Sviluppo di un modello matematico per simulare il comportamento di consorzi alghe-batteri in vasche aperte

The present work is based on the evaluation of the potentials expressed by microalgae, photosynthetic microorganisms that have raised a high interest due to their peculiarities. Recent studies have shown opportunities of growing microalgae directly into sewage or anaerobic digestate. Specifically, this work focuses on the treatment of the digestate, the principale byproduct of the anaerobic digestion process, and the simultaneous production of biomass. The benefits that would result from this culture would be multiple: extraction and production of biofuels, recirculation as a substrate for anaerobic digestion and the reduction of the nutrient content of digestate before disposal. Moreover, biogas produced by digestion could be used for a cogeneration process, encouraging the photosynthesis of microalgae through the supply of CO2 that would otherwise be emitted. The objective is to achieve a virtuous circle for low-impact energy production. To achieve this goal, it has been necessary to develop a specific mathematical model of this biological process implementing all the most relevant features for the growth of microalgae such as light, temperature and pH. A further field of investigation is about the reaction kinetics: part of the analysis focuses on the thorough analysis of the numerous available functions descriptive of the rateo. The fundamental aim of this thesis is, therefore, to evaluate the biological system through numerical modeling. The simulations would permit to obtain the effluent concentrations of certain substances of interest like nutrients and the biomass of the microalgae, improving the understanding of the system.

Il seguente elaborato muove dalle potenzialità espresse dalle microalghe, microrganismi fotosintetici che hanno sollevato interesse grazie alle loro peculiarità. Recenti studi hanno infatti dimostrato la possibilità di coltivarle direttamente in acque reflue o su digestati anaerobici. In particolare, il caso analizzato riguarda l'applicazione delle microalghe per l'affinamento del digestato, principale sottoprodotto dei processi di digestione anaerobica, con contestuale produzione di biomassa valorizzabile. I benefici che deriverebbero dalla coltivazione sarebbero molteplici: la riduzione del carico di nutrienti associati al digestato e la produzione di biomassa valorizzabile per la produzione di biocombustibili, ad esempio mediante ricircolo della biomassa stessa in digestione anaerobica. Quest'ultima opzione è quella analizzata, considerando le sinergie che comporterebbe. Il biogas prodotto dalla digestione, infatti, potrebbe essere sfruttato in un processo cogenerativo, favorendo la fotosintesi delle microalghe grazie all'alimentazione della CO2 emessa. Ciò che si auspica è quindi la formazione di un circolo virtuoso per la produzione energetica a basso impatto ambientale. Lo studio ha quindi reso necessario lo sviluppo di un modello matematico del processo biologico, nel quale si è cercato di implementare tutti i fattori influenti la crescita delle microalghe come la luce, la temperatura ed il pH. Un ulteriore campo d'indagine è dato dalle cinetiche di reazione: parte dell'analisi si è focalizzata sull'analisi critica della letteratura esistente in merito. Scopo fondamentale di questa tesi è quindi quello di valutare tramite modellazione numerica il suddetto sistema biologico. Le simulazioni così condotte porteranno ad ottenere i valori delle concentrazioni finali di alcune sostanze d'interesse quale la biomassa microalgale, migliorando quindi la comprensione del funzionamento del sistema.