An investigation on microalgae growth at different scales: from photosynthetic mechanisms modelling to operation optimisation in open pond cultivation systems

L'incremento dell'instabilità dei prezzi petroliferi, la volontà di incentivare l'utilizzo di risorse rinnovabili e la necessità di affrontare problematiche relative al riscaldamento globale sono alcuni dei motivi che hanno incrementato lo sforzo della comunità scientifica al fine di utilizzare le microalghe a scopo energetico. Nonostante vi sia un alto potenziale teorico per l'utilizzo di microalghe come materia prima per la produzione di biocarburanti e prodotti ad alto valore aggiunto, la produzione su larga scala risulta attualmente non competitiva in termini economici. Le previsioni più ottimistiche, infatti, sono basate su estrapolazioni di dati ottenuti in laboratorio in condizioni controllate, che risultano notevolmente differenti da quelle che si verificano su larga scala. Oltre a questo, le valutazioni tecno-economiche basate su estrapolazioni di dati di laboratorio dipendono fortemente dalla metodologia applicata. La disponibilità di modelli meccanicistici in grado di prevedere il comportamento delle colture microalgali in sistemi di coltivazione industriali risulta quindi di primaria importanza per progettare, simulare e ottimizzare i processi di produzione. Il primo obiettivo di questa Tesi è stato quello di estendere un modello di microscala in grado di desrivere la crescita della microalga marina Nannochloropsis Salina tramite la rappresentazione dei meccanismi di fluorescenza causati dall'attività fotosintetica. Questo modello semi-meccanicistico descrive i meccanismi di fotoproduzione, fotoregolazione e fotoinibizione attraverso la rappresentazione della dinamica del fotosistema (PSII), complesso proteico coinvolto nel processo fotosintetico. Il lavoro presentato in questa Tesi consiste nell'estensione del suddetto modello tramite la descrizione dell'intero processo di trasporto elettronico a livello della membrana tilacoidale e delle dinamiche di ossidoriduzione dei complessi proteici coinvolti nel processo fotosintetico. Il modello è stato calibrato e validato grazie a dati di assorbanza ricavati tramite spettrometro di tipo Joliot. I risultati ottenuti dimostrano come il modello sia in grado fornire previsioni quantitative accurate del trasporto fotosintetico per una vasta gamma di condizioni di luce. Il secondo obiettivo è stato quello di sviluppare un modello di macroscala basato su previsioni meteorologiche per la coltivazione di Chlorella Vulgaris in sistemi a vasca aperta. L'utilizzo di questo modello dinamico sottolineerà i benefici derivanti dall'attività di modellazione ai fini dell'ottimizzazione di processo. Infatti la strategia di ottimizzazione proposta permetterà di ottenere un significativo aumento di produttività (fino a un fattore 2.2 per le stagioni pi calde e soleggiate) rispetto a quanto può essere ottenuto applicando le tradizionali strategie di coltivazione (a tempo di permanenza e volume costante). L'attività di ricerca ha inoltre individuato e paragonato differenti strategie di controllo che permettono di garantire la fattibilità del processo nel caso in cui i dati meteorologici non risultino accurati. Gli approcci studiati permettono di evitare condizioni critiche a seguito di ottimizzazioni basate su previsioni meteorologici inaccurati, richiedendo un maggiore consumo d'acqua per la regolazione del sistema, ma riuscendo in tal modo a garantire elevati valori di produttività.