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Borello, Federico

Bioclad : adaptive biodigital cladding system.

Rel. Cesare Griffa, Roberto Giordano. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura per il progetto sostenibile, 2014

Questa è la versione più aggiornata di questo documento.

Abstract:

La necessità di far fronte ad una crescente domanda di energia accompagnata da un aumento del prezzo del petrolio e la diffusa preoccupazione verso i cambiamenti climatici ed i loro effetti rappresentano due dei principali motori di ricerca e sviluppo di nuove tecnologie nel settore scientifico contemporaneo. A fronte di queste premesse, università, centri di ricerca e compagnie (mature e start-up], affrontano la sfida volta allo sviluppo di fonti alternative per la produzione di energia. Le alghe possono essere una possibile risposta alle esigenze di cambiamento che si stanno consolidando. Gli studi più datati si sono concentrati sulle tecniche di coltivazione ed ora riaffiorano grazie al rinnovato interesse promosso dalla sempre crescente richiesta di energia. Le alghe sono organismi fotosintetici che hanno il beneficio di crescere velocemente in un molteplice range di condizioni ambientali (mostrandosi pertanto adatte ad un impiego diffuso in vaste aree del pianeta], nutrendosi, mediante il più classico dei processi biochimici, del più discusso gas serra, l'anidride carbonica. La versatilità rapprensenta il fattore chiave di successo di tale risorsa: svariate sono le condizioni operative che ne consentono la crescita, innumerevoli sono le specie, ampie sono le caratteristiche, per composizione, della biomassa prodotta. Tale versatilità si rispecchia nella varietà di prodotti estraibili, la biomassa è infatti in grado di fornire carboidrati, lipidi, proteine,

oltre a specifici metaboliti ed idrogeno, con una complessa distribuzione in funzione della specie impiegata. Ne consegue un ampio spettro di possibili applicazioni sia nella produzione di energia, che nella neutraceutica, nella farmaceutica e nell'agricoltura. L'ampiezza e la molteplicità delle specie esistenti, mediate attraverso l'ingegnerizzazione sia dei sistemi di classificazione che delle funzionalità delle famiglie algali, possono aprire la strada verso un significativo impiego della risorsa a fini produttivi ed energetici.

E' possibile ricorrere a diverse tecniche di trasformazione della biomassa e dei suoi componenti in differenti forme di energia.

La singola cellula microalgale si presenta come una sorta di microbioraffineria, capace di una produzione estremamente differenziata se rapportata alla semplicità della sua struttura. Le microalghe, possiedono, infatti, la capacità di produrre lipidi, peculiarità che offre importanti opportunità per la produzione di energia nella forma di biocarburanti, spiegando le ragioni che hanno guidato la ricerca di settore verso le specie micro. E inoltre da evidenziare il potenziale insito nelle alghe di grandi dimensioni di costituire una risorsa sostenibile di energia. Se la versatilità rappresenta l'elemento vincente tra le proprietà delle alghe, introduce, d'altra parte, una estrema complessità e variabilità di processi e tecniche applicabili per la loro valorizzazione.

D'altro lato la crescente densificazione urbana, fenomeno ricorrente a livello globale, e il crescente aumento degli standard energetici e di performance richiesti, spingono la ricerca verso la possibilità di un integrazione attiva nel processo metabolico dell'edificio di sistemi biotecnologici in grado di svolgere funzioni sia di carattere energetico-prestazionale sull'involucro dell'edificio che funzioni

ambientali di filtrazione e purificazione dell'aria e dell'acuq tramite l'assorbimento di anidride carbonican nitrati e fosfati e la produzione di ossigeno. Il lavoro qui presentato vuole indagare le peculiarità di tale tecnologia, evidenziandone potenzialità e criticità, e approfondire il complesso processo di integrazione alla scala architettonica e urbana delle biotecnologie algali, in una direzione di sostenibilità da un punto di vista energetico, performativo e ambientale.

