Sardegna FESR 2014/2020 - ASSE PRIORITARIO I
“RICERCA SCIENTIFICA, SVILUPPO TECNOLOGICO E INNOVAZIONE”
Azione 1.1.4 Sostegno alle attività collaborative di R&S per lo sviluppo di nuove tecnologie sostenibili, di nuovi prodotti e servizi
Progetto COMISAR “COltivazione di ceppi MIcroalgali SARdi per applicazioni innovative nei settori agro- alimentare, nutraceutico, cosmetico e ambientale”
Relazione a cura di: Alessandro Concas
Organismo di Ricerca: Centro di Ingegneria e Scienze Ambientali (CINSA) e Centro di Ricerca Sviluppo e Studi Superiori in Sardegna (CRS4)
Progetto Cluster Top Down: COltivazione di ceppi MIcroalgali SARdi per applicazioni innovative nei settori agro-alimentare, nutraceutico, cosmetico e
ambientale (COMISAR)
Rapporto tecnico sul WP-7
Realizzazione e messa in opera di
un piccolo impianto pilota.
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WP-7. Realizzazione e messa in opera di un piccolo impianto pilotaa
Per verificare sperimentalmente il potenziale di scalabilità della tecnologia che prevede l’utilizzo del ceppo algale sardo per la produzione di lipidi investigata su scala di laboratorio, è stato realizzato un piccolo impianto pilota su cui sono state effettuate delle prove di crescita di Coccomyxa Melkonianii adottando le condizioni operative dedotte nell’ambito dei precedenti WPs. A tal fine il WP-7 è stato articolato come mostrato nella Figura 1.
Figura 1. Schema a blocchi dell’articolazione dell’obiettivo realizzativo WP-7
La scelta della tipologia di reattore da utilizzare è avvenuta sulla base delle considerazioni riportate nel rapporto tecnico del WP4. Il reattore quindi è stato progettato, realizzato e collaudato. Di seguito sono state effettuate le prove sperimentali per capire se queste replicassero in modo sufficientemente affidabile i risultati ottenuti su scala più piccola. Sulla base di queste prove sono state dedotte quindi le condizioni operative migliori e individuati i protocolli di coltivazione da adottare su scala industriale. Nella parte finale del documento sono poi analizzate le potenziali redditività del processo sviluppato quando applicate su scala operativa industriale ossia per un impianto di circa 1 ha di superficie. A tal fine è stato utilizzato il tool sviluppato nell’ambito del WP-6. Le informazioni consentono di verificare i costi e i ricavi derivanti dalla produzione e successiva vendita di lipidi algali di C. melkonianii nonché i tempi di ritorno dell’investimento e la competitività del prodotto collocato sul mercato. Infine, è stata brevemente analizzata la sostenibilità ambientale del processo attraverso
Realizzazione e messa in opera di un piccolo impianto pilota
WP.7.1 Dimostrazione della fattibilità del processo su scala diversa da quella di
laboratorio
WP.7.2
Definizione delle linee guida per la progettazione
e realizzazione degli impianti su scala
industriale
WP.7.3
Definizione delle redditività del processo e della sua sostenibilità ambientale su
diverse scale
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una LCA estremamente semplificata, dedotta sempre mediante il tool sviluppato, che però ha consentito di quantificare, consumi, energetici, idrici e produzione di rifiuti (compreso CO2) determinati dal processo.
WP-7.1. Dimostrazione della fattibilità del processo su scala diversa da quella di laboratorio.
L’analisi fattibilità del processo su una scala maggiore rispetto a quella del laboratorio è stata effettuata mediante un fotobioreattore pilota di tipo ‘closed raceways’ già brevemente discusso nel rapporto tecnico relativo al WP-4. Riassumendo brevemente, la scelta che ha portato all’adozione di questa configurazione è stata basata sulle seguenti considerazioni:
• i sistemi di coltivazione sono riconducibili essenzialmente a due tipologie ossia, sistemi aperti (ponds e raceways) e sistemi chiusi (fotobioreattori di diverso tipo);
• i sistemi aperti sono caratterizzati da maggiore semplicità realizzativa e gestionale e quindi da minori costi di investimento e gestione. Per contro presentano tipicamente basse produttività in quanto soggetti a potenziali contaminazioni da organismi competitori e/o predatori;
• i sistemi chiusi (fotobioreattori) sono invece caratterizzati da alte produttività e maggiori potenzialità di controllo nonché una bassa propensione alla contaminazione da batteri.
