Dalle microalghe ai biocarburanti: passo breve?

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1 prof. Rossella Pistocchi LABORATORIO DI BIOLOGIA E FISIOLOGIA ALGALE CIRSA - Ravenna A L G O L A B Dalle microalghe ai biocarburanti: passo breve?

2 Biocarburanti I generazione II generazione III generazione Colture amidacee (mais, canna da zucchero) Colture oleaginose (girasole, soia, colza, palma) Materie lignocellulosiche di scarto Jatropha Alghe Competizione con l uso alimentare Utilizzo di parte della biomassa

3 Combustibili da biomasse algali Le alghe hanno la stessa composizione chimica delle piante in quanto sono formate da: Proteine Carboidrati Lipidi (trigliceridi) In percentuali variabili a seconda della specie

4 Anche dai lipidi (ad es. dai trigliceridi ) delle alghe si può ottenere il biodiesel tramite una semplice reazione di transesterificazione: Le rese stimate sono maggiori di quelle ottenibili da altre fonti vegetali (per ettaro e per anno)

5 Come per le piante terrestri dalle microalghe si potrebbero ottenere diversi prodotti Biodiesel Biogas Etanolo Idrogeno

6 Le alghe come fonte di biocarburanti PRO Utilizzo di CO 2 per crescere Elevata capacità di crescita rispetto alle piante terrestri La coltivazione non compete con la produzione agricola destinata all alimentazione umana Possibilità di coltivazione in aree non altrimenti sfruttabili Possibilità di utilizzare sia acqua dolce che salata CONTRO La tecnologia non è ancora pronta

7 Quali passaggi comporta la coltivazione di alghe per fare biocarburanti? Crescita della specie adatta Raccolta Trasformazione

8 CRESCITA

9 Crescita delle microalghe Le cellule delle microalghe per crescere si dividono (in media 1 volta al giorno); quindi aumentano di numero in tempi relativamente brevi e questo può avvenire anche in ambienti artificiali (colture)

10 Parametri che influenzano la crescita delle microalghe Valori ottimali di: Luce CO 2 Temperatura Salinità ph O 2 Abbondanza di nutrienti (azoto e fosforo)

11 Come si coltivano le alghe? Le colture possono essere ingrandite per ottenere molte microalghe I metodi di coltivazione su larga scala sono due: Sistemi aperti (vasche) Sistemi chiusi (fotobioreattori)

12 Sistemi aperti Sono costituiti da una serie di vasche poco profonde di forma varia; le più comuni sono di forma ellittica chiamate raceways PRO costo limitato operatività semplice CONTRO raggiungono una densità algale non elevata adatti solo per climi tropicali o subtropicali costo del terreno e disponibilità di acqua elevati costi di raccolta contaminazione facile e perciò adatti solo per un numero limitato di specie!

13 Sistemi open-air per coltivazioni industriali Coltivazione di Dunaliella salina per la produzione di beta-carotene Coltivazione di Chlorella sp. venduta come integratore alimentare Coltivazione di Arthrospira platensis (Spirulina) venduta come integratore alimentare Coltivazione di Haematococcus pluvialis per la produzione di astaxantina L alga cresce a livelli di salinità dannosi per gli altri microorganismi L alga cresce più velocemente degli organismi competitori L alga cresce a un ph molto basico Solo l ultima parte del ciclo riproduttivo viene effettuata all aperto

14 Sistemi chiusi o fotobioreattori Possono permettere la crescita di molte specie Ne esistono molti tipi e si differenziano: per il design per il materiale di costruzione per l operatività

15 Tipi di fotobioreattori Fotobioreattori a colonna Fotobioreattori tubulari Fotobioreattori a elica o biocoil Fotobioreattori piatti

16 Fotobioreattori PRO Le alghe crescono prive di contaminanti Hanno un efficiente utilizzo della luce I parametri ambientali possono essere controllati I costi di raccolta sono minori C è necessità di una minore estensione di terreno CONTRO Le alghe sono esposte ad elevate concentrazioni di O 2 Possono essere stressate dal mescolamento I PBR necessitano di pulizia frequente per il biofouling I materiali sono deteriorabili I costi sono elevati E difficile portarli a dimensioni industriali

17 Fotobioreattori utilizzati per coltivazioni industriali A livello industriale vengono usati solo fotobioreattori a colonna per la coltivazione di microalghe da usare come cibo in acquacoltura

18 SCELTA DELLA SPECIE

19 Quali alghe sono adatte come fonte di energia? L organismo adatto deve avere una serie di caratteristiche: Velocità di crescita elevata (tempo di duplicazione) Resa elevata in biomassa (g peso secco/litro di coltura) Alto contenuto di lipidi (% su peso secco) Composizione lipidica adatta Questi aspetti si riassumono come produttività: mg lipidi/litro di coltura per giorno inoltre: Facilità di raccolta Facilità di estrazione

20 Quali alghe hanno un alto contenuto di lipidi? Le alghe hanno un contenuto di lipidi che varia tra il 2 e il 75% del peso secco, quello con un contenuto > 20% sono considerate oleaginose La specie più ricca in assoluto è Botryococcus braunii con un contenuto del 25-75% del peso secco La sua velocità di crescita è molto bassa

21 Diverse microalghe contengono tra il 25 e il 60% di lipidi Ad es. Nannochloropsis sp. Neochloris oleoabundans Chlorella sp. Le alghe producono più lipidi quando sono stressate (soprattutto in carenza di azoto) ma questo rallenta la crescita

22 RACCOLTA

23 Come si raccolgono le microalghe? Sedimentazione Centrifugazione Processo lento e il prodotto si potrebbe alterare Elevato consumo di energia Filtrazione Facile intasamento dei filtri Naturale o indotta da variazioni di ph Flocculazione Indotta da composti chimici quali FeCl 3, Ca(OH) 2, NaOH, AlCl 3 o polimeri naturali cationici

24 ESTRAZIONE

25 Per ottenere i prodotti desiderati dalle alghe si può usare: Biomassa umida Biomassa secca o liofilizzata La biomassa viene sottoposta a: estrazione frazionata si estrae prima la componente lipidica (con solventi come esano, cloroformio, metanolo) poi si trasforma il rimanente (carboidrati e proteine) trasformazione in toto (pirolisi, gasificazione)

26 E economicamente vantaggioso coltivare le microalghe? La risposta è sì Il prodotto può essere utilizzato nei motori esistenti? La risposta attuale è NO

27 Come si può migliorare il processo? con molta ricerca sui diversi aspetti Scelta della specie adatta Ottimizzazione della coltivazione Ottimizzazione della raccolta Ottimizzazione della trasformazione

28 Scelta della specie Individuazione di nuove specie ad elevata crescita e composizione cellulare adatta Prove di crescita nelle acque a disposizione Modificazione genetica delle alghe

29 Ottimizzazione della coltivazione Uso di acque reflue come fonte di nutrienti Disegno di fotobioreattori economici e resistenti

30 Raccolta Si può: Evitare Migliorare Individuazione di bioflocculanti ad elevata efficienza e basso costo Disegno di nuovi dispositivi di raccolta

31 Estrazione Ottimizzazione dell estrazione dei prodotti di interesse (nuovi solventi e procedure di estrazione) Separazione di prodotti utilizzabili separatamente (bioraffineria): mangimi, farmaci, integratori, cosmetici, nanomateriali ecc.

32 Quando si potranno avere biocarburanti da microalghe? Il Dipartimento dell Energia degli Stati Uniti, ovvero del paese che sta investendo di più sulla ricerca in questo campo, stima che ci vorranno ancora molti anni

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