7 Congresso Nazonale CIRIAF Att (Peruga 3/3 marzo 7) IMPIEGO DELL ALGA VERDE CHLAMYDOMONAS REINHARDTII PER LA PRODUZIONE DI IDROGENO Ines Montecarlo, Nada Cors, Margherta Gulobello, Federco Ross 3, Elo Cenc, Francesco Bston, Antonella Mencacc Sezone d Mcrobologa, Dpartmento d Medcna Spermentale e Scenze Bochmche, Unverstà degl Stud d Peruga, Va del Gochetto, Peruga. IPASS-Consorzo Ingegnera Per l Ambente e lo Svluppo Sostenble, Va G. Guerra 3, 7 Peruga. 3 Sezone d Fsca Tecnca, Dpartmento d Ingegnera Industrale, Unverstà degl Stud d Peruga, Va Durant 7, 5 Peruga. SOMMARIO La produzone fotobologca d drogeno da parte dell alga verde Chlamydomonas renhardt ha svluppato notevole nteresse nel campo della rcerca sulle energe rnnovabl. La quanttà d drogeno prodotto da quest alga dpende da var fattor qual la composzone del terreno d coltura, l esposzone alla luce solare, la presenza d ossgeno, etc. Nel nostro studo stamo spermentando le mglor condzon d coltura dell alga, al fne d ottenere una produzone ottmale d drogeno. La spermentazone relatva alla coltvazone d C. renhardt n terren con dversa composzone chmca ha dmostrato che, n accordo con la letteratura specfca, la pù elevata produzone d drogeno s ottene n terreno Trs-acetate phosphate () prvo d zolfo e solfat. Sono stat condott due esperment sottoponendo le colture a dverse condzon d llumnamento. Nel prmo espermento sono stat utlzzat due tp d lampade fluorescent a vapor d mercuro con dverse temperature d colore (rspettvamente 5. e.7 K), e una lampada allo xeno con una temperatura d colore d.8 K. Nel secondo espermento sono state mpegate due delle lampade gà utlzzate nel prmo espermento (una lampada a vapor d mercuro con una temperatura d colore d.7 K e una lampada allo xeno con una temperatura d colore d.8 K). Inoltre alcun campon sono stat sottopost ad llumnazone naturale. Lo scopo è stato quello d stablre l effetto delle dverse condzon d llumnamento sulla produzone d drogeno da parte delle colture. INTRODUZIONE L utlzzo ndscrmnato d font non rnnovabl comporta sa l problema d garantre la scurezza dell approvggonamento d energa che quello d argnare l mpatto ambentale relatvo a tale uso. Da qu la necesstà d dover rcorrere a font d energa rnnovabl ovvero forme d energa che s rgenerano rapdamente medante process natural. Una delle possbl alternatve a combustbl fossl è rappresenta dall drogeno n quanto fonte d energa pulta e rnnovable. L affermars d questa tecnologa, una volta superat suo lmt ntrnsec, è scuramente una delle pù affascnant e stmolant prospettve nell ottca d uno svluppo ambentale e socale realmente sostenble. Lo svluppo d una economa fondata sull drogeno rchede qund l mplementazone d metod d produzone, economcamente e tecncamente compettv. La produzone d drogeno a partre da molecole norganche da parte d mcrorgansm rappresenta una attraente e ambzosa possbltà. Allo stato attuale delle conoscenze, gl stud ndcano per tale processo un lvello d effcenza d conversone energetca (rapporto tra energa prodotta dall drogeno ottenuto e energa mpegata) compreso tra l 5% e l %. Nonostante l rendmento energetco sa troppo basso per un applcazone su larga scala n termn economcamente vantaggos, tale tecnologa rappresenta un nteressante alternatva a sstem d conversone che mpegano font energetche tradzonal, anche n consderazone de notevol margn d mgloramento offert da sstem bologc. Il lavoro spermentale descrtto nel presente artcolo ha lo scopo d ndvduare le condzon ottmal d coltvazone dell alga verde Chlamydomonas renhardt, fnalzzate alla produzone d drogeno, al fne d progettare un fotoboreattore ad elevata effcenza per la produzone bologca d tale gas. MATERIALI E METODI Coltvazone d C. renhardt. Le colture d C. renhardt (7.5 x cellule/ml terreno d coltura) sono state noculate all nterno d bottgle graduate da 5 ml n vetro boroslcato (fgura ). Fgura : Bottgla graduata Le bottgle sono dotate d tappo n Poltereftalato d Butle (PBT) resstente fno a 8 C con guarnzone n Poltetra Fluoroetlene (PTFE). Ogn bottgla presenta 5 attacch con tapp forat dotat d setto poroso n butle/teflon.