Tuttavia, questi aspetti determinano alti costi di investimento e gestione che si traducono in una minore redditività del processo.
Sulla base di tali considerazioni è stata realizzata una configurazione ibrida che potesse unire alla semplicità realizzativa e gestionale degli ‘open raceways’ i vantaggi dei sistemi chiusi, ossia minore esposizione alla contaminazione biologica della coltura e maggiore possibilità di controllo delle variabili operative incluse flusso gassoso, pH, concentrazione di nutrienti, etc. La configurazione è pertanto costituita da un raceways realizzato in plexiglas trasparente, per far penetrare la luce da diversi punti, chiuso superiormente mediante una copertura, anch’essa trasparente e rimovibile.
Questo poteva limitare i fenomeni di contaminazione e consentire un maggiore controllo pur avendo una configurazione economicamente più sostenibile. Inoltre, nel caso in cui si adottassero strategie di coltivazione selettiva basate sull’applicazione di pH molto bassi in modo da sfruttare le proprietà estremofile di C. melkonianii, questa configurazione poteva essere convertita in un sistema aperto
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semplicemente rimovendo il coperchio. Il sistema ibrido proposto, che per quanto a nostra conoscenza è caratterizzato da un alto grado di innovatività, è quindi caratterizzato da una estrema flessibilità rispetto alle condizioni operative adottate. In Figura 2 è riportato il rendering del disegno esploso del progetto originale del sistema.
Figura 2. Disegno CAD del ‘closed raceway’ progettato e realizzato nell’ambito del WP7 (a) sistema assemblato (b) esploso delle diverse parti.
Per entrare maggiormente nel dettaglio il sistema era costituito da una vasca in plexiglas di dimensioni pari a 100 x 50 x 45 cm sul cui coperchio erano montati quattro rack su cui erano alloggiate 4 lampade a led bianchi e blu da 11 W di tipo SMD5050, da 20/22 lumen/led ciascuna. La
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CO2 era poi fornita in concentrazioni pari a circa 0.04 %v/v mediante flusso d’aria garantito da una pompa da 400 L/hr regolabile e dotata di flussimetri. Il flusso d’aria era fornito in forma di bolle fini per aumentare il trasferimento di CO2 in fase liquida attraverso un diffusore costituito da una serpentina in materiale poroso alleggiata sul fondo del reattore. Poiché nei primi test di crescita, tale serpentina risultava soggetta a fenomeni di occlusione da parte delle alghe, che per fenomeni di sedimentazione e chemiotassi tendevano ad aderire pori della serpentina, essa è stata in seguito integrata da diffusori porosi circolari con la parte porosa rivolta verso il basso in maniera tale da creare condizioni fluodinamiche che impedissero l’adesione delle alghe. Il reattore era poi dotato di sonde per l’analisi del pH e di altri nutrienti nonché di un sistema di termoregolazione per garantire le temperature ottimali. Una fotografia del sistema assemblato è riportata in Figura 3.
Figura 3. Fotografia del fotobioreattore pilota di tipo ‘closed raceway’ assemblato.
