LARGE SCALE PRODUCTION OF BIOCRUDE FROM MICROALGAE: EXPERIMENTAL MEASUREMENTS AND PROCESS SIMULATIONS TO ASSESS ITS ECONOMIC VIABILITY

I biocarburanti provenienti da biomassa microalgale sono considerati come una delle alternative migliori e più a breve termine per produrre energia pulita. Le microalghe sono microorganismi capaci di convertire l’energia solare in energia chimica che può essere sfruttata come combustibili di diverse tipologie sia liquida sia gassosa. L’obiettivo della ricerca presentata in questa Tesi é di valutare il potenziale della tecnologia per la produzione di olio da microalghe, analizzando diverse alternative e concetti sia in modo sperimentale che tramite simulazioni del processo. Il Capitolo 1 é una discussione introduttiva sulla situazione mondiale delle microalghe, recenti studi e gli ultimi risultati riportati su questa tecnologia. Dal punto di vista sperimentali, nei Capitoli 2 e 3 di questa tesi si sono approfonditi, la coltivazione di microalghe in acque reflue e la capacità che presentano alcune specie di microalghe di crescere in acque reflue non trattate, verificata con la microalga Chlorella protothecoides. La crescita é stata valutata in acque provenienti da diversi step del di trattamento delle acque, per selezionare la stream ottimale per la crescita delle microalghe. Inoltre, é stata testata la efficienza nella rimozione di nutrienti e i tassi di rimozione in acque reflue reali. Nel Capitolo 2 si riportano anche la produzione di biomassa in stato stazionario con alimentazione continua del effluente. Nel Capitolo 3 sono stati studiati gli effetti della temperatura, l’irradiazione in ciclo giorno/notte e la competizione batterica sulla crescita di C. protothecoides, e la rimozione dei nutrienti con l’obiettivo d’integrare entrambe tecnologie in un approccio realistico. É stato infine proposto uno schema modificato dell’impianto di depurazione. Il Capitolo 4 presenta il lavoro sperimentale per la valutazione della capacità di produzione di biogas da microalghe e le loro velocità di degradazione nel processo di digestione anaerobica: sono state testate diverse condizioni come la tipologia del’inoculo batterico e la concentrazione della biomassa algale all’inizio delle prove. Inoltre, questo capitolo riporta anche la ricerca nel recupero del contenuto energetico dalla biomassa residua dopo l’estrazione di olio, dimostrando che il metodo di estrazione dell’olio é un fattore importante. La produzione di biogas e sua corrispondente frazione di metano sono stati testati considerando l’effetto della miscela di solvente usato nella estrazione, e i risultati sono stati confrontati con quelli della biomassa microalgale prima della estrazione. Il Capitolo 5 é focalizzato sulla conversione di biomassa mediante il processo di liquefazione idrotermica (HTL) che viene svolto a temperature tra 200 C e 375 C (la pressione é quella necessaria per mantenere l’acqua in stato liquido), ed é caratterizzato da alte rese. Tuttavia, uno dei sottoprodotti é una fase acquosa con alto contenuto di componenti organici che deve essere trattata adeguatamente per evitare ulteriori costi. In questo capitolo si riporta il lavoro sperimentale svolto con l’obiettivo di recuperare e riutilizzare l’acqua di processo mediante un riciclo nel sistema stesso. Inoltre si é misurato l’effetto della temperatura e del numero di ricicli nelle rese di produzione di olio, gas, residuo solido e la fase acquosa e la composizione dei prodotti. Nel Capitolo 6 si riporta l’analisi energetica del processo per la produzione di biocrudo: lo studio é stato svolto considerando diverse tipologie e condizioni di processo, i quali sono stati modellati e simulati dal simulatore di processo Aspen PlusTM, col fine di verificare e ottimizzare i profitti energetici rispetto all’analisi del EROEI, e di proporre un processo energeticamente autosufficiente. Dei diversi processi studiati per ottenere energia della biomassa quello che utilizza la combustione di biomassa dopo estrazione dell’olio é risultato il più favorevole in termini energetici. In particolare, due casi di questo processo sono stati confrontati con un caso base, variando la provenienza dei requisiti energetici (calore ed elettricità), fornendoli sia da fonti esterne che dal processo steso. In ultimo, nel Capitolo 7 si riporta una valutazione tecnica di un impianto per la produzione di biodiesel da microalghe in cui si propone una nuova configurazione della sezione di crescita, un fotobioreattore ibrido, il Closed Pond Reactor (CPR). L’intero processo é stato simulato Aspen PlusTM e ottimizzato per ottenere i migliori benefici in termini energetici. La progettazione e il dimensionamento delle attrezzature tecnologiche sono stati effettuati per ottenere una stima realistica dei costi, considerando sia CAPEX (costi di capitale) e OPEX (costi operativi). Nell’analisi economica si é valutata, la redditività del processo su scala industriale e sono stati calcolati i prezzi di vendita corrispondenti dell’olio e del biodiesel necessario per rendere la produzione economicamente sostenibile.