alghe

Lo sviluppo della Lo sviluppo della produzione di produzione di biodiesel da biodiesel da microalghemicroalghe

Università degli studi di Foggia Facoltà di Economia

Dipartimento SEAMeG

Le microalghe sono Le microalghe sono organismi fotosintetici organismi fotosintetici unicellulari delle dimensioni unicellulari delle dimensioni generalmente inferiori ai 30 generalmente inferiori ai 30 ��m che, a differenza della m che, a differenza della maggior parte delle piante maggior parte delle piante verdi, possono convertire verdi, possono convertire ll’’energia solare in carboidrati energia solare in carboidrati o in grassi.o in grassi.


Dipartimento SEAMeG

Coltivazione delle alghe: Coltivazione delle alghe:

terreno di coltura + condizioni ambientali idoneeterreno di coltura + condizioni ambientali idonee


Dipartimento SEAMeG

Composizione di alcune specie di microalgheComposizione di alcune specie di microalghe (% s.s.)


Dipartimento SEAMeG

Specie Proteine Carboidrati LipidiScenedesmus spp. 8 – 56 10 – 52 12 – 40Chlamydomonas rheinhardii 48 17 21Chlorella spp 51 – 58 12 – 26 14 – 22Spirogyra spp. 6 – 20 33 – 64 11 – 21Euglena gracilis 39 – 61 14 – 18 14 – 20Prymnesium parvum 28 – 45 25 – 33 22 – 38Botryococcus braunii 8 – 23 7 – 22 50 – 70

Becker E. W., Microalgae – Biotechnology and microbiology , Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1995, pp. 293

La quantità e composizione dei principi nutritivi dipendono dalle condizioni di allestimento delle colture e dai fattori ambientali (temperatura, salinità, intensità luminosa, ecc.). Ad esempio, quando le alghe unicellulari crescono in situazioni di carenza di sostanze nutritive (come l’azoto, silicio, ecc.) o in un mezzo acquoso ricco di cloruro di sodio, possono incrementare la resa di sostanze grasse di oltre il 70%

Prodotto o processo Specie e quantità prodotta per anno

Sistema di coltura Stadio

Integratori alimentari, mangimi

Arthrospira (3000 t) Chlorella (2000 t) Dunaliella (1200 t) Aphanizomenon (500 t) Haematococcus (300 t)

Lagune Vasche “raceway” Vasche circolari Fotobioreattori

Commerciale

Pigmenti (carotenoidi, ficobiliproteine)

Dunaliella Arthrospira Haematococcus

Lagune Vasche raceway Fotobioreattori

Commerciale

Acidi grassi �3 (DHA) Schyzochitrium (10 t di olio) Crypthecodiniun (240 t di olio)

Fermentatori (10-100 m3) Commerciale

Traccianti fluorescenti, molecole marcate, enzimi di restrizione

Arthrospira Anabaena Anacystis

Fermentatori Fotobioreattori axenici

Commerciale

Trattamenti acque di scarico (HRAP)

Scenedesmus Colture miste

Lagune Vasche raceway

Commerciale

Biomassa per acquacoltura Varie specie Vasche, sacchi, cilindri, fotobioreattori

Commerciale

Polisaccaridi - - Ricerca Biofertilizzanti - - Ricerca Molecole bioattive (farmaci, biopesticidi, probioti ci, ecc.)

- - Ricerca

Biosensori e sun-screens - - Ricerca Biorisanamento di acque inquinate da xenobiotici, metalli pesanti, ecc.

- - Ricerca

Biofissazione della CO2 - - Ricerca Energia (biodiesel, H2) - - Ricerca

Applicazioni commerciali e potenziale delle microalghe Applicazioni commerciali e potenziale delle microalghe (dati 2006)(dati 2006)


Dipartimento SEAMeG

NREL (National Renewable Energy Laboratoy)

Negli anni '70 del socolo scorso furono avviati studi applicativi sull’impiego delle alghe per fini energetici, in seguito al verificarsi della prima crisi petrolifera.


Dipartimento SEAMeG

Confronto fra la produzione di olio di alcune specie vegetaliConfronto fra la produzione di olio di alcune specie vegetali(L/ha anno)(L/ha anno)

02000400060008000100001200014000160001800020000 Palma da olio

(Wijffels R.H., “Potential of sponges and microalgae for marine biotechnology”, Trends in Biotechnology , 26, (1), 2007, 26-31)


Dipartimento SEAMeG

02000400060008000100001200014000160001800020000 Palma da olio


Dipartimento SEAMeG

VantaggiVantaggi:1) non compete con le produzioni alimentari;2) occupa una superficie limitata;3) elevate rese;4) tecnologia matura5) possibilità di associare smaltimento emissioni CO2 e reflui urbani.

