Coltivazione delle microalghe
La coltivazione rappresenta il cuore della filiera del biodiesel da microalghe. Per rendere questa tecnologia realmente sostenibile e competitiva, è necessario aumentare la produttività algale riducendo al contempo il consumo di risorse e valorizzando fonti alternative di nutrienti.
Un fotobioreattore progettato per massimizzare la produttività
ALGAEN sviluppa un nuovo impianto di fotobioreattori da 500 L, progettato per ottimizzare le condizioni di crescita delle microalghe e l’efficienza complessiva del processo.
Particolare attenzione è dedicata alla miscelazione del mezzo di coltura, alla distribuzione della CO₂ e alla dispersione delle microalghe, aspetti fondamentali per migliorare il trasferimento di massa e di luce all’interno del sistema. L’obiettivo è ottenere una produzione stabile di biomassa, favorendo al tempo stesso l’accumulo della frazione lipidica destinata alla successiva estrazione.
Dagli scarti industriali a una nuova fonte di nutrienti
ALGAEN sfrutta la capacità di Chlorella sorokiniana di crescere in condizioni mixotrofiche, combinando la fotosintesi con l’assimilazione di composti organici per aumentare la produttività in biomassa e favorire l’accumulo di lipidi.
Come fonte di acqua e nutrienti vengono valorizzati reflui liquidi provenienti dalla filiera lattiero-casearia e da impianti di digestione anaerobica. Il loro impiego permette di ridurre il fabbisogno di risorse esterne, contribuendo alla riduzione dei costi e dell’impatto ambientale. Al tempo stesso, la crescita algale favorisce il consumo di nutrienti e sostanza organica, integrando la produzione di biomassa con un processo di biorisanamento.
L’integrazione tra fotobioreattore, ottimizzazione biologica e valorizzazione degli scarti pone così le basi per una produzione sostenibile di biomassa algale ad alto contenuto lipidico, destinata alle successive fasi della filiera del biodiesel.
Estrazione dei lipidi da biomassa
Una volta ottenuta la biomassa algale, il passaggio successivo consiste nel recuperare in modo efficiente la frazione lipidica destinata alla produzione di biodiesel, garantendo elevate rese, qualità dell’estratto e riducendo il consumo di solventi ed energia.
Per affrontare queste criticità, ALGAEN sviluppa un sistema innovativo basato sull’impiego di CO₂ supercritica (SCCO₂), integrato in un’architettura microfluidica compatta e modulare.
Perché utilizzare la CO₂ supercritica
In condizioni di pressione e temperatura adeguate, la CO₂ supercritica penetra nella matrice biologica e favorisce l’estrazione dei composti lipofili. Rispetto ai processi convenzionali, consente di ridurre l’impiego di solventi e, grazie al recupero e riciclo della CO₂, di sviluppare un processo più efficiente e circolare.
Un sistema microfluidico per l'estrazione continua
ALGAEN sviluppa un modulo microfluidico che integra estrazione, separazione dell’estratto e recupero della CO₂ in un sistema compatto e modulare, progettato per favorire il trasferimento di massa e il funzionamento in continuo.
Dall'estratto alla produzione di biodiesel
I lipidi recuperati vengono sottoposti a transesterificazione per ottenere biodiesel, successivamente caratterizzato secondo gli standard di riferimento. In ALGAEN, la tecnologia viene validata in condizioni progressivamente più vicine a quelle industriali, verificandone efficienza, stabilità e riproducibilità.
Valorizzazione degli scarti del processo
La produzione di biodiesel da microalghe non si conclude con l’ottenimento del biocarburante. La biomassa residua, il glicerolo e le acque reflue generate dal processo possono essere a loro volta trasformati in nuove risorse energetiche e prodotti a elevato valore aggiunto, contribuendo alla costruzione di una bioraffineria realmente circolare.
Dalla biomassa residua al bioidrogeno
La biomassa algale esausta dopo l’estrazione dei lipidi viene valorizzata attraverso un processo di dark fermentation, che consente di trasformare la materia organica residua in bioidrogeno.
Il processo viene ottimizzato per massimizzare la produzione di idrogeno e validato in bioreattore, monitorando le principali prestazioni del sistema. In questo modo, un sottoprodotto della produzione di biodiesel diventa una nuova fonte di energia rinnovabile, contribuendo a migliorare l’efficienza complessiva della filiera.
