limitation of  long‐term algal productivity  leads  to a maximum  theoretical microalgal 

productivity of 25 g m‐2 d‐1 (Table 11.1) (Ben‐Amotz, WSA 2009). According to Ben‐Amotz (WSA, 2009) the 

actual productivity of Dunaliella in Eilat, Israel, is 2‐4 g m‐2 d‐1.  

 

67  

Environmental Factor  Reduction  (%) 

Solar light  ‐  100 

Scattering and eflecting properties of surface  10%  90 

Absorption spectrum (depth of culture)  50%  45 

Photosynthetic efficiency (25%)  75%  11.3 

Light saturation (7‐95%)  60%  4.5 

Respiration, photo‐respiration, excretion  5%  4.3 

Photo‐inhibition  10%  3.8 

Temperature  20%  3.1 

     

  Productivity 

Mean daily solar intensity  4.000 kcal m‐2 day‐1 

Energy production at 3% efficiency  120 kcal m‐2 day‐1 

Algal biomass productivity (5 kcal g‐1)  25 g m‐2 day‐1 

Table 11.1. The theoretical maximum production of microalgae following Ben‐Amotz (WSA, 2009). 

 

 

Up-scaling

Up‐scaling is one of the major bottlenecks in cultivation of microalgae. A successful up‐scaling methodology 

has  been  developed  in  Israel  by NBT  Ltd  and  Seambiotic  in  Eilat.  They  followed  a  step‐wise  up‐scaling 

approach  (see below). This method has  the advantages  that  the  technologies and economics  can  follow 

each other  tightly.  The up‐scaling  is  thus based on  real biological data  at  the  actual  location  as well  as 

present market prices. 

 

The production starts with flask cultures in‐door and then cultivation trials in small out‐door containers 

followed by up‐scaling to open‐pond systems; race‐ways with paddle wheel mixing (Fig. 11.1). The race‐way 

systems also are scaled up from micro bioreactor (200‐300 L), mini bioreactor (3.000‐5.000 L), inoculation 

bioreactor (30.000‐70.000 L) to process bioreactor (200.000‐1.2 mill L). The up‐scaled bioreactors are fully 

technological controlled resulting in low manpower requirements. 

 

 

   

Fig. 11.1. Up‐scaling of cultivation of Nannochlopsis. From left to right: In‐door cultivation of stock‐cultures; Out‐door cultivation of stock‐cultures; Up‐scaling cultivation. 

68  

 

The intensive plant of Dunaliella production (NBT Ltd) is covering 100.000 m‐2, and has been producing 

since 1990. 

 

Costs

According to the calculations by Ben‐Amotz (WSA 2009) (Table 11.2) the heaviest costs in cultivating land‐

based microalgae, besides electricity, are fertilizers, seawater and CO2. 

 

Fertilizers 

Producing  fertilizers  has  energy  costs  resulting  in,  e.g.,  ammonium  costs  track with  oil/gas  prices,  and 

trending upward (Fig. 11.2). Furthermore, fertilizers are not an infinite resource and therefore the fertilizers 

will need to be recycled in a sustainable way (Pate, WSA 2009). 

 

Seawater 

Seawater  is  not  of  the  same  value  as  freshwater,  but  for  land‐based  plants with  large  up‐scaled  open 

bioreactors the supply of seawater is a major production cost. The filtration and chlorination of seawater is 

estimated to $ 0.25 m‐3 (Ben‐Amotz, WSA 2009). 

 

CO2 

The supply of liquid CO2 for optimal microalgal production is another major cost on the budget (Table 11.2) 

as there is a significant loss in the open ponds (Ben‐Amotz, WSA 2009). 

 

  Dunaliella 

NBT Ltd., Eilat 

Seambiotic/IEC Plant 

(estimated) 

  Cost in US$ year‐1 

Manpower     

Electricity ($ 0.125 KW‐1) and residual energy  180.000  30.000 

Fertilizers (N, P, K, Fe) and other chemicals  36.000  36.000 

Domestic land taxes  50.000  10.000 

CO2  150.000  5.000 

Seawater  200.000  5.000 

Freshwater  20.000  10.000 

Other supplies and miscellaneous  30.000  20.000 

Total  1.166.000  236.000 

Yearly production of dry algae biomass  70 tons 

(2 g m‐2 day‐1) 

700 tons 

(20 g m‐2 day‐1) 

Cost per 1 kg dry microalgae  $ 17.00  $ 0.34 

Market price  β‐carotene health food 

$ 4.000 

For bio‐fuel costs should be 

< $ 0.5 per kg algal dw 

Table 11.2. Microalgae production costs. Slide from the presentation of Ben‐Amotz (WSA, 2009). 

69  

 Fig 11.2. Plots showing the trend of ammonium costs are following the oil/gas prices upward.  Even  though  that using  the  flue  gas  for optimizing  the microalgal productivity as well as  saving up  to a 

factor 30 on the CO2 post for cultivation (Table 11.2), the CO2 sequestration obtained by using flue gas  is 

insignificant. The consensus is at present that using flue gas as a source of CO2 for savings is optimal, but it 

will not, though, fulfil the CO2 sequestration needs. 

 

Area needs

For a turnover of 100 mill $ year‐1 on the health market with high‐quality, high‐price products, the land area 

needs  are 10 ha  in  Israel.  For  a  corresponding business on microalgal  cultivation  for bio‐fuels  the price 

needs to be about a  factor 35  lower  ($ 17 kg‐1 vs. 0.5 kg‐1, Table 11.2), and thereby the area needs are 

correspondingly  35  times  higher.  However,  the  concept  of  a  simple  bio‐refinery  is  presented  in many 

connections as an important part of the feasibility of the microalgal production. 

 

Ben‐Amotz  (WSA,  2009)  presented  a  table  (Table  11.3) with  the microalgal  biomass  separated  in  triple 

parts; one third  for  fodder, the protein part; one third  for bio‐diesel, the  lipid  fraction; and one  third  for 

bio‐ethanol, the starch cell contents. Using this concept the fodder part may make land areas now used for 

fodder production available to production for bio‐fuels. 

 

Microalgal Products Commodity Market Potential Value 

33% Protein (feed)  US$ 1.0 kg‐1 = $0.3 

33% Lipids (bio‐diesel)  1.2 US$ L‐1 = $0.4 

33% Carbohydrates (bio‐ethanol)  US$ 1.0 L‐1 = $0.3 

Total   US$ 1.0 per kgalgae  

Fig.  11.3.  Triple  product  concept 

(Ben‐Amotz, WSA 2009) 

 

70  

Potential for energy production

In the short to medium term the only relevant technology for converting microalgae to bioenergy is biogas. 

Under the assumption that we under Danish conditions can achieve a microalgae productivity of 25 g m‐2 d‐

1 we will achieve a yield on a yearly basis corresponding  to 91 t/ha. Converting this  figure  to biogas  (see 

Chapter 9 on conversion) the energy yield will be 910 GJ/ha. This is a 2.5 times higher energy production pr. 

area unit compared to biogas from whole crop corn. However, looking at the estimated cost for producing 

microalgae we will need a substantial cost reduction in order to make energy production from microalgae 

economically  viable.  Further  technological  development  of  algae  bio‐diesel  or  more  efficient  photo 

bioreactors may change this, but at present these technologies are not available   

 

Prospects and limitations

The above example is primary based on an existing production of microalgae biomass in Israel. Therefore, 

to complete the scenario a comparison of geographical factors of the two countries is needed to evaluate 

the potential for economical and ecological feasible microalgae production in Denmark (Table 11.4). 