SvantaggiSvantaggi1) salinizzazione dei terreni;2) alti costi d'investimento e di gestione.

La coltivazione delle microalghe per la La coltivazione delle microalghe per la produzione di biodieselproduzione di biodiesel


Dipartimento SEAMeG

Tecnologie di produzione: Tecnologie di produzione: sistemi all'apertosistemi all'aperto ((open ponds o open ponds o raceway pondsraceway ponds))

Tecnologia meno costosa

Parametri operativi (temperatura, concentrazione salina, gas disciolti) dipendono dalle condizioni ambientali esterne; inquinamento da altre specie.

VantaggiVantaggi

SvantaggiSvantaggi


Dipartimento SEAMeGIIl funzionamento degli open pondsl funzionamento degli open ponds


Dipartimento SEAMeG

Tecnologie di produzione: Tecnologie di produzione: sistemi chiusi (fotobioreattori)sistemi chiusi (fotobioreattori)

Tecnologia più costosa, crescita di alghe sulle pareti, gestione complessa.Maggiori rese, occupano limitate superfici, tecnologia versatile

Flat panels(outdoor)

Bubble columns(indoor)

Tubular reactors(indoor)

SvantaggiSvantaggi

VantaggiVantaggi


Dipartimento SEAMeG

Il funzionamento di un fotobioreattoreIl funzionamento di un fotobioreattore

Schema di funzionamento del tubolar reactor di tipo verticale posizionato sul tetto della centrale elettrica del MIT (Massachusetts Institute of Technology). Le frecce rosse indicano la direzione di entrata e di uscita dei gas; quelle azzurre il senso di movimento della coltura; la verde la fuoriuscita delle microalghe; quelle gialle la direzione di provenienza della radiazione solare.


Dipartimento SEAMeG

Il funzionamento di un fotobioreattoreIl funzionamento di un fotobioreattore (Flat pannels)(Flat pannels)

Sono costituiti da recipienti di forma rettangolare, disposti verticalmente, di larghezza compresa tra 1-5 cm, in vetro o plexiglass in cui le alghe sono mantenute in sospensione attraverso un flusso di aria introdotto generalmente da un apposito tubo posto in basso e sono raccolte dall’alto. Questo sistema, rispetto a quelli precedentemente descritti, sembra offrire maggiori rese in biomassa ed efficienza fotosintetica grazie alla maggiore superficie esposta alla radiazione solare

Confronto tra la tecnologia degli open ponds e quella dei Confronto tra la tecnologia degli open ponds e quella dei fotobioreattorifotobioreattori

PARAMETRI OPEN PONDS note FOTOBIO REATTORE

Note

Spazio occupato Alto - basso -

Perdita di acqua Molto alta, Può determinare la precipitazione di sali

bassa -

Perdita CO2 Alta, Dipende dalla profondità delle vasche Bassa -

Consumo CO2 Medio - Medio -

Concentrazione dell’O2

Generalmente bassa

Il gas è rilasciato liberamente dalla superficie delle vasche

Alta

L’ossigeno deve essere rimosso causa inibizione della reazione di fotosintesi e problemi di fotossidazione

Temperatura Molto variabile, E’ in funzione dalla profondità delle vasche Alta,

spesso è richiesto un sistema accessorio di raffreddamento

Rimescolamento alghe

Basso È svolta con l’impiego di pale

Alto Avviene mediante l’immissione di gas come la CO2

Pulizia degli impianti Non richiesto - Richiesto

La crescita delle alghe sulle superfici trasparenti riduce l’entrata della radiazione luminosa

Rischio di contaminazione

Elevato

Dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche del mezzo di coltura

Basso -

Confronto tra la tecnologia degli open ponds e quella dei Confronto tra la tecnologia degli open ponds e quella dei fotobioreattorifotobioreattori

PARAMETRI OPEN PONDS note FOTOBIO REATTORE

Note

Qualità della biomassa algale

Variabile - Riproducibile -

Concentrazione media della biomassa

algale Bassa 0,1-0,5 g/L Alta 2-8 g/L

Flessibilità di produzione

Bassa

Solo un numero limitato di specie, difficoltà nel cambiare i parametri fisico-chimici

Alta Possibilità di variare i parametri fisico-chimici

Dipendenza dalle condizioni

atmosferiche Alta - Media -

Tempo di avvio 6-8 settimane - 1-4 settimane -

Produttività Media

Dipende dalle condizioni ambientali e dai parametri tecnici dell’impianto

Alta -

Costi capitali Alti Circa 70.000 €/ha Molto alti Circa 700.000€/ha più le apparecchiature di supporto

Costi operativi Bassi Soprattutto energia

elettrica e immissione CO2

Molto alti

Immissione della CO2, controllo pH, rimozione O2, raffreddamento, pulizia superfici bireattore, mantenimento)

Costi di raccolta Alti Dipendono dalla specie Bassi Sono dovuti alla elevata

concentrazione


Dipartimento SEAMeG

LL’’estrazione dell'olio dalle microalgheestrazione dell'olio dalle microalghe

Flocculazione Decantazione Centrifugazione

Acqua (alle vasche o ai fotobioreattori)

Pasta di alghe

Estrazione (solvente o spremitura)

Panello (cake) Olio

Mangime

Biogas

Altri prodotti (carotenoidi, ecc.)

