Ottimizzazione delle performance dei fotobioreattori al fine di aumentare la produttività di microalghe = Increasing productivity of microalgae through performance optimization of photobioreactors

Le microalghe, considerate una risorsa energetica di terza generazione, sono microrganismi eucariotici, unicellulari aventi un'elevata capacità adattativa alle diverse condizioni ambientali. Vivono singolarmente o in colonie; vengono utilizzate nell'industria farmaceutica, nutraceutica, cosmetica e alimentare come medicine naturali, additivi alimentari e agenti di protezione dai raggi UV. Si cerca, oggigiorno, di ottimizzare le tecniche di coltura della biomassa algale per incrementare la produzione di biocarburante, idrogeno e metano, con un approccio sostenibile. Per la crescita delle microalghe, si tende inoltre a sfruttare acque eutrofiche, di origine agricola o civile, ottenendo così anche la loro depurazione. L'obiettivo del lavoro di tesi è stato quello di valutare e quantificare la produttività della biomassa algale introducendo nuove tecnologie e minimizzando i costi operativi e di produzione. La ricerca si basa essenzialmente sulla messa a punto della strumentazione, dei bacini sperimentali e delle colture e sull'esecuzione di uno studio di monitoraggio, gestione e controllo dei parametri fisici chimici e biologici delle microalghe, in reattori di piccole, medie e grandi dimensioni. È stato condotto uno studio di ottimizzazione delle performance dei PBR monitorando il comportamento delle microalghe al variare del terreno di coltura, e delle condizioni di luce e temperatura. Il tasso di crescita della biomassa è calcolato per ogni batch di coltura; si eseguono inoltre, analisi microscopiche e misurazioni di DO, TSS, T, pH, PAR, COD, NH4, NO2, NO3, N, P, conduttività e O2 disciolto. Si cerca di sfruttare al massimo la fonte luminosa disponibile per la crescita della biomassa, grazie all’aiuto di tecnologie innovative. Di conseguenza, è importante analizzare, in modo dettagliato, le caratteristiche della tecnologia Nénuphar, quest’ultima permette la concentrazione e distribuzione della luce in reattori aventi un’altezza superiore a quella dei classici raceway. Le misurazioni di PAR, in un prototipo di riferimento contenente il Nénuphar, consentono di quantificare la luce entrante nei reattori e di identificare le modifiche da apportare alla tecnologia al fine di migliorarne l’efficienza. Il Nénuphar è composto da una testa emisferica con un foro centrale e tubi concentrici in polimetilmetacrilato (PMMA) collegati ad una manica flessibile ad altezza variabile. La manica è un film di polietilene a bassa densità (LDPE). Si prevedono eventuali modifiche dei “pozzi di luce” per migliorare ulteriormente il sistema di concentrazione della luce e per avere una diffusione a profondità maggiori. Lo studio sperimentale eseguito propone un perfezionamento dei sistemi di agitazione oggigiorno utilizzati nei PBR. Attraverso un sistema di agitazione adeguato, si ha una miscelazione della coltura algale anche nei reattori di dimensione maggiore, questo porta ad un aumento della produttività. Tuttavia, risulta complicato garantire una perfetta miscelazione in reattori di migliaia di litri ed al tempo stesso evitare un aumento eccessivo dei costi. La pompa di ricircolo e le bolle d’aria insufflate nel reattore sono alla base del sistema di agitazione validato nel lavoro di tesi. In conclusione risulta importante comprendere i vantaggi e gli svantaggi dei PBR chiusi e aperti al fine di aumentare la produzione di ceppi algali selezionati quali l’Arthrospira platensis utilizzata come integratore alimentare e/o per la produzione di biocarburante.