Per l’avvio della prima prova sperimentale sono stati preparati 25 L di terreno di coltura Bold’s Basal Medium (BBM). Il BBM è stato selezionato per le motivazioni addotte nel WP-4 nonché perché terreno privo di nutrienti organici e substrati carboniosi, quindi particolarmente indicato per
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coltivazioni autotrofe. Il terreno di coltura è stato ottenuto miscelando apposite aliquote di soluzioni dei nutrienti base e diluendole in acqua bidistillata MilliQ, fino al raggiungimento della concertazione prevista dal protocollo di preparazione. Successivamente il pH è stato corretto al valore di 6.8 in quanto nelle prove sperimentali si è rivelato il pH che ottimizzava le produttività lipidche ed in biomassa. Infine, il terreno è stato sterilizzato in autoclave a 121°C per garantire condizioni di crescita axeniche. La prova sperimentale è stata condotta ad una intensità luminosa di µmoL/m²s 60-70 fornita dalle lampade sopra descritte con mix di luce bianca e blu. Il fotoperiodo luce/buio di 12/12 ore, e a temperatura costante. A tal proposito, circa 24 ore prima dell’avvio dell’esperimento, il terreno di coltura auto-clavato è stato inserito nella vasca in plexiglass del mini-impianto, ed è stata accesa l’unità di condizionamento caldo/freddo del reattore selezionando e impostando la temperatura desiderata. Questa operazione, suggerita dai tecnici dell’azienda che hanno realizzato lo strumento, ha consentito all’unità di termoregolazione di portare il terreno di coltura alla temperatura operativa costante di 23°C. Tale temperatura è stata scelta in quanto si era dimostrata ottimale per la crescita di questo organismo in precedenti prove condotte nel corso di questo Progetto in reattori della stessa tipologia.
Per l’avvio della prova, è stato preparato un opportuno quantitativo di inoculo del ceppo microalgale C. melkonianii consistente in 5 mL di pellet microalgale concentrato, ottenuto centrifugando per 15 minuti a 4000 rpm 5 L di una coltura precedentemente preparata, avente una densità ottica (OD) di circa 0.7. Prima di procedere all’inoculo, è stato eseguito un controllo morfologico della coltura tramite microscopio ottico, per verificarne lo stato di crescita e la presenza di eventuali contaminazioni da funghi o batteri. La prova di coltivazione è stata avviata nel mese di marzo 2020 e si è conclusa entro la prima metà del mese di aprile 2020, dopo 29 giorni di coltivazione.
Durante la prova, sono stati periodicamente monitorati i seguenti parametri: densità ottica (OD) della coltura tramite misurazioni spettrofotometriche in vivo dell’assorbanza della clorofilla a alla lunghezza d’onda di 663 nm; pH, tramite misurazioni con pH-metro e sonda multi-parametrica collegata alla centralina di controllo del mini impianto; temperatura, tramite misurazioni con pH-metro e sonda multi-parametrica collegata alla centralina di controllo del mini impianto; concentrazioni dei nutrienti inorganici nitrato (NO3-), nitrito (NO2-), azoto totale (TNb) e carbonato (CO2) mediante appositi kit di sonde.
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Ai fini della riproducibilità, le misurazioni dell’OD sono state eseguite in triplicato, mentre quelle dei nutrienti inorganici in duplicato. Nello specifico, durante l’esperimento le concentrazioni di nitrato, nitrito, azoto totale e carbonato sono state misurate mediante le sonde HACH® Lange Cuvette-test LCK 339, LCK 341, LCK 138 e LCK 388 rispettivamente. Per l’analisi di nitrati e nitriti, 1 mL e 2 mL di coltura rispettivamente sono stati prelevati dal reattore e filtrati mediante filtri sterili da siringa con pori da 0.45 μm per ottenere una soluzione priva di torbidità. Successivamente, i campioni sono stati inseriti nelle Cuvette-test contenenti i reagenti predosati seguendo le procedure standardizzate indicate nelle istruzioni d’uso del Kit del prodotto. Quando necessario, i campioni di coltura filtrati sono stati diluiti con acqua bidistillata MilliQ. Per l’analisi di azoto totale e carbonati, si è proceduto a prelevare dal reattore 1.3 mL e 1 mL di coltura rispettivamente. I campioni sono stati inseriti nelle Cuvette-test senza essere filtrati, e sono stati riscaldati in un digestore per 1 ora a 100°C. Al termine del procedimento, si proseguiva l’analisi seguendo le procedure standardizzate indicate nelle istruzioni d’uso del prodotto. Quando necessario, i campioni di coltura non filtrati sono stati diluiti con acqua bidistillata MilliQ. Le concentrazioni dei nutrienti sono state misurate tramite letture delle rispettive assorbanze mediante l’apposito spettrofotometro HACH® Lange DR 1900. Ulteriori campioni di 500 mL di coltura sono stati periodicamente prelevati per la valutazione lipidomica quali/quantitativa dei lipidi e degli acidi grassi prodotti durante la crescita. I campioni di coltura prelevati a tale scopo sono stati quindi centrifugati per 15 minuti a 4000 rpm e conservati in freezer a -25°C per l’estrazione dei lipidi. Poiché la fase sperimentale era stata avviata poco prima del lock- down imposto dal Governo in occasione della pandemia da COVID-19, e a causa dei provvedimenti adottati per il contenimento della diffusione del virus, il monitoraggio della coltura si è potuto attuare soltanto due volte alla settimana, previa autorizzazione da parte delle autorità competenti dell’Università degli Studi di Cagliari. Dal punto di vista visivo l’evoluzione della crescita dell’alga nel reattore è mostrata nelle fotografie scattate a diversi intervalli di tempo riportate in Figura 4. Da queste fotografie si può vedere come al passare del tempo la densità ottica al verde della coltura aumenta progressivamente per effetto della crescita e replicazione algale.