L'approfondimento dei processi biologici che regolano la coltivazione e produzione di biomasse algali grazie alla supervisione del prof. Mario Tredici (ordinario di microbiologia agraria presso il Dipartimento di Scienze delle Produzioni Agroalimentari e dell' Ambiente all'università di Firenze) e la sperimentazione concreta riguardo il processo di integrazione alla scala architettonica sono stati step fondamentali per la definizione consapevole di una proposta progettuale. La collaborazione con lo Studio Griffa di Torino in particolare, coinvolto attivamente nella ricerca e progettazione di sistemi biotecnologici ad alghe con il supporto di Environment Park Spa per il Future Food District, parte centrale dell'incombente esposizione universale EXPO 2015, mi ha permesso di sperimentare

attivamente la progettazione di sistemi di fotobioreattori ad alghe integrati alla scala architettonica. Il confronto diretto mi ha permesso di comprendere la complessità della gestione delle singole componenti del progetto ed elaborare una proposta personale in grado di racchiudere l’esperienza maturata in questi mesi.

La proposta progettuale da me elaborata consiste nella definizione di un sistema tecnologico autonomo basato sull’integrazione delle specificità dei processi microbiologici delle cellule algali, e i benefici che da esse possono essere ottenuti, alla scala architettonica e urbana, tramite lo sviluppo di un rivestimento per involucri opachi. Il processo di definizione del progetto è avvenuto tramite un percorso a step: primo di questi è stata la definizione geometrica del componente tramite l'utilizzo di tecniche di modellazione parametrica, necessarie per il controllo di superfici NURBS complesse, patterns e gradienti tramite punti attrattori. Seconda fase è consistita nella definizione del sistema idraulico necessario per la gestione e distribuzione della soluzione algaie all'interno all'interno dell'intero sistema. Alla proposta progettuale è succeduta la fabbricazione di un prototipo in scala 1:5 di una serie di quattro componenti; questa è avvenuta tramite l'utilizzo di tecnologie di fabbricazione digitale a controllo numerico e non, come la stampa tridimensionale (STL], il taglio laser e la termo formatura sottovuoto. Il prototipo è stato inoltre dotato di una intelligenza artificiale grazie all'utilizzo di una piattaforma Arduino e all'applicazione di un sistema di sensoristica (temperatura e intensistà luminosa! in grado di simulare le effettive proprietà adattive del sistema tecnologico reale. Centrale risulta essere la volontà di interpretare il funzionamento sistemico dei processi biologici e integrarlo alla componente tecnologica del sistema, dotandolo della capacita di autosostenersi come avviene nei processi metabolici degli organismi naturali.

Relatori: Cesare Griffa, Roberto Giordano
Soggetti: A Architettura > AO Progettazione
T Tecnica e tecnologia delle costruzioni > TE Tecnologia dei materiali
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in Architettura per il progetto sostenibile
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/3806
Capitoli:

Indice

Introduzione

1. Biotecnologie Algali

1.1 Alghe e Microalghe

1.2 Condizioni Chimico / Fisiche

1.3 Coltivazione / Produzione

1.4 Quantificazione della Biomassa

1.5 Tecniche di Raccolta

2. Brief Progettuale

2.1 Integrazione Biotecnologie-Edificio

2.2_Requisiti / Performance

2.3 Fotobioreattore + Fotovoltaico

2.4 Brief di Progetto

3. Processo Progettuale

3.1 Definizione del Componente

3.2 Sistema Distributivo Primario: Periferico

3.3 Sistema Distributivo Secondario: Bypass

3.4 Sistema Strutturale

4. Strumenti di Fabbricazione Prototipo

4.1 Rhinoceros + Grasshopper

4.2 3D Printing

4.3 Vacuum Forming

4.4 Laser Cut

4.5 Arduino + Sensori

4.6 Assemblaggio

Bibliografia / Sitografia / Immagini

Bibliografia:

Bibliografía / Sitografia

Eere. National algal biofuels technology roadmap. Technical report, Energy Efficiency Renewable Energy Office - U.S. Department of Energy, 2009.

Y. Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, 294-306, 2007.

Y.K. Lee. Microalgal mass culture systems and methods: Their limitation and potential. Journal of applied phycology, 307-315, 2001.

