coltivare le alghe per ottenere energia - Università degli Studi di ...

CHE COS'E' LA BIOMASSA
La biomassa è un termine che unisce
una gran quantità di materiali, di natura
estremamente eterogenea. Con alcune
accezioni, si può dire che è biomassa
tutto ciò che deriva direttamente o
indirettamente dalla fotosintesi
clorofilliana. Sono da escludere le
plastiche e i materiali fossili, che pur
rientrando nella chimica del carbonio,
non hanno nulla a che vedere con la
caratterizzazione dei materiali organici.

ENERGIA
BEVANDE
ALCOLICHE
IMPIEGHI DELLA BIOMASSA
ALIMENTI
FIBRE
TESSILI
MATERIALI DA
COSTRUZIONE
MATERIE PRIME
PER L'INDUSTRIA
CHIMICA

Biocombustibili VERSUS
produzioni alimenti
Negli ultimi anni il rapido sviluppo economico di alcuni paesi
emergenti come Cina, India, ecc. ha determinato una crescita dei
consumi dei combustibili fossili e, conseguentemente, ha accelerato il
loro esaurimento ed incrementato la concentrazione atmosferica
dell’anidride carbonica.
BIOMASSA SEMBRA ESSERE UNA SOLUZIONE A
TALI PROBLEMI

I biocombustibili di prima generazione derivanti da
coltivazioni agricole “dedicate” utilizzati principalmente per
produzioni alimentari (sementi, zucchero, olio). Questi
biocarburanti richiedono un processo tecnologico
relativamente semplice per ottenerli e sono rappresentati da
biodiesel, bio-etanolo, e biogas.
La produzione di questi combustibili di origine agricola è
utilizzata commercialmente in tutto il mondo. Essi hanno
ancora potenzialità di ridurre i costi di produzione e
ottimizzare il bilancio energetico in modo da aumentare i
tassi di utilizzo anche in combinazione con combustibili fossili.

Biocombustibili di seconda generazione ottenuti da
biomassa lignocellulosica (compresi i residui delle colture non
commestibili, le risorse forestali, non tradizionali colture
energetiche come il panico verga, pioppo). Generalemnte le colture
utilizzate presentano una crescita rapida occupano terreni agricoli di
scarsa qualità agronomica (jatropha, pioppo,manioca , ecc.). I
processi di conversione in biocarburnati sono relativamente
semplici anche se richiedono l’impiego di microrganismi in grado
di degradare la sostanza organica. Con questo tipo di tecnologia si
ottengono; bioetanolo, bioidrogeno, gas di sintesi,
bioolio, biometanolo, la bio-dimetiletere, bio-butanolo e diesel
sintetico ricavato attraverso Fischer-Tropsch.
Questa produzione non è ancora su scala industriale, ma è
solo sperimentale, anche se le tecnologie sono molto
promettenti poiché impiegano materie prime a basso costo .

La terza generazione è costituita da biocarburanti
ottenuti da colture geneticamente modificate con
un bilancio neutrale di carbonio. Essi sono ottenuti
utilizzando le tecnologie impiegate nella seconda
generazione, ma con materie prime
opportunamente modificate
Le colture bioenergetiche sono specificamente
progettate o create "su misura" (spesso attraverso
tecniche di biologia molecolare) per migliorare le
rese di conversione della biomassa in
biocarburanti.
Appartengono a questo gruppo anche il biodiesel e
bioetanolo da colture microalgali

Quarta generazione
è ancora in fase di studio presso alcuni
laboratori che utilizzano le
biotecnologie e gli organismi
geneticamente modificati (principalment
e microalghe e batteri) in grado di
catturare grandi quantità di anidride
carbonica

PERCHE’ COLTIVARE LE ALGHE
PER OTTENERE ENERGIA
1) Le microalghe producono più biomassa delle
piante terrestri
2) Contengono più lipidi e amido delle piante terrestri
(20.000L/ha contro 6.000L/ha palma da olio)
3) Non occupano suoli destinati alla coltivazione di
piante alimentari
4) È possibile utilizzare residui provenienti da altri
impianti per coltivare le alghe (CO2, scarichi fognari,
ecc.)