 

The  large  amount  of  sunlight  and  the  high  salinity  at  Eilat,  Israel, makes  this  area  suited  for  especially 

cultivation of  the halophile and  sunlight  tolerant Dunaliella. Furthermore, mass‐cultivation of microalgae 

utilizes  the non‐arable  land  in southern  Israel  for biomass production. However,  the overly high summer 

temperatures constitute a problem to cultivation (Ben‐Amotz, WSA 2009). 

 

On the contrary, in Denmark the limited hours of sunlight result in a limited numbers of days for growth. 

The relatively low temperatures may, however, have a positive impact on the production costs in, e.g., 

photobioreactors, which main problem is over‐heating.  

 

Conclusively, the potential and size of microalgal biomass production in Denmark in either open‐ponds or in 

photobioreactors may depend on trial. 

 

  Israel, Eilat  Denmark 

Sunlight  ≈ 3000 h year‐1  ≈ 1500 h year‐1 Temperature  > 30 °C in summer  ≈ 20°C Non‐arable land 

Israel is about half the size of Denmark but have the same number of inhabitants.  In south the dessert is unsuitable for crops but suitable for algal cultivation. Only a minor part of this dessert is connected to sea at Eilat. 

   60% of the area is arable land. Therefore non‐arable land is limited. 

Table 11.4. Comparison of geographical factors for Israel and Denmark. 

 

71  

12. Scenario of macroalgal production and conversion  

In this scenario emphasis will be put on sea‐based cultivation as cultivation of, for instance, Ulva lactuca in 

ponds  can  be  obtained  from  the  research  group  on  this  subject  in  Denmark  (contact:  Michael  B. 

Rasmussen, Aarhus University). 

 

Also  for  the  land  and water  saving  issues  the  emphasis  is  put  on  sea‐based  cultivation.  Furthermore, 

controlled  sea‐based  cultivation  of macroalgal  biomass may  have  a  positive  impact  on  the  Danish  sea 

nutrient  levels, which at present  lead to phytoplankton blooms which eventually  lead to dead zones; sea 

areas with  oxygen  depletion  at  the  bottom.  By  cultivating macroalgae  at  sea  and  harvest  the  biomass, 

nutrients are actively removed from this ecological system. 

 

To evaluate the potential of cultivated macroalgal biomass production at sea the species with the highest 

production needs  to be  selected  as well  as data on production  rates per mooring unit  (ex. m  rope‐1)  is 

needed. 

 

From the preliminary results of cultivating kelp species in the Limfjord the best candidate for cultivation of 

the largest biomasses is Saccharina latissima (Fig. 12.1), the species for which growth rates are provided in 

literature. Therefore, the following scenario is based on production of this species. 

 

   

Fig. 12.1. Preliminary results on growth rates of Saccharina latissima and Laminaria digitata in the Limfjord, January to April 2009.  

Area needs

As  the cultivation of Saccharina  latissima  in  the Limfjord will continue  to  June 2009,  the data presented 

here are obtained from the literature: Birkeland (2008), Buch & Buchholz (2004), and data stated by Buch 

(WSA, 2009) (Tables 12.1‐4). 

 

72  

The results obtained on cultivated biomass production of S.  latissima  in the closest proximity of Denmark 

are  in the Danish  inland waters  in the Great Belt  in connection with a salmon farm (Birkeland 2008). This 

work was part of a master thesis and tested the bioremediation impact of S. latissima on the salmon farm, 

Musholm Lax, in the concept of Integrated Multi‐Trophic Aquaculture (IMTA). The results on production are 

presented in Table 12.1. 

 

Author  Months of growth 

Kg m cord‐1  m cord m‐2  Kg m‐2  Kg ha‐1  t ha‐1  ha mill t‐1 

Birkeland (2008) 

6  5,3(1)  2,2/(0,4)  11,66  116.600  116,6(21)  8.576(47.650) 

Table  12.1.  Biomass  (wet  (dry)  weight)  and  area  needs  for  1  t  of  biomass  of  Saccharina  latissima  as cultivated as part of IMTA  in Denmark. Data on wet biomass (kg) m‐1 cord and m cord m‐2 from Birkeland (2008).  

The production results on S. latissima obtained by Buch & Buchholz (2004) was part of testing of different 

mooring systems  in the North Sea and the attachment strength of the kelp  (Buch & Buchholz 2005). The 

most  exposure  withstanding  and most  easy‐handling  system  was  a  ring  construction  (see Macroalgae 

production, Cultivation), and the only offshore construction from which they obtained biomass production 

results. The results are presented in Table 12.2. 

 

Author  Months of growth  Ring area (m2)  Kg ring‐1  Kg ha‐1  t ha‐1  ha mill t‐1 

Buch & Buchholz (2004) 

5  25  300(54)  120.000  120(22)  8.333(46.300) 

Table 12.2. Biomass  (wet  (dry) weight) and area needs  for 1  t  (wet  (dry) weight) of Saccharina  latissima when cultivated in the North Sea. Ring diameter and biomass (wet weight) ring‐1 are obtained from Buch & Buchholz (2004).  

In  connection with a presentation on  the WSA, 2009, Dr. Bela H. Buch was asked about  the amount of 

biomass production on one ring, which he said was 800‐1000 kg of wet biomass (≈ 150‐180 kg dry weight, 

where dry weight constitutes 18 % of wet weight) per 80 m’s of seed  line per ring. This number  is 2 to 3 

times  higher  than  presented  in  the  literature  (Buch  &  Buchholz  2004),  which,  however,  also  seemed 

somewhat low. The results of Buch & Buchholz (2004) from the North Sea equalize the results of Birkeland 

(2008) from the Danish inland waters, but due to environmental factors, such as salinity and exposure, the 

productivity  is expected  to be higher  in  the North Sea. Specimens of S.  latissima  casted onshore on  the 

West coast of Denmark are usually much larger than those to be collected in Kattegat according to Dr Aase 

Kristiansen (pers. comm.). Therefore these newly introduced data are presented in Table 12.3. 

 

Author  Kg ring‐1  Kg ha‐1  t ha‐1  ha mill t‐1 

Buch (WSA, 2009) 

800‐1000 (140‐180) 

320.000‐400.000 320‐400 (60‐70) 

3.125/2.500 (17.500/14.000) 

Table 12.3. Biomass (wet (dry) weight) and area needs for 1 t of biomass (wet (dry) weight) of Saccharina latissima as cultivated  in The North Sea off Germany. Ring diameter and biomass  (kg) ring‐1 are obtained from Buch & Buchholz (2004) and Buch (WSA, 2009).  

73  

Areas  needed  for  production  as  calculated  in  Tables  12.1‐3  have  also  been  calculated  for  5  t, which  is 

considered  as  the  most  wanted  scenario  for  a  secure  supply  of  biomass  for  energy  production.  The 

calculations of needed areas  for 1 and 5  t wet weight kelp biomass,  respectively, are presented  in Table 

12.4. 

 

 

Table 12.4. Calculations of the area needed for 1 mill and 5 mill t wet weight of Saccharina latissima. 

 

To  illustrate  the  area needs  according  to  the  different  biomass data obtained by  the different  authors, 

squares of 3.000, 10.000, 15.000 and 40.000 ha are presented in Fig. 12.2, only for wet weight, though.  

 

5,5 km  

 

  

5,5 km a. 1 t 

3.000 ha 

   

10 km   

c. 1 t 10.000 ha 

10 km 

 

12 km  

 

b. 5 t 15.000 ha 

12 km 

 

 

20 km  

 

d. 5 t 40.000 ha 

20 km 

 

Fig.  12.2.  The  area  required  for  cultivation  of  1  or  5 mill  t  kelp  biomass  (wet weight)  according  to  the different data available  summed up  in Table 12.4; a. 1  t and b. 5  t  (Buch WSA, 2009);  c. 1  t and d. 5  t (Birkeland 2008, Buch & Buchholz 2004).  

