IL POLO DELLE MICROALGHE. Microalghe, per il trattamento e la valorizzazione di reflui e sottoprodotti agrozootecnici

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1 IL POLO DELLE MICROALGHE Microalghe, per il trattamento e la valorizzazione di reflui e sottoprodotti agrozootecnici e caseari Giovedì, 7 febbraio 2019 Bioeconomy dialogues, Rivolta d Adda (CR) Progetto finanziato da: Katia Parati Istituto Spallanzani

2 Parternariato Istituto Sperimentale Italiano Lazzaro Spallanzani (IS) Politecnico di Milano (POLIMI), Polo Territoriale di Cremona Università degli Studi di Milano Bicocca DISAT (UNIMIB) Centro di Ricerca Zootecnia e Acquacoltura (CREA-ZA) Provincia di Cremona (PROV-CR) Ente Regionale per i Servizi all'agricoltura e alle Foreste (ERSAF) Camera di Commercio Industria Artigianato e Agricoltura di Cremona (CCIAA) Collaborazioni: (Capofila) (Partner) (Partner) (Partner) (Partner) (Partner) Cofinanziatore

3 ORIGINE DELL IDEA PROGETTUALE Provincia di Cremona -15,5% delle aziende agricole iscritte ad ATECO (contro il 6% della media Regione Lombardia) e aziende che allevano capi suini, bovini e 1800 capi bufalini -La digestione anaerobica ha trovato sul territorio ampissima diffusione grazie al programma di incentivazione dell'energia da biogas con la presenza di più di 150 impianti a biogas (più di un terzo di quelli Lombardia) - Il lattiero-caseario della provincia è uno dei settori industriali più rilevanti (10% dell intera produzione nazionale), leader regionale nell export di prodotti lattiero-caseari

4 ORIGINE DELL IDEA PROGETTUALE Direttiva Nitrati (676/91/CE) ha portato alla classificazione del 56% del territorio provinciale come zona vulnerabile Provincia di Cremona Carico di azoto totale al campo di kg/anno, che tenendo conto della SAU di ettari a disposizione, si riflette in un carico medio di 201,4 kg di Azoto/ha.

5 Tecniche di rimozione dell N Processi chimico/fisici Strippaggio Evaporazione Filtrazione a membrana Precipitazione Processi biologici Nitrificazione/denitrificazione fitodepurazione Processi innovativi (DENO2, PARNIT/Anammox, algae)

6 Microalghe Vantaggi: - Trattamento estensivo che sfrutta energia solare - Integrazione alghe/batteri - Recupero nutrienti, rimozione del COD - Altri effetti: Disinfezione Rimozione microcontaminanti Rimozione metalli Munoz & Guieysse (2006) Water research, 40(15),

7 Obiettivo del progetto Realizzazione di un centro di sperimentazione (IL POLO DELLE MICROALGHE) per: lo sviluppo di tecnologie innovative basate sull impiego di microalghe e di progetti imprenditoriali finalizzati alla mitigazione dell impatto dei reflui e sottoprodotti di origine zootecnica e agro-alimentare sul territorio trasformazione degli scarti in nuovi prodotti (biomassa microalgale) da valorizzare in differenti settori già consolidati (cosmetico, mangimistico, energetico, agricolo) in un ottica di economia circolare.

8 Cosa sono le microalghe? D-factory ALL-GAS ReCO2very BIOFAT MED-ALGAE FUEL4ME NETALGAE SABANA Mangimistico Bioenergie Nutraceutico Farmaceutico Cosmetico

9 Sottoprodotti lattiero-caseari Bioraffineria Attività 2: Implementazione del Polo Processi di trasformazione cosmesi mangimi Mat organico, Azoto, fosforo e sali Attività 3: Ricerca Sviluppo tecnologico e ottimizzazione impiantistica energetico Reflui zootecnici Biomassa microalgale Processi di trasformazione bioplastiche biofertilizzanti Attività 4: Osservatorio Acqua Attività 5: Servizi