Oil yield (L/ha)
PERCHE’ COLTIVARE LE ALGHE
50000
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
PER OTTENERE ENERGIA
170 450 780 950 1200
6000
50000 -140000
Corn Soybean Sufflower Sunflower Rapeseed Oil Palm Microalgae
Plant
Produzione di olio da piante oleaginose dedicate e da
microalghe

PERCHE’ COLTIVARE LE ALGHE
PER OTTENERE ENERGIA
Coltivazione delle alghe:
1) Le microalghe terreno producono di coltura più biomassa delle
piante terrestri
+
condizioni ambientali idonee
2) Contengono più lipidi e amido delle piante terrestri
(20.000L/ha contro 6.000L/ha palma da olio)
50000
50000 -140000
45000 3) Non occupano suoli destinati alla coltivazione di
40000
35000 piante alimentari
30000
Oil yield (L/ha)
25000
20000
15000
4) È possibile utilizzare residui provenienti da altri
10000
6000
5000 170 450 780 950 1200
impianti per 0 coltivare le alghe (CO2, scarichi fognari,
ecc.)
Corn Soybean Sufflower Sunflower Rapeseed Oil Palm Microalgae
Plant

Classificazione delle alghe
RHODOPHYTA
Chondrus crispus
Gelidium spp
MACROALGHE
PHAEOPHYTA
Fucus spp
Laminaria spp
Ascophyllum nodosum
MICROALGHE
Spirulina spp Chlorella vulgaris
C. Pyrenoidosa
CLOROPHYTA
Ulva lactuca
Aphanizomenon flos-aquae
(AFA)

Sistema di coltivazione delle macroalghe
Generally seaweeds species grow very fast
and can be cropped within a few months.
Traditional
seaweed farming
uses lines, ropes,
nets or rafts,
floating or
suspended in the
sea. Young
seaweed are
seeded or attached
to the substrate
and left to grow for
6 to 8 weeks,
depending on the
species and
location.

Sistemi di coltivazione
delle macroalghe
Le macroalghe hanno una elevata
resa in biomassa da 7-30t ha. La
coltivazione in prossimità delle
coste risulta difficile a causa della
limitata disponibilità di siti idonei.
(acque non inquinate). Infatti, sia le
acque costiere sia quelle più
profonde non sono adatte perché le
prime sono spesso inquinate
mentre le seconde non permettono
l’ancoraggio al fondo (gli impianti
sono soggetti all’azione delle onde e
delle maree). Per risolvere questi
problemi sono stati proposti alcuni
prototipi che permettono di
coltivare le macroalghe anche in
alto mare.

Sistemi di coltivazione microalghe

A sacchi di plastica

Sistemi di coltivazione microalghe
Fermentatori
I
Generalmente
microrganismi
le
industriali
microalghe
sono
coltivati
impiegate
in condizioni
nei fermentatori
controllate
sono
con
lo
modificate
scopo di
geneticamente
ottimizzare la
in
crescita
modo
del
da
microrganismo
trasformarle
e
da
l'ottenimento
autotrofe
di un
in
suo
eterotrofe.
prodotto derivato.
La
Ad esempio
fermentazione
modificando
è effettuata
un solo gene
in
contenitori
è possibile “affrancare”
(vessels)
le microalghe
chiamati
Fermentatori
della specie
o bioreattori
Phaeodactylum
la cui
grandezza/complessità
tricornutum dalla
va
necessità
da semplici
di
serbatoi
fotosintesi,
con
rendendo
gestione
possibile
manuale
la loro
a
complessi
crescita in
sistemi
assenza
integrati
di luce
con
e
una
con
gestione
l'impiego
automatica.
di carboidrati.