  1 mill t wet weight kelp biomass (ha‐1) 

5 mill t wet weight kelp biomass (ha‐1) 

Birkeland (2008)  8.576  42.880 Buch & Buchholz (2004)  8.333  41.665 Buch (WSA, 2009)  3.125/2500  15.625/12.500 

74  

Production costs

The cost will vary according to cultivation methodology and location. Local parameters as exposure (wind, 

currents, tides) decide the amount of anchoring required as well as number of buoys and marking. 

 

It is most wanted to cultivate kelp biomass in the North Sea due to many conflicting interests in the area of 

Kattegat  as  well  as  the  suitable  salinity  in  the  North  Sea.  For  cultivation  in  the  North  Sea  the  ring 

construction presented by Buch & Buchholz (2004) will be suitable due to its robustness to wave exposure, 

and easy handling both off‐ and on‐shore. However, according  to Dr Bela H. Buch  (pers. comm.)  the ring 

construction is much too expensive and he recommended long lines. 

 

Therefore, a  calculation of estimations of  the  costs of a  long  line/grid plant has been performed  (Table 

12.5), as developed for cultivation of kelp species in Greenland (Wegeberg 2008). The original plant design 

was presented by Kraan & Guiry (ISS 1994) (Fig. 12.3). The plant consists of main lines and cords, which is 

seeded with kelp species. The line system is anchored by wires in concrete blocks and held buoyant by large 

corner buoys  (1000L),  smaller middle buoys  (200L) and  cord buoys  (25  L). The actual  investment  is DKK 

60.000 and includes; laboratory equipment (vessels, projectors, pumps, weight, etc.), wires, lines, cords and 

concrete blocks. The running costs are estimated to DKK 15.000 and  include; seed  lines, nutrients, sterile 

filtered seawater, etc. For more details, see Appendix 1. 

 

  Year 1  Year 2 

Seed lines  45.000  15.000 Sea plant  30.000   Total  75.000  15.000 Investments  60.000       

Table 12.5. The costs (DKK) of the seeding lines in the laboratory and the actual plant in the sea for on‐grow. 

  Fig. 12.3. Sea‐based plant design presented by Kraan & Guiry (ISS 1994). For detailed description, see text. 

 

The variable costs of production of 1 t wet weight of kelp according to literature follow in Table 12.6. 

 

Table 12.6. Estimates of the tons‐wise costs (DKK) of kelp biomass cultivated in a line system anchored by concrete blocks. *The conversion factor from wet weight to dry weight is conservatively 5.55 (17‐19 % dry weight in kelp species (Wegeberg et al. 2007)).  

It must be emphasized that the above biomass costs are based on a very simple cost system, and that no 

land‐based or boat facilities as well as labour costs are included. 

  Kelp biomass (t ha‐1)  DKK (t wet weight‐1)  DKK (t dry weight‐1)* 

Birkeland (2008)  116,6  130  700 Buch & Buchholz (2004)  120  125  690 Buch (WSA, 2009)  320‐400  40‐50  210‐260 

75  

Reported production costs 

The above calculated costs are in the range of other known or calculated prices. 

 

A  cost  of  DKK  500  t‐1  has  been  introduced  in  Denmark  by  Thomas  Bjerregård,  Hov,  who  cultivates 

Saccharina latissima at mussel lines for Sylter Algenfarm. 

 

In connection with a presentation of Dr Andrew Ross, Leeds University, on Marine Biomass Potential and 

Limitation  following prices were calculated and presented  for  the macroalgae: US$ 0.045–0.31 kg‐1  (DKK 

225‐1550 t‐1) based on Chynoweth  (2002). Compared to these costs the production costs of wheat straw 

were presented to be US$ 0.04 (DKK 200 t‐1). 

 

To improve costs the productivity and biomass yield might be enhanced by: 

 

breeding on selected strains from Denmark to  improve productivity and biomass yield within one 

harvest 

improving the technology on seeding the lines by manipulation of fertility leading to more than one 

harvest per growth season 

 

Macroalgae potential for energy production

For macroalgae  the only  relevant  technology also  in  the  short  to medium  term  seems  to be biogas. The 

composition  of  the  algae  does  not  allow  for  either  bio‐diesel  or  fermentation  to  e.g.  ethanol. 

Thermochemical  processing may  be  an  option  but  given  the  high  content  of  salts  it will  be  technically 

difficult to achieve an economic process. 

 

Applying  the  figures  from  above  producing  1  and  5 mill  t  of wet  algae  biomass,  the  energy  yield  in  a 

macroalgae based biogas process would be in the order of 1,8 to 9 PJ. Comparing to e.g. a potential of 40 PJ 

based on manure  from Danish  livestock production  the  energy potential  from macroalgae  is  low  in  the 

current scenario. 

 

Higher energy production from a given area, require significant breakthroughs in the yield by which we can 

grow macroalgae. The current yield from macro algae biomass is limited by both the lack of well developed 

systems for marine farming as well as the fact that there has been no breeding of macroalgae varities as for 

agricultural crops. Most likely it will be possible to increase the energy production from a given area but it 

will need substantial investments not only in marine farming but also in basic science and knowledge within 

the field of algae.  

 

76  

13. Recommendations  

The  use  of  algae  as  an  alternative  source  for  bioenergy  has  a  large  potential.  Looking  at  algae  as  a 

photosynthetic  unit  for  production  of  biomass  it  could  provide  billions  tons  of  biomass  without 

compromising food supply or take up more agricultural land. 

 

But as can be seen from this report, it is clear that the use of algae biomass for energy is still in its infancy. 

Neither the technology nor the biology for a large scale production of algae based bioenergy is ready at this 

period in time.   

 

In the medium to long term algae biomass can be developed to a scale where it may provide cost effective 

production of energy. However,  large efforts within basic  research on algae biology, marine  farming and 

conversion technologies will be needed. Also it will be necessary to apply the very latest techniques within 

molecular  biology  as well  as  breeding  in  order  to  overcome  some  of  the  constraints  facing  large  scale 

production of algae biomass. 

 

A possible commercial approach without  investing  in full‐scale programs for algae development would be 

to monitor the development within algae technology in order to spot new opportunities. Special attention 

should be given to potential synergies with other  large scale applications e.g. animal feed protein derived 

from algae.  

 

Specifically within the areas of algae production and conversion technologies, the following comments and 

recommendations are made. 

 

Algae production

For micro‐ and macro‐algae cultivation both on land and off shore several questions need to be answered: 

 

Which species? 

Which cultivation techniques? 

Harvesting technique? 

Where to do it? Land‐ or sea‐based? Where to find the optimal localities? 

 

To  identify  ideal  cultivation  species  cross  points  (or  compromises?)  for maximal  yields may  need  to  be 

mapped, for instance: 

 

‐ A high  growth  rate with high  lipid production  is desirable, but when  the  growth  rates  rise with 

increasing available nitrogen, the lipid production is positively correlated to nitrogen starving. 

‐  An  algae  species which  is  easy  to  cultivate  and  easy  to  extract/convert  energy  from  could  be 

hypothetic  as  these  requirements might be  represented by opposing properties, e.g.  robust  cell 

77  

walls may increase the cultivation robustness but may at the same time increase the difficulties in 

extracting oil. 

‐ The  extremely  high  variety  of  carbohydrates  in  e.g.  macroalgae  emphasises  the  potential  of 

utilisation possibilities which have not yet been mapped. However, this variety and the seasonality 

in the carbohydrate content also make it difficult to identify which species and compound to focus 

on. 

 

Thus, what does an ideal species look like and is it already present in nature? 