8/32 Figura 4. Report fotografico dell’evoluzione della crescita nel fotobioreattore ‘closed raceway’.
I risultati della prova sperimentale sono riportati in Figura 5 in termini di evoluzione della concentrazione di biomassa nel tempo e di produttività. Come si può notare, al ventiduesimo giorno di esperimento, la coltura ha raggiunto una concentrazione massima di biomassa pari a 1.5 g/L mentre la produttività raggiunge un valore massimo di circa 8 mg/L/giorno attorno al 16-esimo giorno di coltivazione.
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0 5 10 15 20 25 30
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Closed raceway
Concentrazione biomassa, g L-1
Tempo, giorni
(a)
0 5 10 15 20 25 30
0 2 4 6
8 Closed raceway
Produttività biomassa, mg L-1 d-1
Tempo, giorni
(b)
Figura 5. Evoluzione della concentrazione (a) e della produttività (b) di biomass durante la prova con il fotobioreattore pilota ‘closed raceway’
La concentrazione di biomassa ottenuta è abbastanza alta e, come atteso per un sistema ibrido come il nostro intermedia tra quelle tipiche dei sistemi chiusi e quelle dei sistemi aperti (Cfr. Tabella 1).
Tabella 1. Confronto tra concentrazione massima di biomassa ottenuta e quelle dei sistemi classici.
Tipologia di reattore Concentrazione di biomassa
Bibliografia
Sistemi aperti (open ponds, raceways) 0.5-1 Kg/m3 Kumar et al. 2015
Sistemi chiusi (fotobioreattori) 2–9 Kg/m3 Kumar et al. 2015
Closed raceway 1.5 Kg/m3 Questo studio
Come ipotizzato il reattore progettato e realizzato somma i vantaggi derivanti da entrambe le tipologie di fotobioreattori, chiuso e aperto.
Per valutare se i risultati ottenuti con il fotobioreattore pilota replicavano bene i risultati ottenuti su scala di laboratorio in Figura 5 sono riportati i confronti in termini di evoluzione della concentrazione di biomassa.
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Come si può osservare dalla Figura, anche nella analoga prova in laboratorio si ottenevano concentrazioni di biomassa pari a circa 1.5 g/L in condizioni di crescita stazionaria.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
1.6 Closed raceway
Lab batch PBR
Concentrazione biomassa, g L-1
Tempo, giorni
Figura 5. Confronto tra le concentrazioni di biomassa ottenute nel reattore pilota (Closed raceway) e quelli nei fotobioreattori batch da 2L testati in laboratorio nell’ambito del WP4.
Da questo punto di vista, pertanto, i risultati ben replicano quelli di laboratorio. Tuttavia, è interessante notare che con il reattore pilota tale concentrazione stazionaria di 1.5 g/L si raggiunge in quasi la metà del tempo rispetto a quella effettuata in laboratorio indicando che nel ‘closed raceway’ la crescita è molto più veloce. Questo si traduce in una produttività di biomassa del reattore pilota pressoché doppia rispetto a quella ottenuta in laboratorio. Pertanto, con la configurazione adottata non solo sono stati ben replicati i risultati di laboratorio ma sono state ottimizzate le condizioni di crescita a tal punto da ottenere un notevole incremento delle produttività finali. Se si confronta l’andamento del pH rilevato nel pilota con quello rilevato nei reattori di laboratorio (Cfr.
