Produzione di idrogeno verde da microalghe

Carbon dioxide (CO₂), a vital part of Earth’s carbon cycle, plays a key role in enabling photosynthesis and respiration. However, due to the continued reliance on fossil fuels and widespread deforestation, human activities have led to a significant increase in atmospheric CO₂ levels, which is closely linked to global warming and climate change. Mitigating CO₂ emissions has therefore become a top priority. One promising approach is the use of organic renewable resources, such as agricultural residues or waste products, to produce hydrogen through thermochemical, biological, or electrochemical processes. The hydrogen generated can then be used as a carbon-free energy vector. This method is valuable for producing green hydrogen (H₂), which involves no net fossil CO₂ emissions, and is crucial for advancing the hydrogen economy. A particular type of organic renewable source that do not require agricultural land is microalgae strains. A determinant advantage of strains able to grow in alkaline and saline environments is the integration of Carbon Capture and Storage through biofixation, followed by Utilization of the produced biomass. This includes the valorization of its valuable fractions (lipids, proteins, pigments, and/or sugars) and the conversion of the residue into bio-hydrogen, ensuring full utilization of the raw material and promoting a circular economy strategy. This lays the foundation for a microalgae biorefinery, where the biomass production system becomes the focal point of the entire process. A laboratory-scale prototype photobioreactor (PBR) was used to study the process at a laboratory scale, targeting operational parameters and culture composition, in order to maximize biomass productivity and CO2 biofixation. Using Spirulina platensis SAG 85.79 strain, a productivity of 0.88 g/L∙day and a CO2 utilization efficiency of 58 wt% were achieved. Based on these results, we refined the nutrient composition, particularly the carbon and nitrogen sources. A transition to mixotrophic growth was tested by adding small amounts of organic carbon sources, leading to a final productivity of 1.06 g/L/day while lowering costs. Seven industrially produced Spirulina samples, differing in drying and storage conditions, were analyzed to evaluate lipid and fatty acid profiles, VOCs, polyphenol content, protein content, and antioxidant potential. The findings provided valuable data to optimize the drying and storage conditions, in order to preserve the nutritional and aromatic integrity while minimizing degradation. Additionally, small scale protein extraction was optimized using a DoE method, yielding a valuable protein-rich (up to 85%) fraction and a carbohydrate-rich solution potentially suitable for hydrogen production via reforming. The final stage of the project focused on synthesizing a new trisaminocyclopropane (TAC) heterogeneous catalyst suitable for the electrophotoreforming of the carbohydrate-rich fraction from microalgal biomass. This last is expected to enable the study of a low energy input generation of bio-hydrogen. Together, these efforts contribute to advancing the development of sustainable biorefinery processes capable of bio-CCUS, production of carbon-based products, and production of green hydrogen without the use of agricultural land.

L’anidride carbonica (CO₂) è una componente vitale del ciclo del carbonio terrestre e svolge un ruolo chiave nei processi di fotosintesi e respirazione cellulare. Tuttavia, a causa della continua dipendenza dalle risorse fossili e della diffusa deforestazione, le attività umane hanno significativamente aumentato i livelli di CO₂ atmosferica, strettamente correlati al riscaldamento globale e ai cambiamenti climatici. Ridurre le emissioni di CO₂ è quindi diventato una priorità cruciale. Un approccio promettente per mitigare tali emissioni risiede nell'uso di risorse organiche rinnovabili, come i residui agricoli o i sottoprodotti organici di diverse industrie, per produrre idrogeno sostenibile attraverso processi termochimici, biologici o elettrochimici. L'idrogeno così generato può essere utilizzato come vettore energetico privo di carbonio. Questo metodo è prezioso per la produzione di idrogeno verde, che prevede l’assenza di emissioni fossili nette durante la sua produzione, ed è essenziale per favorire l'avanzamento dell'economia dell'idrogeno. Un tipo particolare di risorsa rinnovabile di origine organica, che non richiede terreni coltivabili, è rappresentato dalle microalghe. Un vantaggio determinante di certi ceppi microalgali capaci di crescere in ambienti altamente alcalini e salini è l'integrazione del processo di Cattura e Sequestro del Carbonio (CCS) attraverso la loro biofissazione, seguita dall'utilizzo della biomassa prodotta. Questo include la valorizzazione delle frazioni organiche e la conversione del residuo in bio-idrogeno, garantendo così l'uso completo del materiale di partenza e promuovendo una strategia basata sull’economia circolare. Per questo progetto, è stato costruito un fotobioreattore (PBR) da laboratorio per studiare il processo, investigando i parametri operativi e la composizione del terreno di coltura al fine di massimizzare la produttività delle microalghe e la biofissazione della CO₂. Utilizzando il ceppo Spirulina platensis SAG 85.79, abbiamo ottenuto una produttività di 0,88 g/L·giorno e un'efficienza di utilizzo della CO₂ del 58% in peso. Sulla base di questi risultati, abbiamo raffinato la composizione dei nutrienti, con particolare attenzione alle fonti di carbonio e azoto. Abbiamo testato una modalità di crescita mixotrofica, aggiungendo piccole quantità di fonti organiche di carbonio, raggiungendo una produttività finale di 1,06 g/L·giorno, riducendo al contempo i costi. Successivamente, abbiamo analizzato sette campioni di Spirulina prodotti industrialmente, diversi per modalità di essiccazione e conservazione, per determinare il profilo degli acidi grassi, il contenuto di polifenoli, il profilo dei composti organici volatili (VOCs), il contenuto proteico e il potenziale antiossidante. I dati ottenuti ci hanno permesso di valutare le condizioni di conservazione ottimali per preservare l'integrità aromatica, minimizzando la degradazione della biomassa. Inoltre, abbiamo ottimizzato, tramite il metodo DoE, un'estrazione proteica su piccola scala, ottenendo una frazione ricca di proteine (fino all’85% in peso) e una soluzione ricca di carboidrati, potenzialmente utilizzabile per la produzione di idrogeno tramite reforming. Infine, ci siamo concentrati sulla sintesi di un nuovo catalizzatore eterogeneo triamminociclopropenilico (TAC), adatto all'elettroreforming della frazione microalgale ricca di glucidi. Il catalizzatore è un candidato per la produzione di bio-idrogeno tramite un metodo a basso consumo energetico. Nel complesso, questi studi contribuiscono allo sviluppo di un processo sostenibile capace di integrare la cattura e l'utilizzo della CO₂ (bio-CCUS), la produzione di prodotti a base di carbonio e la produzione di idrogeno verde, senza competere con l'uso di terreni agricoli.