 

Several cultivation techniques are developed and tested to some extent (with a limited number of species), 

and they may all have their pros and cons, for instance: 

 

‐ Open ponds are relatively cheap and the efficiency may be relasonably highs as seen in Israel (see 

Chapter 11). However, the demands on land area as well as cultivation robustness of species due to 

high risk of contamination may be high, which  limits the suitability of this cultivation technique  in 

countries with a  limited area of non‐arable  land such as Denmark as well as  the number of algal 

species candidates. 

‐ Photobioreactors (flat plates, tubes) are effective systems which provide controlled environments 

and  low  risk  of  contamination.  However,  these  expensive  cultivation  systems  struggle  with 

unwanted  high  levels  of  O2  and  low  CO2  as  well  as  temperature.  Furthermore,  cleaning  and 

sterilisation of the cultivation containers may provide sensitive and costly steps in the production.  

‐ Sea‐based cultivation of macroalgae has many advantages such as, eg, no use of arable  land and 

utilisation of  the surplus of nutrients  in  the coastal waters. However,  the production  is extensive 

and also in these open cultivation systems the risk of contamination (fouling) is high. 

 

Thus, the available production systems still seem to have childhood diseases according to productivity and 

costs. 

 

At present  the  ideal  species or  techniques  seem not be  identified, but  the  research over  the  last 20‐30 

years may provide a base upon which qualified research suggestions/proposals can be developed and from 

which the continued research should rise. 

 

According to state‐of‐the‐art, identification/description/development of the ideal species needs to go hand 

in  hand with  development  of  cultivation  and  conversion  technologies  and  during  this  process  the  ideal 

species and technologies might change accordingly. 

 

Conversion technology development

The  photosynthetic  potential  of  algae  allows  for  bulk  production  of  biomass.  Given  that  production 

methods and  technologies are developed  to a  level providing economically efficient production of algae 

biomass  at  the  million  tons  scale  algae  are  capable  of  providing  large  amounts  of  bulk  biomass  for 

bioenergy. However,  this  is by  itself not sufficient as  the current conversion  technologies  for biomass  to 

energy carriers cannot provide efficient conversion of algae biomass. This does not imply that these issues 

78  

cannot  be  overcome  and  new  conversion  technologies  developed,  but  currently  they  are  bottlenecks 

preventing an efficient large scale use of algae biomass. 

 

Fermentation to liquid energy carriers 

Conversion of biomass to liquid fuels such as ethanol and butanol requires fermentable carbohydrates. And 

though  the content of carbohydrates  in algae appears high,  the  levels of carbohydrate polymers such as 

mannans, starch and cellulose  that can be hydrolyzed  into  fermentable monomers are  low,  typically  less 

than 10%. Compared to land based plants the structural carbohydrates in algae are heterogeneous, highly 

sulfonated and with organic acid side groups. There are no known microorganisms capable of fermenting 

these carbohydrates to alcohols, nor do we have enzymes available capable of deconstructing the algae cell 

wall carbohydrates to monomers. 

 

Thus  one  is  faced  with  two  options  for  developing  conversion  technologies  for  fermentation  of  algae 

biomass; either we develop a new range of biotechnological tools in the form of industrial microorganisms 

and enzymes or we develop and breed new  strains of algae capable of producing  fermentable  sugars. A 

new set of biotechnological  tools more or  less requires  that one start  from scratch, whereas breeding of 

algae high in fermentable sugars can be based on already established knowledge and technologies.  

Therefore  the  initiation of dedicated  and  large breeding programmes  for  algae  are  suggested  to be  the 

most  sensible  and  efficient  approach  enabling  conversion  of  algae  biomass  to  liquid  energy  carriers.  A 

continuous  research effort  through 10‐25  years will be necessary  in order  to breed  commercially  viable 

micro‐ or macroalgae  strains. That being  said,  technical  issues  still  remains with  regard  to handling and 

storage  as well  as  the  compatibility  of  enzymes  and microorganisms  to  the  inevitable  residual  salts  in 

especially the marine algae biomass.   

 

Combustion and gasification 

Preferably biomass  for combustion  is composed only of carbon, oxygen and hydrogen with a content of 

salts less than 1%. For algae the content of salt (especially for the marine algae), protein and sulphur makes 

them a difficult feedstock for combustion processes. The high level of structural proteins and thus nitrogen 

and the sulfonated carbohydrates in a number of micro‐ and macroalgae are basic bottlenecks for obtaining 

a  technically  good  feedstock.  Furthermore  the  high  salt  content  from  both  seawater  and  the  cationic 

minerals  in  the  cell walls  are  problematic.  The  salt  levels  can  be  reduced  in marine  algae  by  extensive 

washing, but a significant amount of residual salts will remain.  

 

For gasification of algae biomass the same technical problems as for combustion will be encountered, and 

there are no readily available solutions. 

 

Identical to the  liquid biofuels, breeding of new algae strains may  improve the properties for combustion 

and gasification.  However, algae are a very difficult feedstock for this type of conversion, and it is not likely 

they will  become  a  significant  source.  This  also means  that  in  the  case  of  residual  algae  biomass  from 

biogas, biodiesel or  fermentation other uses  such as animal  feed or  fertilizers  should be pursued  rather 

than combustion. 

 

79  

Biogas 

The  most  readily  accessible  conversion  technology  for  algae  is  the  use  of  methanogenic  bacteria  for 

production of methane. A number of the carbohydrates in algae cell walls can be converted by the bacteria. 

The yield is higher than for manure but less than what is found for e.g. whole crop corns. It will be possible 

to  increase the biogas yield from algae through process optimization, but  lower yields than for e.g. whole 

crop corns are to be expected. Some technical  issues remain for algae biomass; the high  level of residual 

salts  will  increase  the  time  in  the  biogas  digester  and  the  sulfonated  carbohydrates  will  increase  the 

amount of H2S in the biogas requiring more intensive purification. 

 

Biogas from algae seems currently to be the most economical and technically optimal conversion of algae 

to a gaseous energy carrier. It is recommended to focus on process development of algae biogas. This can 

be  done  using  already  existing  technologies  and methods, why  it will  be  a  relatively  limited  effort  to 

develop an optimized algae biogas process.   

 

Algae oils  

The production of biodiesel  from microalgae oils  is  technically  straightforward. The potential  is high but 

also the technical and biological barriers to be overcome are quite substantial. A number of large public and 

private research programmes are addressing these issues, and significant progress is to be expected within 

the next decade.   

The biological  challenge  is  the  fact  that,  the  rate by which algae produce oils  is  inversely  related  to  the 

overall growth, meaning that oil production is induced by nitrogen starvation. It is therefore not in present 

time possible  to obtain a high overall growth  rate and a simultaneous high oil production.   A number of 

projects have  addressed  this  issue by metabolic  engineering of  existing  strains or by  searching  for new 

strains capable of both having a high biomass growth rate as well as high oil productivity. Recently some 

advances have been reported, but still major developments will be necessary.  

The  technical  challenge of  algae biodiesel  is  the  extraction of  the oils.  The  small  size of  the microalgae 

combined with  their  cell wall  structures makes  simple mechanical  pressing  as  done  for  e.g.  rape  seed 

biodiesel not possible. The techniques  in use today are all based on extraction with organic solvents. The 

problem of using organic solvents for extraction  is not only the cost, but also the scale of the production. 

Other possibilities may be the use of supercritical CO2 for extraction, but they are still under development 

and quite costly. 

Though the challenges and barriers for algae biodiesel are substantial, the R&D  investments are at such a 

high  level  that  they may become a commercial  reality within 10‐20 years. But what has been somewhat 

overlooked is the fact that if this is to happen also the residual biomass form the biodiesel production will 

need  to  be  processed  into  biogas,  feed  and  fertilizers.    Therefore  equal  attention  is  required  into  the 

processing of residual algae biomass. 