10 Implementazione del POLO Cascade Raceway Thin layer Raceway open pond PBR 2 Flat panel 2 scivoli inclinati, 10 X 1 m Multilayer Photobioreactor A = 4 m 2 (V =0,9 m 3 ) 100 cm x 100 cm x 10 cm Cylindric PBR 500 Litri Lunghezza: 5 m V =200 litri Diametro: 35 cm

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12 Alcuni risultati. Trattamento reflui e sottoprodotti Valorizzazione microalghe

13 Coltivazione delle microalghe per la rimozione di nutrienti da sottoprodotti lattiero caseari In collaborazione con caseificio Il Cigno, di Agnadello (CR) Prova di coltivazione di Arthrospira platensis (spirulina) su scotta salata: prova alla scala pilota (semi-batch) Rimozione Ntot: 76% Rimozione COD: 94% Parametro Caratteristiche Scotta ph 5,5 9 COD (g/l) 50 0,5 N-NO3 (mg/l) <1 0 N-NH4 (mg/l) 10 0 N-tot (mg/l) Caratteristiche effluente

14 Mangimistica acquacoltura Disegno monofattoriale randomizzato 4 trattamenti (diete) testati in triplicato: -controllo -Spirulina controllo -Spirulina scotta - Mix chroococcus/scenedesmus/chlorella Storioni 192 A. baerii (Peso medio iniziale 12,6 ± 0.2 g) divisi random in 12 gruppi Experimental facilities 12 vasche circolari

15 Coltivazione delle microalghe per la rimozione di nutrienti da reflui zootecnici 2 fermentatori + 2 post fermentatori V = 9000 m 3 HRT 55 giorni T= 42 C 1 MWel Biogas plant W3 Elena Ficara WWTP Allevamento ( capi) Biogas 2 digestori in parallelo V = 3000 m 3 HRT 30 giorni T = 40 C 330 kwel

16 COD (mg/l) PO4(mgP/L) (mgn/l) NH4-N (mgn/l) TSS (g/l) 680 TSS (g/l) /4 29/4 13/5 27/5 10/6 24/6 8/7 22/7 5/8 19/8 NH4-OUT data NH4-IN 2/9 16/9 30/9 14/ /4 29/4 13/5 27/5 10/6 24/6 8/7 22/7 5/8 19/8 2/9 16/9 30/9 14/10 data 350 NO3-OUT NO2-OUT /4 29/4 13/5 27/5 10/6 24/6 8/7 22/7 5/8 19/8 2/9 16/9 30/9 14/10 data PO4-OUT PO4-IN semi batch 0 15/4 29/4 13/5 27/5 10/6 24/6 8/7 22/7 5/8 19/8 2/9 16/9 30/9 14/10 data CODs-OUT CODs-IN /4 29/4 13/5 27/5 10/6 24/6 8/7 22/7 5/8 19/8 2/9 16/9 30/9 14/10 data Produttività = 10 gss/m 2 /d in 9 mesi 27 tss/ha/anno Rimozione ammonio 90% [70-100] Nitrificazione NH 4 NO 2- NO 3 - (O 2 da fotosintesi) Rimozione P Media: 46% COD solubile Media: 67% (O 2 da fotosintesi)

17 g COD /L g COD /L Fermentazione Microalghe 5 Produzione di bioplastiche (poli-idrossi-alcanoati, PHA) da biomassa algale VFA Precipitazione Struvite 5 Accumulo PHA Batteri PAO Estrazione PHA Tempo [d] Tempo [d] Acetico Propionico Isobutirrico Butirrico Isovalerico Valerico TOT Risultati principali: Chlamydomonas sp. ph iniziale invariato F/M = 3 COD alghe_in = 10 g COD /L Scenedesmus sp. e Chlorella sp. ph iniziale = 11 F/M = 3 COD alghe_in = 10 g COD /L B A Contenuto di PHA: 0,12 g PHA /g ST Resa di conversione: 0,10 g PHA /g COD-VFA In corso: Prova di fermentazione in continuo C

