Dalle microalghe ai biocarburanti: passo breve?

prof. Rossella Pistocchi
LABORATORIO DI BIOLOGIA E FISIOLOGIA ALGALE
CIRSA - Ravenna
A
L
G
O
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B
Dalle microalghe ai
biocarburanti: passo breve?
Biocarburanti
I generazione
Colture
amidacee
(mais,
canna da
zucchero)
Colture
oleaginose
(girasole,
soia, colza,
palma)
•Competizione
con l’uso
alimentare
•Utilizzo di
parte della
biomassa
II generazione
Materie lignocellulosiche
di scarto
Jatropha
III generazione
•Alghe
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
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)
Come per le piante terrestri dalle microalghe
si potrebbero ottenere diversi prodotti
Biodiesel
Biogas
Etanolo
Idrogeno
Le alghe come fonte di biocarburanti
PRO
• Utilizzo di CO2 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…
Quali passaggi comporta la coltivazione di
alghe per fare biocarburanti?
Crescita della specie adatta
Raccolta
Trasformazione
CRESCITA
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)
Parametri che influenzano la crescita delle
microalghe
Valori ottimali di:
Luce
CO2
Temperatura
Salinità
pH
O2
Abbondanza di nutrienti
(azoto e fosforo)
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)
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!
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
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
Tipi di fotobioreattori
Fotobioreattori a colonna
Fotobioreattori tubulari
Fotobioreattori a elica o biocoil
Fotobioreattori piatti
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
Le
alghe
sono
esposte
ad
elevate
concentrazioni di O2
CONTRO 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
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
SCELTA DELLA SPECIE
Quali alghe sono adatte come fonte di
energia?
L’organismo
adatto
caratteristiche:
deve
avere
una
serie
di
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
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
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
RACCOLTA
Come si raccolgono le microalghe?
Sedimentazione
Processo lento e il prodotto
si potrebbe alterare
Centrifugazione
Elevato consumo di energia
Filtrazione
Facile intasamento dei filtri
Naturale o indotta da
variazioni di pH
Flocculazione
Indotta da composti chimici
quali FeCl3, Ca(OH)2, NaOH,
AlCl3 o polimeri naturali
cationici
ESTRAZIONE
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)
E’ economicamente vantaggioso coltivare le
microalghe?
La risposta è sì
Il prodotto può essere utilizzato nei motori
esistenti?
La risposta attuale è NO
Come si può migliorare il processo?
…con molta ricerca sui diversi aspetti
Scelta della specie
adatta
Ottimizzazione
della raccolta
Ottimizzazione
della coltivazione
Ottimizzazione della
trasformazione
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
Ottimizzazione della coltivazione
Uso di acque reflue come fonte di
nutrienti
Disegno di fotobioreattori economici
e resistenti
Raccolta
Si può:
Evitare
Migliorare
Individuazione di bioflocculanti ad elevata efficienza
e basso costo
Disegno di nuovi dispositivi di raccolta
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.
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”