80  

14. Literature  

Acién FG, González CV, Fernández JM, García‐González M, Moreno J, Sierra E, Guerro MG, Molina E. 2008. 

Removal  of  CO2  from  flue  gases  coupled  to  the  photosynthetic  generation  of  biomass  and 

exopolysaccharides by  cyanobacteria. 11th  International Conference on Applied Phycology, Galway,  June 

2008. Abstracts: 138

Adams J, Gallagher J, Donnison I. 2008. Fermentation studies on selected macroalgae species for bioethanol 

production. 11th International Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 95

Aizawa M,  asaoka,  K, Atsumi M,  Sakou  T.  2007.  Seaweed  Bioethanol  Production  in  Japan  –  The Ocean 

Sunrise Project. Report, 5pp 

Banerjee  A,  Sharma  R,  Christ  Y,  Banerjee  UC.  2002.  Botryococcus  braunii:  a  renewable  source  of 

hydrocarbons and other chemicals. Critical Reviews in Biotechnology 22: 245‐279.

Bartsch I, Wiencke C, Bischof K, Buchholz CM, Buck BH, Eggert A, Feuerpfeil P, Hanelt D, Jacobsen S, Karez 

R, Karsten U, Molis M, Roleda MY, Schubert H, Schumann R, Valentin K, Weinberger F, Wiese J. 2008. The 

genus Laminaria sensu lato: recent insights and developments. European Journal of Phycology 43: 1‐86 

Beardall  J,  Morris  I.  1976.  The  concept  of  light  intensity  adaptation  in  marine  phytoplankton:  some 

experiments with Phaeopdactylum triconutum. Mar Biol 37: 377‐388 

Becker EW. Microalgae: Biotechnology and Microbiology. 1994. Cambridge University Press 

Ben‐Amotz A. 2009. Presentation at WSA; International Workshop on Offshore Algae for Biofuels & Beyond, 

Maribo; Denmark, in April. 

Ben‐Amotz   A, Tornabene TG,Thomas WH. 1985. Chemical profile of selected species of microalgae with 

emphasis on lipids. Journal of Phycology 21: 72–81 

Benemann JR, Oswald WJ. 1996. Systems and economic analysis of microalgae ponds for conversion of CO2 

to biomass. Final report to the US Department of Energy, Pittsburgh Energy Technology Center 

Blouin N, Xiugeng F, Peng P, Yarish C, Brawley SH. 2007. Seeding nets with neutral spores of the red alga 

Porphyra umbilicalis  (L.) Kützing  for use  in  integrated multi‐trophic aquaculture  (IMTA). Aquaculture 270: 

77–91

Birkeland M. 2009. Biofiltering efficiency and primary production by Saccharina  latissima, estimated from 

mathematical  modelling  and  experimental  cultivation  near  a  sea  cage  farm.  Department  of  Biology, 

University of Copenhagen. MSc Thesis, 28 pp

Bohlmann JT, Lorth CM, Drews A, Buchholz R. 1999. Microwave high pressure thermochemical conversion 

of sewage sludge as an alternative to incineration. Chem Eng Technol 21: 404‐409.

Bolton JJ, Robertson‐Andersson D, Shuuluka D, Kandjengo L.  2008. Growing Ulva as a commercial crop for 

Abelone  feed  in  South  Africa.  11th  International  Conference  on  Applied  Phycology, Galway,  June  2008. 

Abstracts: 153 

81  

Borowitzka MA. 2008. Algae and biofuels: quo vadis? 11th International Conference on Applied Phycology, 

Galway, June 2008. Abstracts: 1 

Briand X, Morand P. 1997. Anaerobic digestion of Ulva sp. 1. Relationship between Ulva composition and methanisation. Journal of Applied Phycology 9: 511-524 Buch BH. 2009. Presentation at WSA;  International Workshop on Offshore Algae  for Biofuels & Beyond, 

Maribo; Denmark, in April.

Buch  BH,  Buchholz  CM.  2004.  The  offshore‐ring:  A  new  system  for  the  open  ocean  aquaculture  of 

macroalgae. Journal of Applied Phycology 16: 355‐368. 

Casadevall E, Dif D, Largeau C, Gudin D, Chaumont D, Desanti O. 1985. Studies on batch and continuous 

cultures  ofBotryococcus  braunii:  Hydrocarbon  production  in  relation  to  physiological  state,  cell 

ultrastructure and phosphate nutrition. Biotechnol Bioeng 27:286–295 

Chen  F.  2008.  High‐cell  density  heterotrophic  culture  of microalgae  for mass  production  of  long‐chain 

polyunsaturated  fatty  acids.  11th  International  Conference  on  Applied  Phycology,  Galway,  June  2008. 

Abstracts: 11 

Cheng‐Wu  Z,  Zmora O,  Kopel  R,  Richmond  A.  2001.  An  industrial‐size  flat  plate  glass  reactor  for mass 

production of Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae). Aquaculture 195: 35‐49.

Chiu S‐Y, Kao C‐Y, Chen C‐H, Kuan T‐C, Ong S‐C, Lin C‐S. 2008. Reduction of CO2 by a high‐density culture of 

Chlorella sp. In a semicontinous photobioreactor. Bioresource Technology 99: 3389‐3396.

Chiu  S‐Y, Kao C‐Y, Tsai M‐T, Ong  S‐C, Chen C‐H,  Lin C‐S. 2009.  Lipid accumulation and CO2 utilization of 

Nannochloropsis oculata in response to CO2 aeration. Bioresource Technology 100: 833‐838.

Chopin T, Robinson S, Sawhney M, Bastarche S, Belyea E, Shea R, Armstrong W, Stewart  I, Fitzgerald P. 

2004. The AquaNet integrated multi‐trophic aquaculture project: rationale of the project and development 

of  kelp  cultivation  as  the  inorganic  extractive  component  of  the  system.  Proceedings  of  the  Integrated 

Multi‐TRophic Aquaculture Workshop, Saint John, NB March 2004: 11‐19

Christi Y. 2007. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances 25:294‐306. 

Christi Y. 2008. Biodiesel from microalgae beats bioethanol. Trends in Biotechnology 26: 126‐131

Chrispeels MJ,  Sadava  DE  2003.  Plants,  genes  and  crop  biotechnology.  Jones  and  Bartlett  Publishers, 

Boston, MA. 

Chynoweth DP. 2002. Review of Biomethane from Marine Biomass. Draft report. University of Florida. 207 

pp

Cole JJ. 1982. Interactions between bacteria and algae in aquatic ecosystems. Ann Rev Ecol Syst 13: 291‐314

Critchley AT, Ohno M, Largo DB  (eds). 2006. World Seaweed Resources. An authorative  refrence system. 

DVD‐ROM, ETI.

Davison IR. 1991. Environmental effects on algal photosynthesis: temperature. Journal of Phycology 27: 2‐8 

Dayananda C, Sarada R, Bhattacharya S, Ravishankar GA. 2005. Effect of media and culture conditions on 

growth and hydrocarbon production by Botryococcus braunii. Process Biochemistry 40: 3125‐3131.

82  

Demetropoulos CL, Langdon CJ. 2004. Enhanced production of Pacific dulse (Palmaria mollis) for co‐culture 

with  abalone  in  a  land‐based  system:  effects  of  seawater  exchange,  pH,  and  inorganic  carbon 

concentration. Aquaculture 235: 457‐470  

 Domozych DS, Stewart KD, Mattox KR. 1980. The comparative aspects of cell wall chemistry  in the green 

algae (Chlorophyta). Journal of molecular evolution 15 1‐12 

Doucha J, Straka F, Lívanský K. 2005. Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorella sp.) in an 

outdoor open thin‐layer photobioreactor. Journal of Applied Phycology 17: 403‐412

Douskova  I,  Doucha  J,  Livansky  K,  Machat  J,  Novak  P,  UmysovaD,  Zachleder  V,  Vitova  M.  2009. 

