Analisi foto-respirometriche e modellazione matematica applicate alla descrizione e all'ottimizzazione di sistemi di coltivazione di microalghe

The study of alternative and sustainable production processes is a crucial aspect to develop our society. The transition from a consumer type of economy to a circular economy necessarily requires a massive and consistent commitment. In this scenario, the development of theoretical notions and practical techniques of the microalgae cultivation are becoming relevant. The controlled growth of these microorganisms can be integrated with widespread processes, such as the purification and stabilization of liquid, gaseous and solid flows. By doing so, it would be possible to partially reduce the consumption of raw matials. Furthermore, the coltivation of microalgae produce a biomass rich in substances with a strong commercial interest and with the most disparate uses. However, the lack of information and supporting empirical data generates the need to form a rich portfolio to characterize these microorganisms. At the current state, there is a scarcity of works that analyze microalgae, and its use, with an exhaustive review. The present work is designed to study in depth, through the use of photo-respirometric experimental techniques, the properties of the algal strains that have aroused the greatest commercial interest. These empirical tests were applied by following a specific method that is based on the available literature. The collected data were applied to describe, through the ALBA mathematical model, a complex cultivation system, characterized by a consortium of microalgae and bacteria. The information collected from the survey campaign carried out at the pilot plant located in Bresso is also used for the characterization of the process. Once the model has been modified, calibrated and validated, a scenario analysis is carried out to comprehensively describe the cultivation of microalgae further more.

Lo studio e l’approfondimento di processi produttivi alternativi e sostenibili è un tema sempre più rilevante nella società contemporanea. Il passaggio da un’economia prettamente di consumo a un modello circolare richiede necessariamente un impegno massivo e consistente. In questo scenario, ben si inserisce lo sviluppo delle nozioni teoriche e delle tecniche pratiche relative alla coltivazione di microalghe. La crescita controllata di tali microorganismi è integrabile a processi largamente diffusi, come la depurazione e la stabilizzazione di flussi liquidi, gassosi e solidi, soppiantando l’utilizzo tradizionale di materie prime, sempre più scarse. Al contempo, sarebbe possibile ottenere una biomassa ricca di sostanze dal forte interesse commerciale e dagli impieghi più disparati. Tuttavia, la carenza d’informazioni e dati empirici a supporto genera la necessità di formare un ricco portfolio per caratterizzare questi microorganismi. Allo stato attuale, si verifica una scarsità di opere che analizzino, con una visione onnicomprensiva, le microalghe e il relativo utilizzo. Il presente lavoro è concepito per studiare a fondo, tramite l’impiego di tecniche sperimentali foto-respirometriche, le proprietà dei ceppi algali che hanno suscitato l’interesse commerciale maggiore. Tali prove empiriche sono state applicate, in seguito a un attento e specifico studio della letteratura disponibile, definendo un rigoroso metodo operativo. I dati raccolti sono stati applicati per descrivere, tramite il modello matematico ALBA, un sistema di coltivazione complesso, caratterizzato da un consorzio di microalghe e batteri. Sono utilizzati, per la caratterizzazione del processo, le informazioni raccolte dalla campagna di rilevamenti effettuata sull’impianto pilota situato a Bresso. Una volta modificato, calibrato e validato il modello, si esegue un’analisi di scenario che permette di descrivere esaustivamente alcuni dettagli della coltivazione di microalghe. Le informazioni ricavate compongono un quadro completo del processo e permettono di effettuare considerazioni direttamente applicabili a casi reali.