Industrial production of microalgae by an eco-sustainable process: light utilization efficiency and nutrient recycling

Questa tesi di dottorato ha come obiettivo il miglioramento dell'efficienza e della sostenibilità dei processi di coltivazione di microalghe per la produzione di biocarburanti su larga scala. Approcci di tipo sperimentale, modellistico e di simulazione di processo sono stati impiegati per valutare: i) l'efficienza di utilizzo della luce in fotobioreattori per la produzione microalgale e ii) diverse strategie per il recupero e il riciclo dei nutrienti. In primo luogo, la crescita microalgale in fotobioreattori di tipo continuo è modellata al fine di identificare le condizioni ottimali che consentono di ottenere la massima produttività, considerando l'effetto dell'intensità e regime luminoso, uniti alla dispersione assiale. Successivamente, l'integrazione di tecnologie fotovoltaiche con i fotobioreattori è studiata come una possibile soluzione pratica per migliorare l'efficienza di utilizzo dei fotoni per unità di area superficiale. A tal proposito, sono dunque riportati esperimenti svolti applicando pannelli solari, sia di tipo convenzionale al silicio che un nuovo modulo "DSC" semi-trasparente, sulla superficie del reattore. Inoltre, è presentata un'analisi energetica ed economica di un sistema di coltivazione di microalghe in una serra fotovoltaica, il cui tetto è parzialmente coperto da pannelli fotovoltaici. Due diverse strategie per il recupero e riciclo dei nutrienti sono state prese in considerazione: flash hydrolysis (FH) della sospensione microalgale a valle del reattore, e digestione anaerobica (AD) della biomassa residua a valle dell'estrazione dei lipidi. La fase acquosa ricca di nutrienti prodotta dalla FH di due diverse specie microalgali (Scenedesmus sp. e Nannochloropsis gaditana) è impiegata per analizzare la crescita delle corrispondenti microalghe in tale substrato. Inoltre, la possibilità di precipitare i nutrienti dall'idrolizzato sotto forma di fertilizzanti stabili è valutata come alternativa al riciclo diretto. Viene studiata la produzione di biogas dalla AD di microalghe a valle dell'estrazione dell'olio, e successivamente la crescita nel digestato liquido viene comparata con quella ottenuta in terreni di coltura standard. Infine, i dati sperimentali ottenuti da FH e AD sono utilizzati per implementare delle simulazioni di processo, al fine di svolgere i bilanci di materia ed energia e di valutare le performance di questi processi su larga scala.