Settori d’impiego delle alghe
Biocarburanti
Olio come combustibile. Fermentazione anaerobica biogas, mentre dalla
fermentazione aerobica della componente amidacea si ottiene etanolo. Alghe
che producono idrogeno (fase di studio).
Industria farmaceutica
Produzione di acidi grassi poliinsaturi ad elevato valore fisiologico (es. EPA, DHA
ecc.); principi attivi ad azione anticancerogena e per la produzione di diagnostici
avanzati (es. ficobiliproteine per la realizzazione di biosensori, ecc.). Glicerolo
usato in cosmesi e nell’industria farmaceutica.
Industria mangimistica
Produzione di ceppi microalgali per avannotteria e produzione di molluschi
bivalvi; alimenti per il bestiame ricchi in omega3 e omega 6.

Settori d’impiego delle alghe
Integratori alimentari
Acidi grassi omega3 e omega6, amminoacidi, enzimi e vitamine naturali (C,
E, provitamina A), antitumorali.
Industria alimentare
b-carotene come colorante alimentare ed integratore dietetico
(provitamina A); farina di alghe come ingrediente ed integratore nei
prodotti alimentari; glicerolo usato negli alimenti, nei cibi, nelle bevande;
carragenani usati come addensanti.
Altri impieghi
Alimentazione umana, fertilizzanti, ecc.

Altri impieghi
Attualmente le macroalghe sono impiegate
principalmente per l’alimentazione umana. La loro
coltivazione è molto antica, ad esempio, in cina, le
alghe erano consumate già 2000 anni fa.
Mediamente la resa in biomassa di un ettaro
coltivato a macroalghe è pari a circa 7-30t.

Altri impieghi
In Portogallo, Inghilterra
ed Irlanda la coltivazione
di alghe per la produzione
di fertilizzanti è antica.
Giappone e Cina sono i
maggiori consumatori e
produttori di macroalghe.
Nel mondo la maggior parte degli impianti di coltivazione delle macrolaghe sono
presenti in Asia. Molti tipi di alghe vengono oggi utilizzate in cucina, tra le più
importanti ricordiamo le seguenti: Dulse, Hijiki, Nori, Arame, Kombu, Wakame,
Klamath e Agar Agar, ecc.

Macroalghe e alimentazione
Tra le alghe rosse la più coltivata è la Porphiyra tenera (kombu) usata nella cucina
orientale per produrre il Nori, alimento che si consuma tal quale o nella
preparazione del sushi

Macroalghe e alimentazione
Tra le alghe brune la più coltivata è la Laminaria japonica (kombu) usata nella
cucina orientale per insaporire (la kombu è ricca di acido glutammico) i cibi o
semplicemente mangiata come verdura

Macroalghe e alimentazione
L' Undaria pinnatifida (chiamata in lingua giapponese wakame) è in Giappone la
terza alga in ordine di popolarità, dopo la nori e la kombu. Dopo la raccolta in
mare l’alga è scottata è venduta nei mercati oppure essiccata e quindi destinata
all’esportazione. La scottatura ha due scopi principali: donare alla wakame un
colore verde e inibire la crescita di microrganismi che fermentano, consentendo la
vendita della pianta come verdura fresca per un periodo più lungo.

Macroalghe e alimentazione
La Palmaria palmata, è un'alga rossa nota tra gli anglosassoni con il nome di
dulse. È impiegata per preparare una serie di zuppe e di ottimi condimenti
(piccante).