Sono stat effettuat due dvers esperment n cu le colture sono state sottoposte a dverse condzon d llumnazone (naturale e artfcale) ed è stata determnata la produzone d drogeno a dvers temp d coltura. A tal fne sono state allestte dfferent postazon, ognuna costtuta da una scatola con paret rflettent rvestte n allumno, all nterno delle qual le bottgle contenent le colture sono state poszonate (Fgura ). Fgura : Postazon d prova Msurazone dell drogeno prodotto Per la rlevazone de gas contenut nelle bottgle è stato utlzzato un gascromatografo con rlevatore TCD n grado d msurare la percentuale n termn d concentrazone n volume d drogeno (ma anche dell azoto, dell ossgeno e dell andrde carbonca) presente all nterno de contentor d vetro durante l ntero perodo d durata della prova. In ognuno de due esperment effettuat la prma d n msurazon è stata condotta al momento dell noculo (t = tempo zero). Con T è ndcato l perodo d durata totale della prova e con T l ntervallo d tempo tra una msurazone e l altra con = n- Indcando con x la percentuale n volume d drogeno rlevata dallo strumento e con v l volume prelevato dal contentore nel corso d ogn msurazone, l volume totale d drogeno prodotto nel corso della prova V H sarà dato da: n VH x prodotto v + V H n cu: V H prma = = del prelevo = n = x V lbero prma del prelevo Condzon d coltura nel prmo espermento Nel prmo studo C. renhardt è stata coltvata parallelamente n terren con dversa composzone chmca: Trs-acetatephosphate () con zolfo e prvo d zolfo e solfat (5 x C. renhardt n ml d terreno / bottgla). Le v () () colture sono state esposte contemporaneamente a dverse temperature d colore medante l mpego d due tp d lampade fluorescent a vapor d mercuro con temperature d colore d 5 e 7 K, e una lampada allo xeno con una temperatura d colore d 8 K. (Tabella ) Tabella. Caratterstche delle lampade nstallate nelle tre postazon TIPO DI LAMPADA TONALITÀ DI LUCE POTENZA NOMINALE (W) Indce d resa cromatca R a Flusso lumnoso Ф(lm) Lunghezza x dametro (mm) TEMP. DI COLORE T C (K) ILLUMIN. E V (lux) a vapor d mercuro (75 BASIC OSRAM) Luce banca durna DAYLIGHT a vapor d mercuro (85 LUMINUX OSRAM) Luce banca tono caldo WARM WHITE 3x3 =9 3x3 =9 35 7 79 8 89 >9 9 (3 lm/w) (8 lm/w) allo xeno ULTRA WHITE 895x 895x x7 5 5) 3 7) 5 (7 lm/w) 8 8) 53 3 Per la spermentazone svolta sono stat preparat campon codfcat n base al tpo d terreno e alla lampada utlzzata. La codfca de campon è rportata nella Tabella Tabella. Codfca de campon Tpologe d colture C. renhardt n terreno senza zolfo C. renhardt n terreno con zolfo Lampade - Tc (K) 7 5 8 A B C AS BS CS Condzon d coltura nel secondo espermento Colture d C. renhardt n terreno senza zolfo sono state sottoposte ad llumnazone contnua con lampada con Tc= 7 K e lampada allo xeno e parallelamente le stesse colture sono state esposte alla sola luce del sole. Sono stat preparat campon codfcat n base al tpo d terreno e alla lampada della postazone d prova n cu è stato poszonato l campone. La codfca de campon è rportata nella Tabella 3
Tabella 3. Codfca de campon Tpologa d coltura 5 x C. renhardt/ ml 5 x C. renhardt/ ml 5 x C. renhardt/ ml 3 x C. renhardt/ ml 3 x C. renhardt/ ml 3 x C. renhardt/ ml A T C =7 K Tpo d llumnazone C allo Xeno T C =.8 K 5 Luce solare 3 con Tc= 5 K). Tal valor sono par a 5 mmol per l campone AS e 7 mmol per l campone BS. Il campone CS (cultura d C. renhardt n terreno con zolfo sottoposto ad llumnazone contnua con lampada allo xeno) ha presentato un andamento crescente nel tempo durante tutto l perodo d durata della prova raggungendo un valore massmo d 7, mmol dopo 7 gorn dall noculo. drogeno prodotto (mmol) 8 8-5 5 5 3 35 A B C RISULTATI Prmo espermento I campon che hanno dato mglor rsultat n termn d quanttà d drogeno prodotto sono quell delle colture A e C ovvero C. renhardt coltvata n terreno senza zolfo sottoposto ad llumnazone contnua con lampada con Tc=7 K (coltura A) e con lampada allo xeno con Tc=8K (coltura C) In partcolare (Fgura 3) per l campone A la quanttà totale d drogeno prodotto è stata crescente nel tempo fno all undcesmo gorno dall noculo n corrspondenza del quale è stato raggunto l valore massmo d mmol. Dall undcesmo al ventduesmo gorno dall noculo s è regstrato un andamento decrescente e la quanttà totale d drogeno è scesa fno a 9 mmol. Dal gorno al gorno 3 s è regstrato un andamento oscllante con valore massmo d drogeno prodotto d crca mmol. Per l campone C la quanttà totale d drogeno prodotto è stata crescente nel tempo fno al ventesmo gorno dall noculo n