Simultaneous  flue  gas  bioremediation  and  reduction  of  microalgal  biomass  production  costs.  Applied 

Microbiology and Biotechnology 82: 179‐185 

Dring MJ.  1986.  Stimulation  of  light‐saturated  photosynthesis  in  Laminaria  (Phaeophyta)  by  blue  light. 

Journal of Phycology 25: 254‐258 

Edwards M. 2008. Furhter advances  in the cultivation techniques of Palmaria palmate, Laminaria digitata 

and  Porphyra  sp.  in  Ireland.  11th  International  Conference  on  Applied  Phycology,  Galway,  June  2008. 

Abstracts: 152 

Emerson W, Arnold J. 1932a. A separation of the reactions in photosynthesis by means of intermittent light. 

The Journal of General Physiology 15: 391-420

Emerson  W,  Arnold  J.  1932b.  The  photochemical  reaction  in  photosynthesis.  The  Journal of General

Physiology 16: 191-205

Erting  L,  Daugbjerg  N,  Pedersen  PM.  2004.  Nucleotide  diversity  within  and  between  four  species  of 

Laminaria (Phaeophyceae) analysed using partial LSU and ITS rDNA sequences and AFLP. European Journal 

of Phycology 39: 243‐256 

Fei  XG,  Pang  SJ,  Bao  Y,  Li DPl.  2007. How  to  use  seaweeds  as  a  CO2  sink  in  the  sea.  XIXth  Internation Seaweed Symposium, Kobe Japan March 2007. Abstracts: 24 Fernandes AV, Vargas G, Alarcon N, Velasco A. 2007. Evaluation of marine algae as a source of biogas in a two-stage anaerobic reactor system. Biomass and Bioenergy 32: 338-344 Fouchard S, Pruvost  J, van Vooren G, Legrand  J. 2008. Evaluation of Neochloris oleoabundis  lipids  (TAGs) 

productivities  in  photobioreator  for  biodiesel  application.  11th  International  Conference  on  Applied 

Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 92 

Gao  K, McKinley  KR.  1994.  Use  of macroalgae  for marine  biomass  production  and  CO2  remediation:  a 

review. Journal of Applied Phycology 6: 45‐60

González C, Acién FG, Fernández JM, Cerón MC, Sierra E, Sánchez JF, Molina E. 2008. Comparative analysis 

of  the  carbon  fixation  rate  of  several microalgae  and  cyanobacteria.  11th  International  Conference  on 

Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 233 

Grobbelaar JU. 2008. Upper limit of photosynthetic productivity and problems of scaling. 11th International 

Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 26 

83  

Grobbelaar  JU,  Nedbal  L,  Tichý  V.  1996.  Influence  og  high  frequency  light/dark  fluctuations  on 

photosynthetic characteristics of microalgae photoacclimated to different light intensities and implications 

for mass algal cultivation. Journal of Applied Phycology 8: 335‐343

Grossart H‐P.  1999.  Interactions  between marine  bacteria  and  axenic  diatoms  (Cylindrotheca  fusiforme, 

Nitzschia  laevis  and  Thalassiosira  weissflogi)  incubated  under  various  conditions  in  the  lab.  Aquatic 

Microbial Ecology 19: 1‐11

Gunn D.2007. The Scottish Association for Marine Science. PPT presentation. 24 slides 

Haiduc AG, Brandenberger M, Suquet S, Ludwig C, Vogel F, Bernier‐Latmani R, Stucki S. 2008. Hydrothermal 

methane  from  microalgae.  11th  International  Conference  on  Applied  Phycology,  Galway,  June  2008. 

Abstracts: 141 

Hall DO, Mynick HE, Williams RH. 1991. Cooling the greenhouse with bioenergy. Nature 353: 11‐12

Hanniffy D,  Kraan  S.  Intensive  tank  cultivation  of  Porphyra  spp.  2008.  11th  International  Conference  on 

Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 189 

Horn SJ, Aasen, IM, Østgaard K. 2000. Production of ethanol from mannitol by Zymobacter palmae. Journal 

of Industrial Microbiology & Biotechnology 24: 51‐57.

Hossain ABMS, Salleh A, Boyce AN, Chowdhury P, Naqiuddin M. 2008. Biodiesel fuel production from algae 

as renewable energy. American Journal of Biochemistry and Biotechnology 4: 250‐254

Hu Q,  Sommerfeld M,  Jarvis  E,  Ghirardi M,  Posewitz M,  Seibert M,  Darzins  A.  2008. Microalgal  triacy‐

lglycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances. The Plant Journal 54: 621‐639. 

Hwang EK, Baek JM, Park CS. 2008. Potential and utilization of the mass cultivation of Ecklonia stolonifera 

Okamura  as  a  summer  feed  for  Abalone  industry  in  Korea.  11th  International  Conference  on  Applied 

Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 290 

Hällfors  G.2004.  Checklist  of  Baltic  Sea  phytoplankton  species  (including  some  heterotrophic  protistan 

groups). Baltic Sea Environment Proceedings 95. 210 pp

Illman AM, Scragg AH, Shales SW. 2000.  Increase  in Chlorella  strains  calorific values when grown  in  low 

nitrogen medium. Enzyme Microb 27: 631–635 

Jones JG. 1972. Studies on freshwater micro‐organisms: phosphatase activity in Lakes of Differing Degrees 

of Eutrophication. Journal of Ecology 60: 777‐791 

Kraan S, Guiry M. 2004. Presentation at  ISS; XVIII  International Seaweed Symposium, Bergen, Norway,  in 

June.

Kraan  S  &  Guiry  M.  1998.  Strain  selection  in  the  edible  brown  seaweed  Alaria  esculenta:  Genetic 

fingerprinting and hybridization studies under laboratory conditions. Marine Resource Series. 30 pp. 

Kraan et al. 2000 

Kristiansen A, Pedersen PM, Moseholm L.1994. Salinity–temperature effects on growth and reproduction of 

Scytosiphon lomentaria (Fucophyceae) along the salinity gradient in Danish waters. Phycologia 33: 444–454 

Lahaye M,  Robic  A.  2007.  Structure  and  functional  properties  of  Ulvan,  a  polysaccharide  from  green 

seaweeds.  Biomacromolecules 8, 1765‐1774 

84  

Lee Y‐K. 2001. Microalgal mass  culture  systems  and methods:  their  limitations  and potential.  Journal of 

Applied Phycology 13: 307‐315

Lehr F,  Ivanova D, Hankamer B, Kruse O, Posten C. 2008. Kinetic  investigations  for hydrogen production 

with Chlamydomonas reinhardtii. 11th International Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. 

Abstracts: 31

Leigh EO  (jr), Paine RT, Quinn  JF, Suchanek TH.   1987. Wave energy and  intertidal productivity. Proc Natl 

Acad Sci USA 84: 1314‐1318

Levy  I,  Israel  A,  Friedländer  M.  2008.  Noritech’s  Porphyra  cultivation  technology.  11th  International 

Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 156 

Levy  B,  Friedlander M.  2008.  Identification  of  two  putative  adhesive  polypeptides  in  Caulerpa  prolifera 

rhizoids using an adhesion model system. Journal of Applied Phycology 16: 1‐9 

Li Q, Du W, Liu D. 2008. Perspectives of microbial oils for biodiesel production. App Microbiol   Biotechnol 

80: 749-756

Lien  S, Roessler  P.  1986.  The  energetics of biomass  and  lipid production  by  lipogenic microalgae under 

nitrogen deprivation. Aquatic Species Program Review: Proceedings. 

