Innovation and sustainability of an industrial microalgae cultivation system assessed through life cycle assessment approaches [Innovazione e sostenibilità di un sistema di coltivazione industriale di microalghe valutato attraverso approcci di valutazione del ciclo di vita]

The research conducted over the three years focused on the sustainability analysis of industrial plants dedicated to the monocultural cultivation of microalgae and the biochemical conversion of CO₂ for the production of biomass and derived products. This work required a multidisciplinary scientific approach, centered on the emerging challenges of a growing sector that involves engineering, biology, and biotechnology. By exploring the themes of "Circular bioeconomy and process sustainability," attention was focused on the potential environmental impacts associated with these innovative systems and the need to improve performance to foster the development of this emerging productive sector. A central aspect of the research was the study of the processes involved in algae biomass production in an industrial plant, with the aim of identifying, through the standardized Life Cycle Assessment (LCA) methodology, the main environmental impact hotspots and the most sustainable solutions. The doctoral thesis, consisting of a series of scientific publications illustrating the incremental work and data processing carried out over the three years, is divided into six chapters. The main activities conducted during the research process can be summarized as follows: • Research and literature review: in-depth study of the LCA methodology and the environmental and economic sustainability of production processes based on microalgae, with particular attention to pilot or industrial-scale plants. Additionally, the SimaPro software was studied for LCA analysis. • Primary data collection: at a company, data were collected to create the inventory and conceptual model of the flowchart used to process the material and energy flows, both input and output, involved in a plant using photobioreactors with a total capacity of 43 m³. • Case study structuring: the case study was structured in the dedicated software, with a critical analysis of the inventory results and impact category characterization. • Comparative analysis: the results were compared with relevant scientific literature to evaluate the consistency and significance of the data. • Systematic scenario and sensitivity analyses to develop more sustainable industrial strategies with reduced environmental impact.

La ricerca svolta nei tre anni di attività si è concentrata sull'analisi della sostenibilità di impianti industriali dedicati alla coltivazione monocolturale di microalghe e sulla conversione biochimica della 𝐶𝑂₂ per la produzione di biomasse e prodotti derivati. Questo lavoro ha richiesto un approccio scientifico multidisciplinare, incentrato sulle sfide emergenti di un settore in espansione, che coinvolge ingegneria, biologia e biotecnologia. Esplorando le tematiche della "Circular bioeconomy and process sustainability", l'attenzione è stata rivolta ai potenziali impatti ambientali associati a tali sistemi innovativi, e alla necessità di migliorare le prestazioni per favorire lo sviluppo di questo settore produttivo. Un aspetto centrale della ricerca è stato lo studio dei processi di produzione di biomassa algale in un impianto industriale, con l'obiettivo di identificare, attraverso la metodologia standardizzata del Life Cycle Assessment (LCA), i principali hotspot di impatto ambientale e le soluzioni più sostenibili. La tesi di dottorato, composta da una serie di pubblicazioni scientifiche che illustrano il lavoro incrementale e l'elaborazione dei dati raccolti nel corso dei tre anni, è suddivisa in sei capitoli. Le attività principali svolte durante il percorso di ricerca possono essere riassunte come segue: • Ricerca e studio della letteratura: approfondimento della metodologia LCA e della sostenibilità ambientale ed economica nei processi produttivi basati sulle microalghe, con particolare attenzione agli impianti a scala pilota o industriale. Inoltre, è stato studiato l'uso del software SimaPro per l'analisi LCA. • Raccolta dei dati primari: presso un'azienda, è stata condotta la raccolta dei dati necessari per creare l'inventario e il modello concettuale della flowchart utile a elaborare i flussi di materia ed energia in ingresso e in uscita in un impianto che utilizza fotobioreattori con una capacità totale di 43 𝑚³. • Strutturazione del caso studio: il caso studio è stato strutturato nel software dedicato, con un'analisi critica dei risultati dell'inventario e della caratterizzazione delle categorie di impatto. • Analisi comparativa: i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli presenti nella letteratura scientifica pertinente per valutare la coerenza e la significatività dei dati. • Analisi sistematiche di scenari e sensibilità: per lo sviluppo di strategie industriali alternative più sostenibili e a ridotto impatto ambientale.