Produzione mondiale di macroalghe

Produzione mondiale di macroalghe
Raccolte
direttamente
(1,3 Mt)
Coltivate
(14,8 Mt)

Impieghi nell’industria alimentare
I ficocollodi (dal termine greco phykos=alga) hanno la proprietà di
formare soluzioni colloidali quando sono dispersi in acqua e sono
dotati di proprietà gelificanti, addensanti, emulsionanti, stabilizzanti
che li rendono particolarmente utili all'industria alimentare.
Le alghe contengono particolari sostanze (polisaccaridi), conosciuti
anche con il nome di ficocolloidi, che hanno un interesse
commerciale. Queste sostanze di varia natura (amido, cellulosa, ecc.
- glucosio) (agar, carragenani, furcellarano, porphyrano, hypneano,
funorano, ecc. - galattani e mannani) svolgono generalmente due
principali funzioni nelle macroalghe: rappresentano risorse
energetiche, immediate e non, e conferiscono sostegno strutturale ai
tessuti. Altre funzioni sono, ad esempio, quelle di preservare le alghe
dal disseccamento in condizioni di mancanza di acqua,
conferendogli la tipica sensazione viscida al tatto.

Impieghi farmaceutici delle alghe
Particolari ficocolloidi sono i polisaccaridi solfati (come alcuni
carragenani) con attività anticoagulante e antitrombotica. Recenti
studi hanno evidenziato che i polisaccaridi solfati abbiano altre
proprietà biologiche quali: antivirale (evita la replicazione di alcuni
virus come quelli dell’AIDS), antiproliferativa (riduce la crescita
delle cellule tumorali), antiadesiva (evita l’adesione dei virus sulle
cellule bersaglio), immunostimolante (stimola la produzione di
anticorpi contro i tumori, ma anche contro i virus dell’herpes). Tali
proprietà li rendono interessanti per l'applicazione in campo
farmaceutico nelle patologie virali, tumori e arteriosclerosi.
Alcune azioni minori riguardano l'effetto anti-ulcera. Inoltre, esiste
uno studio clinico molto limitato per numerosità di soggetti per
l'impiego della Chlorella come integratore nella colite ulcerosa e
nell'ipertensione.

Le alghe come integratori alimentari
Le spiruline
Sebbene il nome commerciale sia quello di SPIRULUNE da un punto di
vista strettamente botanico è più corretto parlare di ARTHROSPIRA
(maxima e platensis)
Le Arthrospire alimenti degli Aztechi e di alcune
popolazioni africane (Ciad)

Le alghe come integratori alimentari
Confronto tra la composizione media della
Arthrospira maxima e quella della soia
Principi
nutritivi
Arthrospira
maxima
(g/kg di s.s.)
Soia
(g/kg di s.s.)
Proteine 600-700 400
Lipidi 60-70 200
Carboidrati 130-160 350
Minerali 40-90 50
Le Arthrospire, come molte altre alghe
,contengono un polisaccaride solfonato che
presenta proprietà anticoagulanti. È ricca di
vitamina E, provitamina A e complesso B12.

Le alghe come integratori alimentari
Ciclo produttivo delle Arthrospire

Le alghe come integratori alimentari
Impieghi delle Atrhospire
Con un semplice processo di
estrazione è possibile ottenere un
pigmento blu, la ficocianina, che
trova impiego nell’industria
alimentare (preparazione id
gelati, gomme da masticare,
caramelle, yogurt, ecc.) e
farmaceutica come antiossidante.
In oriente questo pigmento si
chiama “lina blue”.

Le alghe come integratori alimentari
Produzione mondiale di Arthropsire
I maggiori produttori al mondo
sono Stati Uniti d’America, Cina e
India.
Negli USA sono presenti i grandi
impianti di produzione quali quelli
della Eartrise Farm situati in
California (15ha) e della Cyanotech
con sede nelle Hawaii (8 ettari)
In questi ultimi anni la produzione
cinese, quasi tutta destinata
all’esportazione, si molto
sviluppata; la qualità è scadente.
Il Giappone pur essendo tra i primi
consumatori di Atrhospire ha una
limitata produzione