20-30 t/ha per anno

60-90 t/ha per anno

Confronto tra alcune caratteristiche del biodiesel da microalghe e da soia, di quello

standard.

Parametri

0,86 0,87 0,86 – 0,90

5,5 4,01 3,50 – 5,00

115 155 min 120

-12 Nd -

-11 -4 -

0,37 Nd 0,5

41 37 – 38 35

Biodiesel da microalghe

Biodiesel da soia

Biodiesel standard

Densità (kg L-1)Viscosità (mm2 s-

1 ; cSt a 40°C)Flash point – punto di infiammabilità (°C)Punto di solidificazione (°C)Punto d'intasamento a freddo dei filtriAcidità (mg KOH g-1) Potere calorifico (MJ/kg)

Migliore

Migliore

Peggiore

Confronto tra alcune caratteristiche del biodiesel da microalghe e da soia, di quello

standard.

Il maggior limite del prodotto finito è l’ingente ngente contenuto di acidi grassi ad elevato grado di contenuto di acidi grassi ad elevato grado di insaturazioneinsaturazione (4 o più doppi legami) che lo rende facilmente ossidabile e un valore del un valore del numero di iodio leggermente superiore a numero di iodio leggermente superiore a quello previsto dalla norma EN 14214quello previsto dalla norma EN 14214 (120-130 g di iodio su 100 g di biodiesel). Per questo motivo è necessario miscelare questo combustibile marino con additivi che ne migliorino la stabilità all’ossidazione e con altri oli vegetali con basso valore del numero di iodio .


Dipartimento SEAMeG

Aspetti economiciAspetti economici Unità di

misura Open ponds Fotobioreattore a pannello

Fotobioreattore tubulare

Produzione biomassa t/anno 2071 6363 4141

Efficienza fotosintetica % 1,5 5 3

Penetrazione della radiazione luminosa nel sistema

m 0,200 0,030 0,034

Costi di produzione biomassa

€/kg (s.s.) 5,70 4,03 4,02

Principale fattore di costo

% Centrifuga 15

Insufflatori di aria 24

Sistema di pompaggio 46


Dipartimento SEAMeG

Aspetti economiciAspetti economiciCosti capitali:Costi capitali: open ponds � 70.000 €/ha

fotobioreattori > 1.000.000 €/ha

Consumi energetici:Consumi energetici: open ponds � 1800 kWh/hafotobioreattori 5000-185.000 kWh/ha

Costo di un litro di biodiesel da alghe Costo di un litro di biodiesel da alghe con bioreattori con bioreattori

<3 $/L (olio di palma 0,60 $/L)<3 $/L (olio di palma 0,60 $/L)

Ci si chiede, però, come possano i fotobioreattori essere piùeconomici se consumano fino a100 volte più energia elettrica degli open ponds per il funzionamento, tenuto conto che tale voce èquella che incide maggiormente sul totale dei costi (circa il 40%)

Aspetti energeticiAspetti energeticiEnergia input:Energia input: open ponds 6,5 GJ/ha anno

fotobioreattori 670 GJ/ha anno

Ritorno energetico: Ritorno energetico: 90% open ponds90% open ponds24% bioreattori24% bioreattori

Energia output:Energia output: open ponds 1.150 GJ/ha annofotobioreattori 1.600 GJ/ha anno

Energia contenutaEnergia contenuta open ponds 115 GJ/ha annonei materiali:nei materiali: fotobioreattori 550 GJ/ha anno


Dipartimento SEAMeG

Possibili aree di sviluppo in PugliaPossibili aree di sviluppo in Puglia

Energeco SrlEnergeco Srl


Dipartimento SEAMeG

Prospettive futureProspettive future

Alcuni studiosi ritengono, però, che lo sviluppo commerciale su larga scala di queste tecnologie richieda tempi lunghi, poiché è ancora da dimostrare che una coltura algale massiva possa fissare sotto forma utile piùenergia di quanta ne consumi e che quanto osservato nelle sperimentazioni in laboratorio sia conseguibile anche sul campo, a pieno sole. Quanto ottenuto in laboratorio, infatti, potrebbe non verificarsi del tutto nelle applicazioni industriali su larga scala.

alghe

Documents