Figura 6) si puo notare come nel primo il pH sia mediamente più basso dopo assestandosi a valori di circa 8.4 contro il pH pari quasi 10 rilevato nell’analogo reattore di laboratorio. Questo indica che la CO2, che ha una tendenza ad acidificare il mezzo, si è trasferita in fase liquida molto meglio nel reattore determinando un miglioramento della crescita delle alghe che la utilizzano per effettuare la fotosintesi. Quindi, a nostro avviso le migliori performances ottenute con il sistema progettato sono ascrivibili ad un migliore sistema di distribuzione del flusso gassoso nella fase liquida.
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0 10 20 30
6.8 7.2 7.6 8.0 8.4 8.8 9.2 9.6
10.0 Closed raceway Lab batch PBR
pH, /
Tempo, giorni
Figura 6. Confronto tra i valori di pH rilevati nel reattore pilota (Closed raceway) e quelli nei fotobioreattori batch da 2L testati in laboratorio nell’ambito del WP4.
In Figura 7 è mostrato il confronto tra l’evoluzione della concentrazione dei nitrati (che costituiscono parametro critico in relazione alle produttività in biomassa e lipidiche) nel reattore pilota e nell’analogo di laboratorio.
0 10 20 30
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20
0.25 Closed raceway
Lab batch PBR
CNO3, g L-1
Tempo, giorni
Figura 7. Confronto tra le concentrazioni di nitrati rilevate nel reattore pilota (Closed raceway) e quelli nei fotobioreattori batch da 2L testati in laboratorio nell’ambito del WP4.
Come si può notare dalla Figura 7 il consumo dei nitrati è molto più veloce nel reattore pilota proprio perché in quel sistema la velocità di crescita delle alghe è molto più veloce. In Figura 8a sono
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mostrate anche le diverse forme d’azoto rilevate dalle sonde di analisi mentre in Figura 8b è riportata anche, su scala logaritmica, l’evoluzione della concentrazione di CO2 disciolta.
Figura 8. Evoluzione delle diverse specie di azoto presenti in soluzione (a) e confronto con le concentrazioni di CO2 disciolta (b).
L’analisi della composizione dei lipidi (in termini dei principali FAMEs) è stata effettuata in quattro diversi istanti del periodo di crescita algale e i risultati sono mostrati nella Figura 9 che segue.
5 10 15 20 25 30 35 40
0 10 20 30 40 50 60
Tempo, (giorni)
Composizione FAMES, (%wt)
C16:0 C18:2 C18:0
Figura 9. Analisi delle principali categorie di FAMEs rilevate nei lipidi estratti da C. melkonianii Come si può notare anche la composizione dei FAMEs, almeno in termini di acidi grassi principali è molto simile a quella rilevata nelle attività condotte nei reattori di laboratorio. Questo conferma le che
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i lipidi estratti da C. Melkonianii possono trovare una valida applicazione nei settori di mercato della nutraceutica e della cosmetica.
WP-7.2. Definizione delle linee guida per la progettazione , realizzazione e conduzione degli impianti su scala industriale.
Dati i risultati finora mostrati le linee guida per la progettazione, realizzazione e conduzione di impianti su scal industriale sono riassumibili nelle seguenti:
• Adottare configurazione di tipo closed raceway, utilizzando proporzioni dimensionali analoghe a quelle considerate nel presente progetto e gli stessi materiali costruttivi (cfr. WP- 7.1)
• Utilizzare il ceppo algale sardo Coccomyxa Melkonianii o equivalenti in termini di contenuto e composizione lipidica.
• Riempire il reattore con liquido fino ad un livello non superiore ai 50 cm per evitare un estinzioni ottica troppo elevata negli strati piu bassi di coltura quando questa è in fasi di crescita avanzate.
• Garantire il miscelamento della coltura mediante il flusso d’aria o in alternativa inserendo una pala rotante come nei open raceways.