Liu Z‐Y, Wang G‐C, Zhou B‐C. 2008. Effect of  iron on growth and  lipid accumulation  in Chlorella vulgaris. 

Bioresource Technology 99: 4717‐4722 

Liot F, Colin A, Mabeau, S. 1993. Microbiology and storage life of fresh edible seaweeds. Journal of Applied 

Phycology 5: 243–247. 

Lüning K. 2008.  Integrated macroalgae‐oyster aquaculture on a North Sea  Island: seasonal productivity of 

the  brown  alga  Laminaria  saccharina  and  the  red  algae  Palmaria  palmate;  Soliera  chordalis; Gracelaria 

vermiculophylla, and  the use of  these seaweeds  in human nutritions or as  raw material  for  the cosmetic 

industry. 11th International Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 151 

Lünnig K. 1990. Seaweeds. Their environment, biogeography, and ecophysiology.  John Wiley & Sons,  Inc. 

New York. 527 pp. 

Lüning  K,  Dring  MJ.  1978.  Reproduction  induced  by  blue  light  in  female  gametophytes  of  Laminaria 

saccharina. Planta 104: 252‐256

Lüning  K,  Müller  DC.  1978.  Chemical  interaction  in  sexual  reproduction  of  several  laminariales 

(Phaeophyceae): release and attraction of spermatozoids. Aquatic ecology: plant genetics and breeding 89: 

333‐341 

Lüning K, Kadel P, Pang  SJ. 2008. Control of  reproduction  rythmicity by  environmental  and endogenous 

signals in Ulva pseudocurvata (Chlorophyta). Journal of Phycology 44: 866‐873 

Neale  PJ, Melis  A.  1986.  Algal  photosynthetic membrane  complexes  and  the  photosynthesis‐irradiance 

curve: a comparison of  light‐adaptation response  in Chlamydomonas reinhardtii  (Chlorophyta).  Journal of 

Phycology 22: 531‐538 

Nedbal  L,  Tichý  V,  Xiong  F,  Grobbelaar  JU.  1996. Microscopic  green  algae  and  cyanobacteria  in  high‐

frequency intermittent light. Journal of Applied Phycology 8: 325‐333

85  

Neefus  CD,  Day  JP,  Walker  AB,  Berlinsky  DL,  Yarish  C.  2008.  Optimization  of  an  integrated  cod/nori 

recirculating aquaculture system. 11th International Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. 

Abstracts: 54 

Nielsen R, Kristiansen Aa, Mathiesen L & Mathiesen H. 1995. Distributional index of the benthic macroalgae 

of the Baltic Sea area. Acta Bot Fen 155: 1‐51. 

McGillivary P. 2009. Presentation at WSA; International Workshop on Offshore Algae for Biofuels & Beyond, 

Maribo; Denmark, in April.

Metzger P, Largeau C. 2005. Botryococcus braunii: a rich source for hydrocarbons and related ether lipids. 

Appl  Microbiol Biotechnol 66: 486‐496.

Minowa  T,  Yokoyama  S,  Kishimoto M,  Okakurat  T.  1995.  Oil  production  from  algal  cells  of  Dunaliella 

tertiolecta by direct thermochemical liquefaction. Fuel 74: 1735‐1738

Morrissey  J. 2002. Roaringwater Bay Pilot Seaweed Cultivation Project Phase  I, 2001‐2002.  Irish Seaweed 

Centre,full report, 90 pp 

Mortensen AM, Wegeberg S. 2007. Forsøgsdyrkning af Alaria esculenta på Færøerne. Rapport. 12 pp. 

Olrik  K.  2009.  Presentation  at WSA;  International Workshop  on Offshore  Algae  for  Biofuels &  Beyond, 

Maribo; Denmark, in April.

Pang SJ, Lüning K. 2004. Breaking seasonal limitation: year‐round sporogenesis in the brown alga Laminaria 

saccharina by blocking the transport of putative sporulation inhibitors. Aquaculture 240: 531‐541

Park CS, Kakinuma M, Amano H. 2001. Detection of red rot disease fungi Phytium spp. by polymerase chain 

reaction. Fisheries Science 67: 197‐199

Pate RC.  2009.  Presentation  at WSA;  International Workshop on Offshore Algae  for Biofuels & Beyond, 

Maribo; Denmark, in April.

Patil  V,  Tran  K‐H,  Giselrød  HR.  2008.  Towards  sustainable  production  of  biofuels  from  microalgae. 

International Journal of Molecular Sciences 9: 1188‐1195

Pedersen P M. 1976. Marine, benthic algae from southernmost Greenland. Meddel. Grønland 199: 1–80 

Peer M,  Skye  R,  Thomas H,  Evan  S, Ute  C,  Jan H,  Clemens  P, Olaf  K,  Ben H.  2008.  Second  generation 

biofuels: high‐efficiency microalgae for biodiesel production. Bioenergy Research 1:20–43 

Peterson  AA,  Vogel  F,  Lachance  RP,  Fröling M,  Antal MJ  (jr),  Tester  JW.  2008.  Thermochemical  biofuel 

production  in  hydrothermal  media:  a  review  of  sub‐  and  supercritical  water  technologies.  Energy  & 

Environmental Science 1: 32‐54

Prince  RC,  Kheshgi  HS  2005.  The  photobiological  productivity  of  hydrogen:  potential  efficiency  and 

effectiveness as a renewable fuel. Critical Reviews in Microbiology 31: 19‐31. 

Rasmussen MB,  Fossing  H, Markager  S,  Bruhn  A.  2009.  Anvendelse  af marine  algaer  til  fremstilling  af 

biobrændstof. 15. Danske Havforskermøde, Helsingør, January 2009. Abstracts p.67

Ratcliff  J, Kraan S. 2008. Supergen  II: bioenergy marine biomassproject. 11th  International Conference on 

Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 177 

86  

Reed DC. 1990. The effects of variable settlement and early competition on patterns of kelp recruitment. 

Ecology 71: 776‐787

Robertson‐Andersson DV,  Potgieter M, Hansen  J, Bolton  JJ,  Troell M, Anderson RJ, Halling  C,  Probyn  T. 

2008. A pilot‐scale  integrated  seaweed  (Ulva  lactuca) ans Abalone  (Haliotis midae)  recirculation  system.  

11th International Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 57 

Robertson‐Andersson DV,  Potgieter M, Hansen  J, Bolton  JJ,  Troell M, Anderson RJ, Halling  C,  Probyn  T. 

2008. Integrated seaweed cultivation on an abalone farm in South Africa. Journal of Applied Phycology 20: 

129‐145 

Rodolfi L, Zittelli GC, Bassi N, Padovani G, Biondi N, Bonini G, Tredici MR. 2009. Microalgae  for oil: strain 

selection,  induction  of  lipid  synthesis  and  outdoors  mass  cultivation  in  a  low‐cost  photobioreactor. 

Biotechnology and Bioengineering 102: 100‐112.  

Sánchez et al. 2008. Seaweed culture of Ulva spp. (Enteromorpha): experimental study in laboratory, open‐

air pond  and open‐water  in The Bay. 11th  International Conference on Applied Phycology, Galway,  June 

2008. Abstracts: 186 

Sánchez Mirón  A,  Garcı́a MCC, Gómez AC, Camacho FG, Grima EM, Christi Y.  2003.    Shear  stress 

tolerance and biochemical characterization of Phaeodactylum tricornutum  in quasi steady‐state continous 

culture in outdoor photobioreactors. Biochemical Engineering Journal 16: 287‐297 

SERI. 1984. Microalgae Culture Collection 1984‐1985. Solar Energy Research  Institute, Golden, Colorado, 

Publication SERI/SP‐231‐2486, 59 pp. 

