Coltivazione di microalghe in condizioni di eterotrofia per la valorizzazione di sottoprodotti industriali

In this thesis, experimental tests for the cultivation of microalgae under heterotrophic conditions are described. The ultimate aim of this analysis is to assess the feasibility of exploiting industrial wastes to grow microalgae in a circular economy approach. Algal growth and its relationship with environmental conditions were studied through batch and fed-batch tests in a consortium of algae and bacteria, grown using the liquid fraction of digestate, of the algal species Scenedesmus obliquus and in a pure culture of Arthrospira platensis. The trials were conducted by maintaining the microbes in the absence of light, in order to inhibit autotrophic metabolism and promote nutrient uptake through the desired metabolic pathway. In addition, special attention was paid to the control of environmental conditions such as temperature, dissolved oxygen and pH. Nutrients essential to algal growth were supplied through substrates sampled from industrial productions. In particular, the liquid fraction of digestate from an anaerobic digestion reactor (as a source of nitrogen), and a solution of glucose or vinasses from cereals processing (as sources of organic carbon). During the experiments, the following parameters were monitored: biomass concentration in terms of mass, biomass concentration in terms of cell number, optical density, nutrient availability, dissolved oxygen consumption rate. At the end of each test, the performance parameters (KPI) were calculated, specifically: maximum growth rate, growth yield in terms of carbon, specific nitrogen consumption, volumetric productivity and glucose consumption rate. The results showed that growth is strongly influenced by the initial inoculum conditions, such as acclimation to environmental conditions which favor heterotrophic metabolism and its purity. Other equally important factors are the concentration of organic carbon present in the growth substrate and the level of aeration. Those experiments in which it was possible to implement an adequate supply of nutrients combined with an effective control of predators, have demonstrated that heterotrophic growth is effectively applicable to the context of the valorization of industrial waste with a high content of nutrients such as carbon and nitrogen.  

In questo elaborato vengono descritte delle prove sperimentali volte alla coltivazione di microalghe in condizioni di eterotrofia. Lo scopo ultimo di questa analisi è valutare la fattibilità di un possibile passaggio su scala industriale di questo metodo di coltivazione utilizzando sottoprodotti industriali in ottica di economia circolare. La crescita algale e il suo legame con le condizioni ambientali, sono state studiate attraverso delle prove in batch e fed-batch utilizzando sia un consorzio alghe-batteri della specie algale Scenedesmus obliquus, coltivato utilizzando la frazione liquida di digestato, sia un ceppo puro di Arthrospira platensis. Le prove sono state condotte mantenendo i microrganismi in condizioni di assenza di luce, al fine di inibire il metabolismo autotrofo e promuovere l’assorbimento dei nutrienti attraverso la via metabolica eterotrofa. Inoltre, si è posta particolare attenzione al controllo delle condizioni ambientali quali temperatura, ossigeno disciolto e pH. I nutrienti essenziali alla crescita algale sono stati forniti sotto forma di: frazione liquida di digestato proveniente da un reattore di digestione anaerobica (come fonte di azoto), e una soluzione di glucosio alternata a borlanda proveniente da un impianto di lavorazione dei cerali (come fonti di carbonio organico). Durante le sperimentazioni sono stati monitorati i seguenti parametri: la concentrazione della biomassa in termini massici, la concentrazione della biomassa in termini di numero di cellule, la densità ottica, la disponibilità di nutrienti, il tasso di consumo dell’ossigeno disciolto. Al termine di ogni prova svolta sono stati calcolati i parametri di performance (KPI): velocità di crescita specifica, resa di crescita in termini di carbonio, consumo specifico di azoto, produttività volumetrica e tasso di consumo di glucosio. I risultati ottenuti hanno evidenziato come la crescita sia fortemente influenzata dalle condizioni iniziali della biomassa, come l’acclimazione a condizioni ambientali che stimolino il metabolismo eterotrofo e il grado di purezza della biomassa stessa. Altri fattori non meno importanti sono la concentrazione di carbonio organico presente nel substrato di crescita e il livello di aerazione. Le sperimentazioni, in cui è stato possibile attuare un’adeguata fornitura di nutrienti combinata ad un controllo efficace delle specie predatorie, hanno dimostrato che la crescita eterotrofa è effettivamente applicabile al contesto della valorizzazione di rifiuti industriali ad alto contenuto di nutrienti quali carbonio e azoto.