An investigation on microalgae growth at different scales: from photosynthetic mechanisms modelling to operation optimisation in open pond cultivation systems

Microalgae processing represents one of the most promising new technologies for sustainable production of a wide range of commodities and value-added products, including cosmetics, pharmaceuticals and nutraceuticals. Moreover, at a larger time horizon, microalgae are expected to contribute for fossil carbon replacement with renewable carbon, especially for supplying green chemicals and liquid biofuel in the transport sector. Nevertheless, much research is still needed in order to make this potential new energy source a practically and economically feasible technology, since all the existing technological assessments are based on specific assumptions or gross estimates of productivity, derived by extrapolation of laboratory-scale data. The development of reliable mathematical models predicting both the behavior of large-scale outdoor microalgae culture and the underlying multiple time-scale biophysical and chemical processes is therefore necessary. These models are valuable tools to support both system design and operation optimization, with consequent potential increase of the process profitability. This Thesis aims at investigating the complex behavior of microalgae growth by following two main approaches. The first objective was to extend an existing growth model of marine water alga Nannochloropsis Salina describing photosynthetic efficiency through chlorophyll fluorescence dynamics. This microscale model integrates photoproduction, photoregulation and photoinhibition processes in a semi-mechanistic way, but it is limited to the description of the most significant photosystem PSII. The proposed model extension aims at describing the complete electron transport, together with the dynamics of each protein complex involved in the photosynthetic process, through absorbance data-based calibration/validation. The results show that the calibrated model is capable of accurate quantitative predictions of the photosynthetic transport chain paths under a wide range of transient light conditions. The second contribution objective was to develop a macro-scale model for Chlorella Vulgaris cultivation in open pond systems by coupling existing growth/temperature sub-models with real meteorological data. The utilization of this dynamic model will underline the benefits of model building activities on practical process optimization, since a reduced set of `rules of thumb' was extracted by different simulations done at different weather conditions. The proposed optimization strategy significantly increased productivity compared to standard operation at constant dilution rate and pond depth, by up to a factor 2.2. Furthermore, a deeper insight into optimal operation in case of inaccurate forecasts has been developed and discussed. The different strategies proposed can guarantee both high productivity and feasible operation in case of inaccurate weather forecasts. The resulting control strategies, despite the high amount of water required, can prevent culture death conditions due to unpredicted high temperatures.

L'incremento dell'instabilità dei prezzi petroliferi, la volontà di incentivare l'utilizzo di risorse rinnovabili e la necessità di affrontare problematiche relative al riscaldamento globale sono alcuni dei motivi che hanno incrementato lo sforzo della comunità scientifica al fine di utilizzare le microalghe a scopo energetico. Nonostante vi sia un alto potenziale teorico per l'utilizzo di microalghe come materia prima per la produzione di biocarburanti e prodotti ad alto valore aggiunto, la produzione su larga scala risulta attualmente non competitiva in termini economici. Le previsioni più ottimistiche, infatti, sono basate su estrapolazioni di dati ottenuti in laboratorio in condizioni controllate, che risultano notevolmente differenti da quelle che si verificano su larga scala. Oltre a questo, le valutazioni tecno-economiche basate su estrapolazioni di dati di laboratorio dipendono fortemente dalla metodologia applicata. La disponibilità di modelli meccanicistici in grado di prevedere il comportamento delle colture microalgali in sistemi di coltivazione industriali risulta quindi di primaria importanza per progettare, simulare e ottimizzare i processi di produzione. Il primo obiettivo di questa Tesi è stato quello di estendere un modello di microscala in grado di desrivere la crescita della microalga marina Nannochloropsis Salina tramite la rappresentazione dei meccanismi di fluorescenza causati dall'attività fotosintetica. Questo modello semi-meccanicistico descrive i meccanismi di fotoproduzione, fotoregolazione e fotoinibizione attraverso la rappresentazione della dinamica del fotosistema (PSII), complesso proteico coinvolto nel processo fotosintetico. Il lavoro presentato in questa Tesi consiste nell'estensione del suddetto modello tramite la descrizione dell'intero processo di trasporto elettronico a livello della membrana tilacoidale e delle dinamiche di ossidoriduzione dei complessi proteici coinvolti nel processo fotosintetico. Il modello è stato calibrato e validato grazie a dati di assorbanza ricavati tramite spettrometro di tipo Joliot. I risultati ottenuti dimostrano come il modello sia in grado fornire previsioni quantitative accurate del trasporto fotosintetico per una vasta gamma di condizioni di luce. Il secondo obiettivo è stato quello di sviluppare un modello di macroscala basato su previsioni meteorologiche per la coltivazione di Chlorella Vulgaris in sistemi a vasca aperta. L'utilizzo di questo modello dinamico sottolineerà i benefici derivanti dall'attività di modellazione ai fini dell'ottimizzazione di processo. Infatti la strategia di ottimizzazione proposta permetterà di ottenere un significativo aumento di produttività (fino a un fattore 2.2 per le stagioni pi calde e soleggiate) rispetto a quanto può essere ottenuto applicando le tradizionali strategie di coltivazione (a tempo di permanenza e volume costante). L'attività di ricerca ha inoltre individuato e paragonato differenti strategie di controllo che permettono di garantire la fattibilità del processo nel caso in cui i dati meteorologici non risultino accurati. Gli approcci studiati permettono di evitare condizioni critiche a seguito di ottimizzazioni basate su previsioni meteorologici inaccurati, richiedendo un maggiore consumo d'acqua per la regolazione del sistema, ma riuscendo in tal modo a garantire elevati valori di produttività.