Sharp G, Allard M, Lewis A, Semple R, Rochefort G. 2008. The potential for seaweed resource development 

in subarctic Canada; Nunavik, Ungava Bay. Journal of Applied Phycology 20: 41‐48 

Shea R, Chopin T. 2007. Effects of germanium dioxide, an  inhibitor of diatom growth, on the microscopic 

laboratory cultivation stage of the kelp, Laminaria saccharina. Journal of Applied Phycology 19: 27‐32. 

Sheehan  J, Dunnahay  T,  Benemann  J,  Roessler  P.  1998. A  look  back  at  the US Department  of  Energy’s 

Aquatic Species Program – Biodiesel from Algae. National Renewable Energy Laboratory, report NREL/TP‐ 

of La Paz, Baja California, Mexico. 

Shifrin NS, Chisholm SW. 1981. Phytoplankton lipids: interspecific differences and effects of nitrate, silicate 

and light‐dark cyckles. Journal of Phycology 17: 374‐384 

Sierra E, Acién FG, Fernández  JM, García  JL, González C, Molina E. 2008. Characterization of a  flat plate 

photobioreactor for the production of microalgae. Chemical Engineering Journal 138: 136‐147

Steen H. 2005. Stortare. Kyst og Havbruk 2; Kystressurser: 111‐114 

Sukenik A, Wahnon R. 1991. Biochemical quality of marine unicellular algae with special emphasis on lipid 

composition. I. Isochrysis galbana. Aqauculture 97: 61‐72 

Tamigneaux E, Gendron L. 2008. Cultivation of kelp in Chaleurs Bay (Quebec, Canada): influence if invading 

epibionts  (Membranipora membrancea)  on  the  growth  of  Saccharina  longicruris  (Bachelot  de  la  Pylaie) 

Küntze. 11th International Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 255 

87  

Terry  KL.  1986.  Photosynthesis  in  modulated  light:  quantitative  dependence  of  photosynthetic 

enhancement on flashing rate. Biotechnology and Bioengineering 28: 988‐995 

Thomsen HA. 1992. Plankton  i  indre danske  farvande. En analyse af  forekomsten af alger og heterotrofe 

protister (ekskl. ciliater) i Kattegat. Havforskning fra Miljøstyrelsen 11. Miljøstyrelsen, Miljøministeriet, 340 

pp

Torzillo  G,  Giannelli  L,  Scoma  A.  2008.  Optimization  of  H2  production with  C.  reinhardtii  in  laboratory 

photobioreactors. 11th International Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 140 

Tredici MR. 2008. Maximum and actual productivities of out‐door algae. 11th  International Conference on 

Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 14 

Trent  J.  2009.  Presentation  at WSA;  International Workshop  on Offshore  Algae  for  Biofuels &  Beyond, 

Maribo; Denmark, in April.

Ugwu  CU,  Aoyagi  H,  Uchiyama  H.  2008.  Photobioreactors  for  mass  cultivation  of  algae.  Bioresource 

Technology 99: 4021‐4028

Vairappan CS, Chung CS, Hurtado AQ, Soya RE, Lhonneur GB, Critchley A. 2008. Distribution and symptons 

of epiphyte infection in major carrageenophyte‐producing farms. Journal of Applied Phycology 20: 27‐33 

Wegeberg S. 2010. Cultivation of kelp species in the Limfjord, Denmark. Department of Biology, University 

of Copenhagen. 12 pp 

Wegeberg S.2007. Er tang en ny marin ressource i Grønland? Vand & Jord 3: 117‐120

Wegeberg S, Felby C. 2010. Introduktion til Alger. University of Copenhagen. 32 pp 

Weismann JC. 2008. Factors limiting photosynthetic efficiency in outdoor mass cultures of microalgae. 11th 

International Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 15 

Werner  A,  Kraan  S.  2004.  Review  of  the  potential mechanization  of  kelp  harvesting  in  Ireland. Marine 

Environment and Health Series 17. 52 pp

Werner A, Clarke D, Kraan S. 2003. Strategic Review of the Feasibility of Seaweed Aquaculture  in  Ireland. 

Marine Institute, Technology Park, Parkmore, Galway, Ireland (www.marine.ie/marinertdi). Report, 120 pp

Wu CY, Pang SJ. 2006. The Seaweed Resources of China

Xu  H,  Miao  X,  Wu  Q.  2006.High  quality  biodiesel  from  a  microalga  Chlorella  protothecoides  by 

heterotrophic growth in fermenters. Journal of Biotechnology 126: 499‐507

Ying L, Kang‐sen M, Shi chun S. 2002. Effect of harvest stage on the total lipid and fatty acid composition of 

four Cylindrotheca strains. Chinese Journal of Oceanology and Limnology 20: 157‐161 

Yu  H,  Jia  S,  Dai  Y.  2009.  Growth  characteristics  of  the  cyanobacterium  Nostoc  flagelliforme  in 

photoautotrophic, mixotrophic and heterotrophic cultivation. Journal of Applied Phycology 21: 127‐133

Zertuche‐González JA, García‐Lepe G, Ballesteros‐Grijalva G, Guzmán‐Calderón JM. 2008. In situ growth rate 

of the commercial kelp Eisenia arborea Areschoug within a coastal  lagoon  in Baja California, Mexico. 11th 

International Conference on Applied Phycology, Galway, June 2008. Abstracts: 257 

 

88  

Appendix 1  

Omkostninger for tanganlæg. Havnanlægsdesign følger forlæg fra Irish Seaweed Centre på 1 ha. Priser er indhentet fra bl.a Hvalpsund Net og Vónin. 

 

Vareforbrug       1 år 2 år   NOTER         

Seed lines 1 ha   Spoler a 220m  Pris                 

Liner 4000 m 18 245 4410 4410            

Hvide kar   4 2500 10000     1 l havvand 1 m line      

Projektør   10 1500 15000     Lysintensitet > 25 mmol fotoner/m2/sek.  

Beluftning Akvariepumper 8 500 4000     *Køb af sterilfiltreret havvand    

Vandbehandling*       5000 5000            

Laboratorievægt       2000       ml/l  Pr. gang  I alt ml  l 

Drift laboratorie (kemikalier, filtre, dunke)   4000 4000   ESI  20 80000 240000 240 

El       2000 2000            Vareforbrug i alt 46410 15410                    

Havanlæg 1 ha   stks/m pris (DKK)     Eurosteel tov 12mm 2000mtr = 3.500,00 DKK

Cementblokke 1.5 tons (2 tons) 8 2000 16000 Eurosteel tov 14mm 2000mtr = 4.895,00 DKK

Cementblokke 5 tons (4 tons) 4 4000 16000

Wire 14mm 260 2447,5 2447,5 8 x dybde + 20 m i mellem dobbelt-blokke i hjørnerne Reb 16mm 2000 2,5 5000 Rebpriser: (dybde 30 m) Reb 18 mm 200 707 16mm DKK 550/220 2,5Reb til ramme 50mm 400 22,5 9000 Bøjer 1000 l 4 1500 6000 18mm DKK 707/220m 3,213636Bøjer 200 l 4 860 3440 10mm DKK 245/220 1,113636Bøjer 25 l 30 146 4380 50mm DKK 4954/220 m 22,51818

Havanlæg i alt 28527     Bøjer B 40 DAN-HILL 23 liter = 146,00 DKK pr stk.

      Bøjer B 100 DAN-HILL 280 liter = 860,00 DKK pr stk.

    Bøjer B 135 DAN-HILL 675 liter = 1.500,00 DKK pr stk.

Omkostninger i alt     74937 15410