E.W. Becker. Microalgae: biotechnology and microbiology. Cambridge Univ Pr, 1994.A.M. Kunjapur and R.B. Eldridge. Photobioreactor Design for Commercial Biofuel Production from Microalgae. Industrial & Engineering Chemistry Research, pages 4661-4670.

E.W. Becker. Micro-algae as a source of protein. Biotechnology Advances, 25(2|:207-210, 2004.

FG Acién Fernández, JM Fernández Sevilla, JA Sánchez Pérez, E. Molina Grima, and Y. Chisti. Airlift driven external-loop tubular photobioreactors for outdoor production of microalgae: assessment of design and performance. Chemical Engineering Science, 2721-2732, 2001.

A.M. Kunjapur and R.B. Eldridge. Photobioreactor Design for Commercial Biofuel Production from Microalgae. Industrial & Engineering Chemistry Research, pages 4661 - 4670.

P. McKendry. Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. Bioresource Technology, 37-46, 2002.

K. Tyson, J. Bozell, R. Wallace, E. Petersen, and L. Moens. Biomass oil analysis: Research needs and recommendations. Technical report, National Renewable Energy Laboratory, 2004.

J.S. Burlew. Algal culture. From Laboratory to Pilot Plant, Carnegie Inst.Washington Publ, 600.

J. Fargione, J. Hill, D. Tilman, S. Polasky, and P. Hawthorne. Land clearing and the biofuel carbon debt. Science, 1235, 2008.

R. Divakaran and VN Sivasankara Pillai. Flocculation of algae using chitosan. Journal of Applied Phycology, 419-422, 2002.

E. Molina Grima, E.H. Belarbi, F.G. Acién Fernández, A. Robles Medina, and Y. Chisti. Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options and economics. Biotechnology Advances, 491-515, 2003.

L. Brennan and P. Owende. Biofuels from microalgae. A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2009.

M. Heasman, J. Diemar, W. O'connor, T. Sushames, and L. Foulkes. Development of extended shelf-life microalgae concentrate diets harvested by centrifugation for bivalve molluscs-a summary. Aquaculture Research, 637-659, 2000.

Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, 1996.

C.Posten. TATuP - Zeitschrift des ITAS zur Technikfolgenabschatzung. Design and Performance Parameters of Photobioreactors. Karlsruhe, Germany, 2012.

www.arup.com. Solar Leaf - bioreactor facade. Amburgo, 2013.

www.syndebio.com. BIQ - The Algae House by SPLITTERWERK. Bartlett School of Architecture, London, 2014.

www.theoildrum.com.The Oil Drum I A Net Energy Parable: Why is ERoEl Important. 2006

www.europe.theolidrum.com/euan mearns, 2014.

Dismukes GC, Carrieri D, Bennette N, Ananyev GM, Posewitz MC. Aquatic phototrophs: efficient alternatives to land-based crops for biofuels. Curr. Opin. Biotech. 19(3], 235-24-0 (2008).

Rodolfi L, Chini Zittelli G, Bassi N et al. Microalgae foroil: strain selection, induction of lipid synthesis and outdoor mass cultivation in a lowcost photobioreactor. Biotechnot. Bioeng. 102(1), 100-112 (2009).

Hall DO, Rao KK (Eds). Photosynthesis (6th Edition!. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 214 (1999).

Lehr F, Posten C. Closed photobioreactors as tools for biofuel production. Curr. Opin. Biotech. 20(3), 280-285 (2009).

Mario Tredici. Photobiology of microalgae mass cultures: understanding the tools for the next green revolution. Biofuels. 1(1), 143 - 162. (2010).

Mario Tredici. Cibo ed Energia dalle Microalghe. Accademia dei Georgofili 24 Maggio 2012.

Cesare Griffa. Smart Creatures. Progettazione parametrica per architetture sostenibili. EDILSTAMPA, 2012

Salgascano MIT Studio, MIT School of Architecture, www. bott2013studio. wordpress.com

MIT City Farm, www.mitcityfarm.com

MIT SENSEable City Lab, www.senseable. mit.edu

Biodigital Architecture, www.biodigitatarchitecture.com

IAAC Institute for Advanced Architecture Catalonia, www.iaac.net

Architectural Association School of Architecture DRL, www.drl.aaschool.ac.uk

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