Produzione mondiale di Arthropsire
I maggiori produttori al mondo
sono Stati Uniti d’America, Cina e
India.
Negli USA sono presenti i grandi
impianti di produzione quali quelli
della Eartrise Farm situati in
California (15ha) e della Cyanotech
con sede nelle Hawaii (8 ettari)
In questi ultimi anni la produzione
cinese, quasi tutta destinata
all’esportazione, si molto
sviluppata; la qualità è scadente.
Il Giappone pur essendo tra i primi
consumatori di Atrhospire ha una
limitata Produzione produzione mondiale di Arthrospire dal 1980 al 2005

Syngas is the name given to a
gas mixture that contains
varying amounts of carbon
monoxide and hydrogen. The
gas is obtained by a process
that occurs at high temperature
and in absence of oxygen
Energia dalle alghe

La produzione di bioenergia da microalghe risale a
diversi decenni fa….
Although the idea of growing algae to obtain biofuels started to the
end of the 1940’s, the first applied studies were undertaken only
twenty years later, when some American researchers proposed to
use these organisms to obtain biogas by fermentation, to be burned
in electric power plants.
Aquatic
Species
Program
(ASP),

La produzione di bioenergia da microalghe risale a
diversi decenni fa….
Although the idea of growing algae to obtain biofuels started to the
end of … the questo 1940’s, the first programma applied studies were undertaken fu only
twenty years later, when some American researchers proposed to
use these organisms to obtain biogas by fermentation, to be burned
in electric power plants.
interrotto nel 1996 a
causa del taglio dei
finanziamenti!
Aquatic
Species
Program
(ASP),

Confronto tra alcune caratteristiche del biodiesel
da microalghe e da soia, di quello standard.
Peggiore
Migliore
Migliore
Parametri
Biodiesel
microalghe
da Biodiesel da Biodiesel
soia standard
Densità (kg L 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
-1)
Viscosità (mm2 s- 1 ; cSt a 40°C)
Flash point –
punto di
infiammabilità
(°C)
Punto
solidificazione
di
(°C)
Punto
d'intasamento a
freddo dei filtri
Acidità (mg KOH
g-1) Potere calorifico
(MJ/kg)
Biodiesel da Biodiesel da Biodiesel
Parametri
micro alghe
soia
standard
Densità (kg L -1 ) 0,864 0,874 0,86 – 0,90
Viscosità (mm 2 s -1 ; cSt a 40°C) 5,50 4,01 3,50 – 5,00
Flash point – punto di infiammabilità
115 155 min 120
(°C)
Punto di solidificazione (°C) -12 Nd -
punto d’intasamento a freddo dei filtri
(°C) 1
-11 -4 -
Acidità (mg KOH g -1 ) 0,374 Nd 0,5
Potere calorifico (MJ/kg) 41 37 – 38 35
Rapporto H/C 1,81 nd -
1
È definita come la temperatura (°C) più alta alla quale il combustibile non passa più attraverso il filtro oppure impiega
molto tempo per passare. Questo valore rappresenta un modo diverso per valutare le caratteristiche del combustibile alle
basse temperature.

Confronto tra alcune caratteristiche del biodiesel
da microalghe e da soia, di quello standard.
Il maggior limite del prodotto finito è l’ingente
contenuto di acidi grassi ad elevato grado di
insaturazione (4 o più doppi legami) che lo rende
facilmente ossidabile e un valore del numero di
iodio leggermente superiore a quello 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 .
Biodiesel da Biodiesel da Biodiesel
Parametri
micro alghe
soia
standard
Densità (kg L -1 ) 0,864 0,874 0,86 – 0,90
Viscosità (mm 2 s -1 ; cSt a 40°C) 5,50 4,01 3,50 – 5,00
Flash point – punto di infiammabilità
115 155 min 120
(°C)
Punto di solidificazione (°C) -12 Nd -
punto d’intasamento a freddo dei filtri
(°C) 1
-11 -4 -
Acidità (mg KOH g -1 ) 0,374 Nd 0,5
Potere calorifico (MJ/kg) 41 37 – 38 35
Rapporto H/C 1,81 nd -
1
È definita come la temperatura (°C) più alta alla quale il combustibile non passa più attraverso il filtro oppure impiega
molto tempo per passare. Questo valore rappresenta un modo diverso per valutare le caratteristiche del combustibile alle
basse temperature.

