Để sản xuất biodiesel từ vi tảo đòi hỏi cần phải có một lượng lớn sinh khối tảo. Hầu hết các loài tảo là sinh vật quang tự dưỡng bắt buộc nên chúng cần phải có ánh sáng và nguồn carbon để sinh trưởng. Mô hình nuôi trồng này được gọi là quang tự dưỡng (photoautotrophic). Tuy nhiên, một số loài tảo lại có khả năng sinh trưởng trong tối và sử dụng các nguồn carbon hữu cơ (như glucose, acetate…), đây là hình thức sinh trưởng dị dưỡng. Do giá thành để xây dựng và vận hành hệ thống cao nên nuôi cấy tảo dị dưỡng khó đáp ứng đối với sản xuất biodiesel. Để giảm giá thành thì sản xuất NLSH từ tảo phải dựa trên sinh trưởng quang tự dưỡng của tảo
mặc dù năng suất sinh khối của sinh trưởng quang tự dưỡng có thể thấp hơn so với dị dưỡng.
Vi tảo quang tự dưỡng thường đòi hỏi một số yếu tố nhất định cho sinh trưởng như nguồn năng lượng ánh sáng, CO2, nước và các muối vô cơ. Nhiệt độ nước cho sinh trưởng tối ưu thường dao động trong khoảng 150C đến 30o
C. Môi trường nuôi cần phải có các nguyên tố vô cơ như N, P, Fe và đôi khi cần cả silic (Grobbelaar, 2004). Để sản xuất vi tảo trên quy mô lớn, các tế bào tảo phải được khuấy đảo liên tục để không bị lắng (Molina và cs. 1999), các chất dinh dưỡng được cung cấp liên tục trong suốt thời gian chiếu sáng khi các tế bào tảo phân chia và sinh sản. Tuy nhiên, khoảng ¼ lượng sinh khối tảo được sản xuất vào ban ngày có thể bị mất đi do hô hấp vào ban đêm (Chisti, 2007).
Các hệ thống nuôi trồng vi tảo quang tự dưỡng có thể có một số điểm khác nhau. Chẳng hạn như vi tảo có thể sinh trưởng ở dạng dịch huyền phù hoặc gắn trên các bề mặt rắn (Michael, 2009). Hiện nay, phương pháp phổ biến mà các nhà nghiên cứu cũng như các nhà sản xuất thường sử dụng để nuôi trồng sinh khối tảo là nuôi trong các bể hở (open ponds) và trong các hệ thống bể phản ứng quang sinh khép kín (closed photobioreactors) (hình 5) (Patil và cs., 2005). Đối với mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp nuôi trong bể hở có ưu điểm là có lợi về mặt kinh tế nhưng lại hạn chế ở chỗ tốn diện tích đất, nước và cần phải có những điều kiện khí hậu nhất định, ngoài ra còn gặp phải vấn đề về sự tạp nhiễm nấm, vi khuẩn, động vật nguyên sinh và sự cạnh tranh bởi các loài tảo khác. Trái lại, photobioreactor kín có ưu điểm là có thể khép kín môi trường nuôi, nhờ đó tránh được các tác động trực tiếp từ bên ngoài, tương đối an toàn đối với sự xâm nhập của các vi sinh vật khác, đồng thời có thể điều chỉnh được nhiệt độ và tăng lượng CO2 bổ sung vào môi trường nuôi thông qua hệ thống sục khí. Tuy nhiên công nghệ này tương đối đắt tiền so với nuôi bằng các bể hở do phải đầu tư nhiều trang thiết bị. Một hệ thống sản xuất sinh khối được coi là lý tưởng khi nó có thể tận dụng được một cách hiệu quả nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời. Sức sản
xuất sinh khối trung bình hàng năm cao nhất của các bể hở đã được biết đến là khoảng 24 gam sinh khối khô/m2
/ngày (Weisz, 2004). Năng suất sinh khối lên tới 100 gam sinh khối khô/m2/ngày đã thu được trong các hệ thống nuôi cấy 300 lít đơn giản (Patil và cs., 2005). Năng suất này đạt được trong điều kiện bão hòa ánh sáng. Nhu cầu về ánh sáng đi đôi với hệ số phá hủy chlorophyll ở tảo cần phải được tính toán để xây dựng các hệ thống phù hợp cho sinh trưởng của tảo ở quy mô lớn. Thực nghiệm cũng đã cho thấy rằng năng suất sinh trưởng trung bình hằng năm cao nhất đạt được khi sử dụng các hệ thống bioreactor kín. Tridici (1999) đã nghiên cứu sản xuất sinh khối tảo trong các hệ thống photobioreactor. Nhiều kiểu mô hình photobioreactor khác nhau đã được thiết kế. Trong đó, hệ thống photobioreactor dạng ống (Hình 5B) là tốt nhất để sản xuất sinh khối tảo trên quy mô cần thiết đáp ứng cho nhu cầu về nguồn nguyên liệu để sản xuất NLSH. Các hệ thống photobioreactor được đặt trong nhà, điều chỉnh được và sử dụng nguồn sáng nhân tạo sẽ thực sự có hiệu quả về mặt kinh tế, đặc biệt là để sản xuất các nguyên liệu có giá trị cao sử dụng trong dược phẩm kết hợp với việc sản xuất nguyên liệu cho biodiesel để giảm giá thành (Vishwanath và cs., 2008).
Hình 5. Hệ thống bể hở (A) và Photobioreactor (B)