Le informazioni sulla composizione della biomassa algale permettono di individuare delle specie di riferimento in grado di caratterizzare in modo corretto la maggior parte delle alghe usate per scopi energetici.
Per l’identificazione di una specie lipidica di riferimento si analizza la composizione dei vari acidi grassi presenti riportata in Tabella 33.
Tabella 33 Composizione elementare dei principali acidi grassi presenti nelle alghe
Si riporta in Figura 24 la distribuzione in termini di carbonio ed idrogeno. Si può notare che i valori sono molto simili. Inoltre sono state effettuate delle simulazioni variando il lipide di riferimento ed i risultati ottenuti, molto simili tra loro confermano che la scelta del lipide non influenza i risultati del modello. Dunque si è scelta come specie di riferimento l’acido linoleico, C18:2.
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Per l’identificazione della specie proteica di riferimento, come precedentemente detto si analizzano gli amminoacidi. In Figura 25 sono riportati i gruppi amminoacidici più frequenti. Si può notare che il gruppo basico è, in termini di composizione, tra il gruppo degli aromatici e quello degli alifatici.
Figura 25 Composizione e distribuzione degli ammino acidi più frequenti nelle alghe
Al fine di ampliare il più possibile il range di caratterizzazione delle proteine presenti è stato deciso di determinare tre componenti di riferimento che ricoprissero il più possibile la distribuzione amminoacidica.
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Per semplicità le tre specie di riferimento sono state assunte con una composizione di azoto fissa al 13% come mostrato in Tabella 34 mentre il resto è distribuito tra carbonio C, ossigeno O ed idrogeno H. Ciascuna delle tre specie di riferimento denominate PROT-C, PROT-H e PROT-O è ricca rispettivamente in carbonio, idrogeno e ossigeno.
Tabella 34 Composizione delle tre proteine di riferimento
Tabella 35 Composizione elementare di monosaccaridi e polisaccaridi
Per la scelta dello zucchero di riferimento, ancora una volta guardiamo i tenori di carbonio (C) ed idrogeno (H) dei principali zuccheri, riportati in Tabella 35 e Figura 27. Si può subito notare che essi hanno una composizione variabile dal 4.5 al 7.5% di H e dal 40 al 45% di C o in altri casi addirittura identica.
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Figura 27 Composizione dei principali zuccheri delle alghe
Per la caratterizzazione della biomassa algale con una prima buona approssimazione possiamo scegliere lo zucchero che è sia uno dei più presenti, sia quello con una composizione abbastanza intermedia tra le varie specie, cioè il glucosio C6H12O6.
Tuttavia, come è già stato detto, le alghe brune sono caratterizzate da grandi quantità di mannitolo e acido alginico, dunque è opportuno fare ulteriori considerazioni sulla scelta dello zucchero di riferimento. Per tenere conto della presenza di questi altri zuccheri più ramificati e più ricchi in ossigeno si considera una molecola composta dalla somma dei tre zuccheri presenti in frazioni differenti tra loro. Un altro aspetto da considerare quando si effettuano i calcoli per l’identificazione dello zucchero di riferimento, è la rimozione di una molecola d’acqua H2O nel passaggio da monomero
a polimero, dunque per il glucosio va considerata una forma deidratata C6H10O5.
Purtroppo non è possibile identificare con precisione le singole quantità di monosaccaridi e polisaccaridi presenti nella biomassa algale, quindi ci limitiamo ad effettuare delle approssimazioni che però permettano di tenere in considerazione tutte le specie algali. Si assume dunque per lo zucchero una molecola con formula C7H10O7.
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Figura 28 Composizione degli zuccheri di riferimento
Definite dunque le specie di riferimento si procede con la creazione di un modello descrittivo della composizione biochimica della biomassa algale. Per comodità l’acido linoleico e il derivante dal glucosio verranno rinominate rispettivamente lipidi e zuccheri.
La procedura utilizzata impiega semplici operazioni di bilanci materiali e passaggi sequenziali.
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Figura 29 Procedura per la caratterizzazione
In primo luogo è necessario conoscere la composizione elementare cioè la percentuale massiva di C, H, O, e N, della specie algale che si vuole caratterizzare nella condizione DAF, ossia secca e priva di ceneri. Un altro dato che bisogna conoscere è il contenuto di ceneri nell’alga.