18 Produzione di biogas da biomassa algale 1) Prove di Co-digestione microalgae con matrici ad alto contenuto di carbonio: -Siero di latte de-proteinato -Cellulosa ml biogas /g SV ml biogas /g SV + Obiettivo: Ottimizzare rapporto C/N della miscela Tempo [d] SL DP Biomassa algale + SL-DP Biomassa algale Tempo [d] Cellulosa Biomassa algale + Cellulosa Biomassa algale 2) Prove di pre-trattamento Scopo: rottura della parete cellulare -termico -chimico -meccanico

19 Trattamento microalgale dei reflui caseari Valeria Mezzanotte L azienda casearia si trova a Cazzago S. Martino (BS) (1660 t capacità di stoccaggio): Riciclo di prodotti nobili come lattosio e caseine tramite: Osmosi inversa, Ultrafiltrazione Sistema di concentrazione tramite evaporazione MVR. EQUALIZZAZIONE DELLE ACQUE DI LAVAGGIO DI PROCESSO

20 RISULTATI: rimozione nutrienti e COD Testate 2 popolazioni microalgali (scala lab) SA:Scenedesmus acuminatus PM: Popolazione mista composta da Chlorella, Chlamydomonas and Scenedesmus spp Rimozione % in SA: N tot 89 NH 4 -N 98 P tot 70 COD 89 Rimozione % in PM: N tot 90 NH 4 -N 99 P tot 71 COD N totale [mg/l] P totale [mg/l] Giorni Giorni COD [mg/l] Giorni SA PM

21 RISULTATI: qualità dell effluente Parametro Caratteristiche Chimicofisiche del refluo Effluente trattato con alghe Limiti italiani per scarico in acque superficiali (152/2006) Limiti italiani per scarico in fognatura (152/2006) ph 7, COD (mg/l) NH 4 -N (mg/l) NO 3 -N (mg/l) 0,3 < NO 2 -N (mg/l) 0 < Tot P (mg/l)

22 ESTRATTI ACQUOSI DA MICROALGHE: TEST DI BIOSTIMOLAZIONE SU SPECIE SENSIBILE CRESCIONE (Lepidium sativum L.) Aldo Tava ESTRATTI ACQUOSI TEST SU CRESCIONE TEST IN VITRO VALUTAZIONE DOPO 36 h Il crescione è la pianta utilizzata per la sua alta risposta alla biostimolazione (Wang et al. 2001, Chemosphere 44, )

23 BIOSTIMOLAZIONE DI ESTRATTI ACQUOSI DA MICROALGHE TESI MICROALGA ph EC (ds m -1 ) GI (%) 1 = Spirulina sp = Chlorella vulgaris = Scenedesmus sp = Nannochloropsis sp = Mix Scenedesmus sp. + Chrococcus sp = Cholorella vulgaris + Scenedesmus sp = Scenedesmus acuminatus wild = Porphiridium sp = Tetraselmis sp = Isochrysis sp EC = conducibilità elettrica; GI = germination index come riportato da Ronga et al. (2019). Scientia Horticulturea 244,

24 Risultati attesi e prospettive 1. Sviluppare una filiera basata sull'utilizzo di tecnologie microalgali che parta dalla coltivazione delle microalghe su reflui zootecnici e sottoprodotti caseari e arrivi ad un prodotto finito che andrà ad integrarsi funzionalmente alle altre filiere di vocazione locale. 2. Realizzare un centro di servizi e supporto per la verifica e il confronto di tecnologie, sperimentazione di nuove soluzioni impiantistiche 3. Supporto per la realizzazione di progetti imprenditoriali per il miglioramento continuo dell efficienza e della sostenibilità ambientale ed economica

25 Grazie per l attenzione!