• Garantire le variabili operative utilizzate nell’ambito della sperimentazione pilota (Intensità luminosa, mezzo di coltura, flusso d’aria e concentrazione di CO2) (cfr. Tabella 2)
• Utilizzare un modo operativo di tipo fed-batch per garantire una produzione continua adottando valori di ‘dilution rate’ che massimizzano la produzione lipidica (cfr. mappe di ottimizzazione del rapporto tecnico WP-6).
• Nel caso invece di operatività di tipo batch effettuare la raccolta della biomassa dopo almeno 30 giorni.
• In fase id start-up dell’impianto utilizzare inoculi caratterizzati da densità ottiche pari almeno 0.1 o concentrazioni di biomassa non inferiori ai 0.1 g L-1 .
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• Configurare il sistema con opportuni scambiatori di calore che consentano di non far scendere la temperatura sotto i 15°C e non farla salire sopra i 32°C.
• Fare in modo che il flusso luminoso medio (non quello incidente) integrato (cfr. WP-6) nella cultura non sia inferiore a 60 E/m2/s per non rallentare troppo la crescita e non superi il valore di 150 E/m2/s in modo da evitare.
• Nel caso di operatività indoor mediante luce artificiale usare luce bianca o blu o entrambe.
• Qualora si optasse per la configurazione aperta, eliminando il coperchio, assicurarsi che il pH del mezzo sia inferiore a 5 per minimizzare fenomeni di contaminazione biologica.
• Garantire rapporti tra flusso d’aria e volume del mezzo di coltura pari almeno a 8 Laria/Lliquido/hr.
• Utilizzare un mezzo di coltura di composizione simile al BBM con una concentrazione di nitrati pari a circa 0.25 g/L.
• Durante la coltivazione analizzare periodicamente, almeno una volta ogni tre giorni, la coltura in relazione ai parametri: densità ottica alla lunghezza d’onda di 663 nm, peso secco, pH, contenuto di batteri, concentrazione nitrati.
• Qualora il peso secco e quindi la concentrazione algale risultassero molto inferiori rispetto a quelle dedotte in questo studio procedere allo scarico del reattore al re-inserimento di nuovo inoculo con mezzo fresco
• Qualora la concentrazione nitrati si esaurisse troppo presto
• Effettuare la raccolta della biomassa mediante centrifugazione seguita da essicazione a temperature non superiori ai 60°C per evitare la degradazione dei lipidi algali;
• Effettuare la disruption mediante ball milling o mediante H2O2 o mediante reagente di Fenton come mostrato nel rapporto tecnico WP-5 (Cfr. WP-5.1 e WP-5.2)
• Effettuare l’estrazione lipidica mediante CO2 supercritiche utilizzando un approccio simile a quello descritto nel WP-5.3.
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• In alternativa effettuare l’estrazione lipidica mediante solventi utilizzando in sequenza solventi polari (alcoli) e solventi apolari (alcani) come mostrato ai WP-5.1 e WP-5.2.
Le linee guida sono pertanto ovviamente da adattare al particolare contesto meteo-climatico in cui sarà ubicato l’impianto nonché al tipo di valorizzazione che si intenda effettuare della biomassa o dei lipidi algali.
WP-7.3. Definizione delle redditività del processo e della sua sostenibilità ambientale su diverse scale.
Per verificare le potenziali redditività del processo di produzione di biomassa e lipidi col ceppo Coccomyxa melknoniani è stato utilizzato il tool sviluppato in Excel descritto nel WP.6. Sulla base delle informazioni sperimentali modellistiche ottenute nel progetto, ipotizzando di ubicare i raceways all’aperto nella loro versione aperta (senza coperchio) e utilizzando i dati di radiazione luminosa tipici della Sardegna è stata calcolata l’efficienza fotosintetica del ceppo algale sardo. L’impianto si intendeva costituito da dieci raceways di circa 1000 m2 ciascuno per una superficie utile di circa 1 ha e un ingombro di circa 1.2 ha tenendo conto di spazi di manovra tra un raceway e l’altro di circa 200 m2. Ovviamente l’analisi si può effettuare anche per dimensioni di impianto superiori ma in questo caso ci si focalizza su questa dimensione che come vedremo determina costi di investimento non proibitivi anche per piccole medie imprese. Nel calcolo degli apporti pluviometrici e dell’evaporazione nonché delle temperature medie della coltura nei diversi mesi dell’anno si è fatto riferimento alle condizioni meteoclimatiche medie di Cagliari impostando questa località nel menu a tendina del tool Excel descritto al WP6. Successivamente si è impostata la composizione in macrobiomolecole di C.melknonianii ed è stata calcolata la produzione di biomassa mensile.