corrspondenza del quale è stato raggunto l valore massmo d 77 mmol. Dal ventesmo al ventduesmo gorno s è regstrato un andamento decrescente e la quanttà totale d drogeno è scesa fno a 5 mmol. Dal gorno al gorno 3 s è regstrato un andamento oscllante, con valore massmo d drogeno prodotto d crca 3 mmol. Per quanto rguarda campon delle culture n terreno con zolfo (AS, BS e CS) gl andament della quanttà totale d drogeno prodotto erano oscllant durante prm gorn dall noculo (Fgura ). Tuttava è durante tale perodo che sono stat raggunt valor massm per campon AS (cultura d C. renhardt n terreno con zolfo sottoposto ad llumnazone contnua con lampada con Tc= 7 K) e BS (cultura d C. renhardt n terreno con zolfo sottoposto ad llumnazone contnua con lampada Fgura 3: Quanttà totale d drogeno prodotto dalle colture d C. renhardt n ml d terreno senza zolfo n 8-5 5 5 3 35 Fgura : Andamento della quanttà totale d drogeno prodotto dalle culture coltvate n ml d terreno senza zolfo n funzone del tempo d noculo I rsultat ottenut permettono d trarre le seguent concluson: ) a partà d condzon d llumnazone l terreno d crescta mglore è rsultato essere quello senza zolfo; ) le condzon d luce pù favorevol per una maggor produzone d drogeno da parte delle colture sono state AS BS CS
ottenute con la lampada con temperatura d colore d 7 K e con la lampada allo xeno. Con quest ultma è stata regstrata la massma produzone d drogeno (77 mmol) dopo gorn dall noculo. Secondo espermento 35 3 Le colture d C. renhardt sottoposte a lampada e lampada allo xeno hanno permesso d ottenere andament e valor d drogeno prodotto abbastanza sml e scuramente mglor rspetto alle condzon d llumnazone naturale. In partcolare rsultat pù soddsfacent sono stat raggunt con l campone (C. renhardt sottoposta a llumnazone artfcale con lampada con Tc = 7K), n cu la quanttà totale d drogeno prodotto è stata crescente nel tempo fno all undcesmo gorno dall noculo n corrspondenza del quale è stato raggunto l valore massmo d mmol (Fgura 5). Dall undcesmo al trentatreesmo gorno dall noculo s è regstrato un andamento decrescente e la quanttà totale d drogeno è scesa fno a 7 mmol. 5 5 5 5 5 5 3 35-5 5 8-5 5 5 3 35 Fgura 5: Quanttà totale d drogeno prodotto dalle colture d C. renhardt n ml d terreno senza zolfo n Per le colture, 5, e, n cu la quanttà d terreno all nterno d cascuna bottgla era doppa rspetto alle colture,, e 3, e, d conseguenza, la quanttà d cellule coltvate era raddoppata, rsultat pù soddsfacent sono stat raggunt con l campone 5 (C. renhardt sottoposta a llumnazone artfcale con lampada allo xeno con Tc = 8K) n cu la quanttà totale d drogeno prodotto è stata crescente nel tempo fno al quattordcesmo gorno dall noculo n corrspondenza del quale è stato raggunto l valore massmo d 8 mmol/ ml d (Fgura ). Dal quattordcesmo al dcassettesmo gorno dall noculo s è regstrato un andamento decrescente e la quanttà totale d drogeno è scesa fno a 7-8 mmol e tale valore s è mantenuto costante fno al trentatreesmo gorno. 3 Fgura : Quanttà totale d drogeno prodotto dalle colture d C. renhardt n ml d terreno senza zolfo n CONCLUSIONI I rsultat della spermentazone descrtta dmostrano che: ) l uso d terreno prvo d zolfo e solfat per la coltvazone dell alga C. renhardt s assoca ad una maggore produzone d drogeno, ) la quanttà d drogeno prodotto è proporzonale al numero d cellule d Chlamydomonas coltvate, 3) la esposzone delle colture a luce artfcale è assocata ad una maggore produzone d drogeno rspetto all esposzone a luce solare, ) la massma produzone d drogeno (8 mmol/ml d ) è stata regstrata dopo esposzone alla luce da lampada allo xeno, dopo gorn dall noculo. Non s è rtenuto opportuno normalzzare quanttatv d drogeno prodotto al volume d terreno poché tale produzone dpende sa dal volume della coltura, sa dalla superfce lbera d nterfacca con l ara che con la superfce drettamente esposta alla luce solare. BIBLIOGRAFIA. Belcher H. and Swale E., Culturng algae: a gude for school and colleges. Culture collecton of Algae ad Protozoa, Amblesde, England, U.K. 988.. Bston F., Mencacc A., Cenc E., Montecarlo I., Corbucc C., Ross F., Gulobello M., Svluppo d un dspostvo per l ottenmento d drogeno medante process fotobologc. Congresso Nazonale CIRIAF Att (Peruga 7/8 aprle ). 3. Gaffron H., Reducton of CO wth H n green plants. Nature, vol. 3, pp -5, 939.. Gaffron H. and Rubn J., Fermentatve and photochemcal producton of hydrogen n algae. Journal of General Physology, vol., pp. 9-, 9.
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