Il secondo passaggio prevede la sottrazione degli inorganici. Dalle informazioni presenti in letteratura è stato possibile stabilire che circa un terzo delle ceneri è costituito da carbonati e dunque quando si riscalda il materiale, viene rilasciata una non trascurabile quantità di CO2. Inoltre come già detto in precedenza bisogna
considerare che non tutto l’azoto presente nelle alghe è riconducibile alle proteine. Per considerare l’azoto non proteico dunque si fa riferimento ad un 10% di materiale inorganico costituito principalmente da sali nitriti e nitrati. Nel modello verrà considerata una quantità di NO rilasciata riscaldando i sali.
La terza operazione prevede la sottrazione delle proteine presenti. Come è già stato detto la caratterizzazione delle proteine nelle alghe risulta molto complessa e problematica e dunque non c’è una specie di riferimento nota a priori. Per trovare la proteina ci si basa sul presupposto che una volta sottratti gli inorganici e le proteine la massa algale residua è costituita solamente da lipidi e carboidrati.
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Il metodo utilizzato permette di identificare la composizione elementare della proteina priva di azoto, in modo tale che la composizione senza di essa ricada esattamente sulla retta congiungente lo zucchero e il lipide di riferimento. Ci sono varie possibilità per fare questa trasformazione e riportare quindi la composizione della specie algale finale sulla linea congiungente le due specie di riferimento. Qui lo spostamento viene fatto muovendoci sulla perpendicolare alla retta d’interesse. In tal modo, per differenza, viene caratterizzata la composizione H/C/O della proteina.
Figura 30 Caratterizzazione della biomassa algale e della proteina
Una volta individuata la composizione della proteina, essa viene caratterizzata in termini di PROT-H, PROT-O e PROT-C, si risolvono i bilanci massivi esplicitati nel seguente sistema di equazioni lineari.
α ∙ ωCPROT−C+ β ∙ ωCPROT−H+ γ ∙ ωCPROT−O= ωCProteine α ∙ ωHPROT−C+ β ∙ ωHPROT−H+ γ ∙ ωHPROT−O= ωHProteine α ∙ ωOPROT−C+ β ∙ ωOPROT−H+ γ ∙ ωOPROT−O= ωOProteine
Sapendo che la frazione massiva dell’azoto nella proteina è fissata al 13% si può ricavare la composizione massiva finale della proteina.
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
%
H
% C
Caratterizzazione delle alghe e della proteina
PROTEINAalga senza inorganici
alga senza
LIPIDI
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Per ricavare invece la percentuale totale di proteine presenti si somma la percentuale di PROT-H, PROT-O e PROT-C ricavata durante la caratterizzazione.
Il contenuto di inorganici è dato dalla somma dalle percentuali di CO2 e NO calcolate
per i singoli campioni.
La percentuale di lipidi è ottenuta, ripartendo la composizione restante tra quella dello zucchero di riferimento e quella del lipide di riferimento, mentre quella degli zuccheri è ottenuta per sottrazione della percentuale di lipidi, poiché come abbiamo già detto ci baseremo sull’assunzione che la biomassa algale, tolti inorganici e proteine è descrivibile in termini di lipidi e zuccheri.
8.1. Risultati e convalida del modello
Preliminari simulazioni hanno permesso di individuare i parametri che incidono maggiormente sul modello e facendo dei confronti tra i risultati ottenuti è stato possibile individuare i valori di tali parametri che ottimizzano il modello. In particolare si è voluto verificare l’impatto dello zucchero e del lipide scelti come riferimento. Analizzando i risultati si può notare che la scelta del lipide di riferimento non ha grande influenza sul modello. Più rilevante è invece lo zucchero che se modificato nella composizione porta ad alterazione dei risultati. Sono state fatte numerose prove con diversi tipi e percentuali di zuccheri, in Figura 31 è riportato l’esempio con la specie C6H10O6 e la specie C7H10O7. Si può osservare che con il
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Figura 31 Simulazioni per confrontare lo zucchero di riferimento
Ulteriori ragionamenti hanno portato ad effettuare un confronto sul tenore d’azoto proteico da fissare nel modello. In Figura 32 sono riportati i risultati considerando per la proteina una frazione massiva di azoto del 15% o del 13%. Come si può notare i risultati migliori si ottengono con il valore del 13%.
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Figura 32 Simulazioni per confrontare la frazione massiva d’azoto nella proteina
Stabiliti i parametri ottimali, la procedura di caratterizzazione è stata effettuata singolarmente per 70 campioni di alghe di cui si conosceva la composizione elementare DAF ed il contenuto di ceneri.