Dagli scarti ai prodotti per l’industria chimica
Anche il glicerolo di scarto prodotto durante la sintesi del biodiesel e le acque reflue del fotobioreattore possono essere valorizzati attraverso un processo biotecnologico.
Questi flussi vengono utilizzati come substrati per un batterio chiamato Cupriavidus necator per la produzione di poliidrossibutirrato (PHB), un biopolimero che viene successivamente convertito in acido crotonico, un composto di interesse per numerose applicazioni dell’industria chimica.
L’approccio di ALGAEN consente quindi di trasformare correnti residuali della filiera in nuove materie prime di origine biologica, riducendo la dipendenza da risorse fossili e aumentando il valore ottenibile dalla biomassa.
L’intera filiera viene inoltre valutata attraverso analisi tecno-economiche e ambientali (TEA e LCA), per identificare le soluzioni più efficienti e sostenibili e valutare il potenziale di industrializzazione della bioraffineria.
Motori e conversione energetica
La produzione di biocarburanti rappresenta solo una parte della sfida, è necessario verificarne il comportamento all’interno del motore e ottimizzarne l’utilizzo. ALGAEN studia quindi la conversione efficiente dei biocarburanti in energia, analizzando combustione, prestazioni ed emissioni in diverse condizioni operative.
Dal biocarburante al motore
Il biodiesel prodotto da biomassa algale viene testato su motori diesel di grande cilindrata, e viene valutato l’effetto del biocarburante sui principali parametri di combustione, sulle prestazioni del motore e sulle emissioni inquinanti.
Parallelamente, il bioidrogeno viene sperimentato su motori a combustione dedicati, studiando le condizioni operative che consentono di massimizzare il rendimento e, allo stesso tempo, limitare fenomeni di combustione anomala come preaccensione e detonazione.
Comprendere e ottimizzare la combustione
Per comprendere in dettaglio ciò che avviene all’interno del cilindro, ALGAEN utilizza un motore monocilindrico ad accesso ottico, che permette di osservare direttamente l’evoluzione dello spray e della fiamma durante la combustione.
Le informazioni ottenute sperimentalmente vengono integrate con modelli 0D e 3D-CFD, utilizzati per comprendere le relazioni tra condizioni di funzionamento, processo di combustione ed emissioni. Questo approccio permette di individuare le strategie di iniezione e i parametri di funzionamento più efficaci per sfruttare le potenzialità dei biocarburanti.
L’obiettivo è sviluppare strategie di combustione più efficienti e sostenibili, massimizzando le prestazioni dei motori e riducendo al contempo consumi ed emissioni.
Un fotobioreattore progettato per massimizzare la produttività
ALGAEN sviluppa un nuovo impianto di fotobioreattori da 500 L, progettato per ottimizzare le condizioni di crescita delle microalghe e l’efficienza complessiva del processo.
Particolare attenzione è dedicata alla miscelazione del mezzo di coltura, alla distribuzione della CO₂ e alla dispersione delle microalghe, aspetti fondamentali per migliorare il trasferimento di massa e di luce all’interno del sistema. L’obiettivo è ottenere una produzione stabile di biomassa, favorendo al tempo stesso l’accumulo della frazione lipidica destinata alla successiva estrazione.
Dagli scarti industriali a una nuova fonte di nutrienti
ALGAEN sfrutta la capacità di Chlorella sorokiniana di crescere in condizioni mixotrofiche, combinando la fotosintesi con l’assimilazione di composti organici per aumentare la produttività in biomassa e favorire l’accumulo di lipidi.
Come fonte di acqua e nutrienti vengono valorizzati reflui liquidi provenienti dalla filiera lattiero-casearia e da impianti di digestione anaerobica. Il loro impiego permette di ridurre il fabbisogno di risorse esterne, contribuendo alla riduzione dei costi e dell’impatto ambientale. Al tempo stesso, la crescita algale favorisce il consumo di nutrienti e sostanza organica, integrando la produzione di biomassa con un processo di biorisanamento.
L’integrazione tra fotobioreattore, ottimizzazione biologica e valorizzazione degli scarti pone così le basi per una produzione sostenibile di biomassa algale ad alto contenuto lipidico, destinata alle successive fasi della filiera del biodiesel.