Per sicurezza sono stati poi ipotizzati opportuni periodi in cui la coltura andava persa per tenere conto sia di potenziali crush della coltura sia di periodo di fermo per questioni logistiche. L’impianto di coltivazione poi si intende comprensivo di sezione di raccolta mediante centrifughe e di successiva essicazione in tamburi rotanti. Per una più dettagliata spiegazione dell’impianto si rimanda al rapporto sul WP6 a al file Excel allegato dove è preimpostato proprio il caso dell’impianto qui discusso. Utilizzando l’approccio e le ipotesi descritte si ottengono le produzioni mostrate nelle Figure 10 e 11.
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32 Figura 10. Schema grafico riassuntivo dell’analisi tecnica dell’impianto di coltivazione e raccolta alghe effettuata mediante il tool.
Dati riferiti a un anno di produzione
57947 GJ Superficie impianto 10000 m2
Superficie totale 12000 m2 Altezza Pelo libero 0.3 m 28219 m3
Elettricità (miscelazione) 111240 kWh 5650 m3
0 m3
algae pond LQ personale; crashes 404 hr
Biomassa persa (crashes) 13504 kg ds # m3 3267852 kWh
Evaporazione 15563 m3 22248 kWh
Flue gas CO2 147538 kg 222480 kWh
Global Dilution rate 2.2142847 1/y
0.0060665 1/day 295077 kg
Acqua riciclo Biomassa Biomassa 15 %dw Elettricità (essicatore)
59786 m3 74514 kg ds 74514 kg dw 253383 kWh
62095 m3 497 m3
4299 hr 207 hr
Acqua rifiuto Biomassa 80 %dw
6643 m3 Elettricità (centrifuga) 74514 kg dw
83657 kWh 93.1 m3
0,2 m/s
10 x
1 x
Spargers
Figura 11. Produzioni ottenute con l’impianto da 1 ha ipotizzato. In basse lo schema di impianto per un solo modulo da 1000 m2.
Input Valore Unità Rese in biomassa Valore Unità
Energia radiante 57947 GJ Biomassa/kWh 0.019 kg/kWh
Acqua integrazione 28219 m3 Biomassa/m3 water 2.641 kg/m3
Pioggia 5650 m3 Biomassa/kg N 15.15 kg/kg
Digestato 0 m3 Biomassa/kWhe 0.108 kg/kWh
Azoto 4918 kg Biomassa/kWhh 0.0228 kg/kWh
Elettricità 693008 kWh
CO2 (flue gas) 295077 kg
Calore 3267852 kWh
Personale (LQ) 4703 hr
Personale (HQ) 207 hr Rese specifiche Valore Unità
Ingombro 1.13 ha Biomassa algale secca 6.6 ton/ha
Carboidrati 2.1 ton/ha
Output Valore Unità Proteine 2.5 ton/ha
Biomassa 74514 kg dw Lipidi 1.7 ton/ha
Acque da integrare 28219 m3 Residuo secco 0.0 ton/ha
CO2 (rest flue gas) 147538 kg Anioni organici e ceneri 0.3 ton/ha 0.0
2000.0 4000.0 6000.0 8000.0 10000.0
Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic
Biomnassa (kg/mese)
Produzione mensile di biomassa algale
0,2 m/s
10 x
1 x
Si prevede quindi la produzione di circa 75ton/anno di biomassa secca corrispondente ad una produzione areale di circa 6.6 ton/ha di impianto totale (inclusi spazi di manovra). I consumi energetici, idrici, le emissioni di CO2 etc. sono sempre riportati nelle Figure in questione e deducibili con maggiore dettaglio dal file Excel allegato.