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Tabella 36 Risultati del modello
Come è stato spiegato precedentemente il modello di caratterizzazione è stato creato senza identificare una proteina specifica di riferimento, poiché la proteina stessa è funzionale per il modello. E’ infatti in funzione della sua composizione che si ricava la composizione della biomassa algale in termini di zuccheri e lipidi. L’unico vincolo che la proteina deve rispettare è quello di avere una composizione che sia nell’intorno delle tre proteine fittizie, PROT-H, PROT-O e PROT-C prese come riferimento.
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Figura 33 Risultati ottenuti per le proteine
Possiamo notare dalla Figura 33 che il vincolo è con buona approssimazione rispettato. Sono riportati anche alcune proteine presenti nelle alghe per mostrare come i risultati sulle proteine sono in linea con i dati ottenuti sperimentalmente.
A titolo esemplificativo, è stata selezionata la specie algale Nannochloropsis Gaditana, un’alga giallo-oro, con composizione elementare DAF e contenuto di ceneri riportati in Tabella 37
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Figura 34 Caratterizzazione dell’alga Nannochloropsis Gaditana
In Figura 34 è illustrata parte della procedura di caratterizzazione per l’alga in esame. Come spiegato precedentemente, il modello prevede la risoluzione sequenziale di semplici bilanci massivi, impostati e risolti in un foglio di calcolo excel.
In particolare come riportato in Tabella 38 si ricavano le varie composizioni elementari dell’alga prima senza carbonati e nitriti, poi anche senza proteina.
Tabella 38 Composizione dell’alga senza inorganici e senza proteina
Questa composizione finale permette di identificare la percentuale di zuccheri e lipidi presenti nell’alga. Contestualmente si ottiene anche la composizione elementare della proteina senza azoto e sapendo che l’azoto è stato fissato al 13% è possibile ottenere la composizione effettiva della proteina riportata in Tabella 39.
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Si può così dunque calcolare la frazione massiva delle tre proteine scelte come riferimenti e vedere come la proteina è ripartita in termini di PROT-H, PROT-O e PROT-C come riportato in Tabella 40.
Tabella 40 Ripartizione nelle tre proteine di riferimento
Infine si ricava la percentuale totale di proteine presenti sommando la percentuale di PROT-H, PROT-O e PROT-C anch’esse ricavate con semplici calcoli che tengano in considerazione la quantità di azoto proteico in ogni alga.
Tabella 41 Caratterizzazione della proteina
In Tabella 42 sono riportate le quantità di proteine, carboidrati, lipidi e inorganici che caratterizzano l’alga.
Tabella 42 Predizione composizione biochimica alga Nannochloropsis Gaditana
Tuttavia questi non possono essere considerati i risultati definitivi poiché passando ad una composizione DAF, ossia priva di ceneri, è necessario apportare una correzione al contenuto totale di inorganici Nel modello infatti è stato assunto che circa un terzo delle ceneri sia costituito da carbonati. Bisogna dunque aumentare di tale quantità la frazione inorganica.
In Tabella 43 si riportano i risultati definitivi.
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Per verificare la validità e la precisione del modello sono stati considerati 34 dei precedenti campioni di cui si conosceva oltre alla composizione DAF e alle ceneri anche la composizione biochimica, così da poter effettuare un confronto tra il dato trovato in letteratura, sperimentale, e quello predetto dal modello sviluppato. Come riportato in dettaglio nella Tabella 44 sono stati ottenuti buoni risultati.
Tabella 44 Risultati ottenuti per il confronto modello, dato sperimentale
Nella Figura 35, Figura 36, Figura 37 si riporta un primo confronto tra la composizione sperimentale trovata in letteratura e la composizione predetta dal modello sviluppato, considerando tutte le alghe appartenenti ad un unico generico gruppo.
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Figura 35 Confronto contenuto % di proteine
Figura 36 Confronto contenuto % di carboidrati
Figura 37 Confronto contenuto % di lipidi
Più dettagliatamente come riportato nella Figura 38, Figura 39, Figura 40 sono stati analizzati i risultati considerando la divisione per colore della biomassa algale per
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verificare che non ci fossero grandi differenze tra i vari gruppi o particolarità da tenere in considerazione.
Figura 38 Confronto % di proteine. Alghe considerate per colore
Figura 39Confronto % di carboidrati. Alghe considerate per colore
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Si riporta infine ancora la distribuzione delle proteine trovate nella simulazione di confronto. Si può notare dalla Figura 41 che il vincolo è pienamente rispettato.
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