Modellizzazione matematica di reattori biologici per la crescita di microalghe = Mathematical modeling of biological reactors for microalgae growth

Oggigiorno, la coltivazione di microalghe all’interno di fotobioreattori ha attirato l’attenzione da parte di numerosi settori industriali per la realizzazione di prodotti più sostenibili. Tuttavia, la produzione di microalghe è particolarmente interessante per la cattura dell’anidride carbonica e la riduzione del riscaldamento globale: attraverso il processo di fotosintesi, l’anidride carbonica, fonte di carbonio e nutriente per questi microrganismi, viene assorbita dalle cellule delle microalghe per sostenerne la crescita. Al fine di comprendere, predire ed ottimizzare la crescita e la produzione delle microalghe senza il bisogno di doverle testare sperimentalmente, la modellazione matematica appare fondamentale. Il seguente lavoro fa riferimento al New Mechanistic Model presentato da Solimeno et al., 2015, il quale include l’effetto limitante del carbonio sulla crescita delle microalghe, il trasferimento di specie gassose verso l’atmosfera, la fotorespirazione, la fotosintesi e la fotoinibizione. Inoltre, il modello prende in considerazione l’effetto dell’intensità luminosa, del pH, della temperatura e dell’eccesso di ossigeno nonché la disponibilità di azoto ed altri nutrienti sulla crescita delle microalghe. Esso segue la nomenclatura più comunemente usata nei modelli IWA (International Water Association) e considera dieci componenti, di cui nove disciolti e uno presente in forma particellare, corrispondente alla biomassa algale, trascurando la presenza di specie a base di fosforo. I processi biocinetici inclusi nel modello sono la crescita delle microalghe su ammonio e nitrato, la respirazione endogena e la fotoinibizione, l’equilibrio chimico di specie carbonate e azotate e il trasferimento di gas verso l’atmosfera. L’effetto dell’intensità luminosa sui processi di fotosintesi è descritto dal modello ‘photosynthetic factories’ mentre quello della temperatura attraverso il fattore termico fotosintetico. In questo lavoro vengono presentati i risultati del modello numerico con lo scopo di predire le cinetiche che descrivono la produzione di microalghe all’interno di un fotobioreattore di laboratorio, presente nel Dipartimento di Ingegneria dell’Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture del Politecnico di Torino, l’effetto dei parametri più importanti e un confronto con i dati sperimentali. Lo schema reattoristico sperimentale è costituito da piastre piatte esposte all’irradiazione luminosa, da un tank, che simula la zona notte, e da una pompa idraulica che consente il ricircolo della biomassa. L’idrodinamica del fotobioreattore illuminato è stata modellata mediante un reattore PFR con dispersione longitudinale per descriverne i raccordi curvilinei, mentre il tank è stato simulato mediante una cascata di reattori CSTRs. Attraverso il pelo libero della sospensione acquosa, le specie gassose, quali ammoniaca, ossigeno e anidride carbonica, si trasferiscono verso l’atmosfera. Per quanto riguarda i valori dei parametri coinvolti, il modello ne prende in considerazione alcuni sconosciuti per cui è stato necessario testarli sperimentalmente o con una procedura di calibrazione. La risoluzione delle equazioni differenziali che modellano il sistema reattoristico stata effettuata mediante un codice implementato in Fortran95.