Industrial production of microalgae by an eco-sustainable process: light utilization efficiency and nutrient recycling

This Ph. D. project is aimed to improve the efficiency and the sustainability of microalgal cultivation in view of large-scale biofuels production. Experiments as well as modeling and process simulation were used to investigate: i) the light utilization efficiency in algal photobioreactors and ii) different strategies for the recovery and recycling of nutrients. First of all, microalgal growth in continuous photobioreactors is modeled in order to identify optimum working conditions that allow maximum productivity, accounting for light intensity and regime, as well as for axial dispersion. Then, the integration of photovoltaic (PV) technologies with photobioreactors is studied as a possible technical solution to improve the photons utilization per surface area. In this regard, experiments applying either standard, low-cost silicon solar cells or a novel organic dye-sensitized semi-transparent photovoltaic module on the reactor surface are reported. An energetic and economic analysis of microalgal cultivation in a photovoltaic greenhouse, with the roof partially covered by PV panels is also presented. Two different strategies for nutrients recovery and recycling are investigated, namely flash hydrolysis (FH) of whole algal biomass and anaerobic digestion (AD) of lipid-extracted residues. The nutrients-rich aqueous phases produced by FH of two different algal species (Scenedesmus sp. and Nannochloropsis gaditana) are used to assess the growth performances of the respective algae in this medium. As an alternative to the direct recycling of the aqueous hydrolysate, the possibility of precipitating the nutrients in stable fertilizers is also reported. The biogas production from AD of lipid-extracted microalgae is evaluated, and the subsequent growth rate in the liquid digestate was compared to that obtained in standard synthetic medium. Finally, the experimental data gained from FH and AD are used to implement process simulations with the aim of evaluating the material and energy balances and to assess the feasibility on a large-scale.

Questa tesi di dottorato ha come obiettivo il miglioramento dell'efficienza e della sostenibilità dei processi di coltivazione di microalghe per la produzione di biocarburanti su larga scala. Approcci di tipo sperimentale, modellistico e di simulazione di processo sono stati impiegati per valutare: i) l'efficienza di utilizzo della luce in fotobioreattori per la produzione microalgale e ii) diverse strategie per il recupero e il riciclo dei nutrienti. In primo luogo, la crescita microalgale in fotobioreattori di tipo continuo è modellata al fine di identificare le condizioni ottimali che consentono di ottenere la massima produttività, considerando l'effetto dell'intensità e regime luminoso, uniti alla dispersione assiale. Successivamente, l'integrazione di tecnologie fotovoltaiche con i fotobioreattori è studiata come una possibile soluzione pratica per migliorare l'efficienza di utilizzo dei fotoni per unità di area superficiale. A tal proposito, sono dunque riportati esperimenti svolti applicando pannelli solari, sia di tipo convenzionale al silicio che un nuovo modulo "DSC" semi-trasparente, sulla superficie del reattore. Inoltre, è presentata un'analisi energetica ed economica di un sistema di coltivazione di microalghe in una serra fotovoltaica, il cui tetto è parzialmente coperto da pannelli fotovoltaici. Due diverse strategie per il recupero e riciclo dei nutrienti sono state prese in considerazione: flash hydrolysis (FH) della sospensione microalgale a valle del reattore, e digestione anaerobica (AD) della biomassa residua a valle dell'estrazione dei lipidi. La fase acquosa ricca di nutrienti prodotta dalla FH di due diverse specie microalgali (Scenedesmus sp. e Nannochloropsis gaditana) è impiegata per analizzare la crescita delle corrispondenti microalghe in tale substrato. Inoltre, la possibilità di precipitare i nutrienti dall'idrolizzato sotto forma di fertilizzanti stabili è valutata come alternativa al riciclo diretto. Viene studiata la produzione di biogas dalla AD di microalghe a valle dell'estrazione dell'olio, e successivamente la crescita nel digestato liquido viene comparata con quella ottenuta in terreni di coltura standard. Infine, i dati sperimentali ottenuti da FH e AD sono utilizzati per implementare delle simulazioni di processo, al fine di svolgere i bilanci di materia ed energia e di valutare le performance di questi processi su larga scala.