…come ridurre il costo del biodiesel
da microalghe?

L’uso dei sottoprodotti
protrebbe aiutare a ridurre
il costo del biodiesel da
microalghe
(ad esempio l’astaxantina)
…come ridurre il costo del biodiesel
da microalghe?

…incrementare le rese in biomassa
Actual yield in a best plant:
15/m2 per day → 50 t/hect. per year (dw)
oil ~ 20 t/ per year
Best yields a short-run:
30/m2 per day → 100 t/hect. per year (dw)
oil ~ 40 t/ per year
Best yields a long run:
50g/m2 per day → 170 t/hect. per year (dw)
oil ~ 70 t/ per year
300 t/ha per anno (dw) è considerata la resa in biomassa algale in
grado di fornire un reale vantaggio economico.
Siamo, quindi, ancora lontani dall’avere un ritorno economico per la
produzione di biodiesel dalle alghe

…incrementare le rese in biomassa
Actual yield in a best plant:
15/m2 per day → 50 t/hect. per year (dw)
oil ~ 20 t/ per year
Best yields a short-run:
30/m2 Geneticamente
per day → 100 t/hect. per year (dw)
oil ~ 40 t/ per year
Modificate
Best yields a long run:
50g/m2 per day → 170 t/hect. per year (dw)
oil ~ 70 t/ per year
…creare Microalghe
300 t/ha per anno (dw) è considerata la resa in biomassa algale in
grado di fornire un reale vantaggio economico.
Siamo, quindi, ancora lontani dall’avere un ritorno economico per la
produzione di biodiesel dalle alghe

Some economics aspects (GMO microalgae)
Because of the size of the chlorophyll pigment, 90% of
solar radiation absorb by the algal cell is lost as heat
This phenomenon known as the light saturation effect is particularly
unfavorable to microalgae production systems. In fact microrganisms
live in the deep grow slightly because of the sunlight intercepted by the
algae placed on the surface

Some economics aspects (GMO microalgae)
This phenomenon known as the light saturation effect is particularly
unfavorable to microalgae production systems. In fact microrganisms
live in the deep grow slightly because of the sunlight intercepted by the
algae placed on the surface

Some economics aspects (GMO microalgae)
light radiation is not
absorbed and
release as heat
Wild types Mutant types
Wild types Mutant types
Researchers now want to transfer this mutant
character to other species of microalgae
In nature there is an mutant strain of alga (Chlamydomonas
reinhardtii) that has a short dimension of photosynthetic
pigments. This modification reduce the amount of light absorbed
by the algae leaving the radiation get in the deep.

Indici per valutare la convenienza energetica
di una risorsa
NEG = EnergyConsumable − EnergyExpended.
NEG is a concept used in energy economics that refers
to the difference between the energy expended to
harvest an energy source and the amount of energy
gained from that harvest.
The net energy gain can be expressed in Joules
Valore
Valore
negativo
C’è convenienza
energetica
Net Energy Gain (NEG)
Positivo
Non c’è convenienza
energetica

Indici per valutare la convenienza energetica
di una risorsa
Energy Return On Investment (EROI)
EROI
Quantità di energia contenuta nel
combustibile (MJ)
Quantità di energia utilizzata nel
processo produttivo (MJ)
Indici simili includono net energy yield, net energy benefit, net
energy value, energy return on investment, energy return on
energy investment, ecc.
1 C’è convenienza 1
energetica
Non c’è convenienza
energetica

(Keane, 2010)

(Keane, 2010)
(Batam, 2010)