I costi di investimento per questo impianto sono stati ottenuti con l’approccio descritto nel rapporto relativo al WP6 e riassunti nelle Tabelle 2 e 3 seguenti:
Tabella 2 Costi di investimento stimati per la sezione di coltivazione dell’impianto da 1.2 ha
Costo Valore
Costruzione pond € 126'191
Miscelatore € 56'786
Scambiatori calore € 176'668
Sparging € 170'358
Illuminazione € 0
Controllo processo 1 € 126'191
Infrastruttura 1 € 473'218
Tubazioni, fittings, pompe, etc. € 190'000
Totale coltivazione € 1'319'414
Tabella 3 Costi di investimento stimati per la sezione di raccolta ed essicazione dell’impianto da 1.2 ha
Costo Valore
Centrifuga € 362'390
Controllo processo 2 € 63'096
Infrastruttura 2 € 104'509
Essiccatore € 63'096
Tubazioni, fittings, pompe, etc. € 78'568
Totale raccolta € 671'658
Nell’insieme, pertanto l’impianto di produzione della biomassa algale comprendente sezione di coltivazione e di raccolta/essicazione, nonché prezzi aggiuntivi per il piping, fitting e altri ancillari diventa pari a € 1'991'072. È necessario precisare che, sebbene nelle Tabelle siano apparentemente riportati solo i cosiddetti MEC (main equipment costs) essi risultano sufficientemente attendibili in quanto nei costi unitari dei reattori, delle centrifughe e dell’essiccatore sono già compresi i costi per
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le pompe, il piping, i motori e le apparecchiature etc. Pertanto, a meno di variazioni dovute essenzialmente a costi per la preparazione del terreno e delle infrastrutture edili i costi nelle Tabelle comprendono anche le principali attrezzature ancillari. L’incidenza delle diverse voci di investimento è riportata in Figura 12.
Figura 12. Incidenza delle diverse voci dei costi di investimento.
Come si vede le maggiori incidenze sono dovute all’infrastruttura di coltivazione (raceways) e alla centrifuga. Anche gli scambiatori di calore incidono in maniera importante sui costi di impianto ma è necessario tener conto del fatto che la loro presenza al fine di poter garantire la produttività dell’impianto nei mesi invernali e in quelli più caldi estivi.
Per tenere conto di altre voci di costo è possibile cautelativamente ipotizzare un costo di investimento totale di circa 2 Mln di Euro che potrebbe essere accessibile a piccole medie imprese sarde interessate ad investire nel settore.
Nella Tabella 4 sono riportati invece i costi di gestione annui fissi e variabili computati col tool excel.
Costruzione pond 6%
Miscelatore 3%
Scambiatori calore 9%
Sparging 9%
Illuminazione 0%
Controllo processo 1 6%
Infrastruttura coltivaz 24%
Centrifuga 18%
Infrastruttura 2 5%
Essicatore 3%
Tubazioni, fittings 14%
3/32 Tabella 4. Costi fissi e variabili di gestione unitari annui per l’impianto di produzione della biomassa.
Costo €/kg/anno
Fertilizzanti (N) 0.07
Fertilizzanti (P) 0.01
Acqua 0.33
Elettricità 1.00
Personale LQ 0.73
Personale HQ 0.07
Acque di rifiuto 0.02
Ammortamento / manutenzione /Assicuraizoni /interessi 3.84
Terra 0.02
Totale 6
Si ottengono quindi costi totali di gestione annui pari a circa 6 Euro all’anno per chilogrammo di biomassa prodotto con un incidenza rilevante dei costi d’ammortamento (o prestiti), dell’elettricità e ovviamente del personale (cfr. Figura 13).
Figura 13. Incidenza delle diverse voci sui costi di gestione annui
Supponendo di voler commercializzare la biomassa secca e ipotizzando di volere un tempo di ritorno dell’investimento (pay back) pari a 5 anni, sulla base dei costi sopra riportati, risulta necessario
Fertilizzanti (N) 0,01
Acqua 6%
Elettricità 16%
Personale LQ 12%
Personale HQ 1%
Acque di rifiuto 1%
Ammortam/ma nutenz/Assic/in
ter 63%
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vendere la biomassa ad un prezzo unitario di circa 9 Euro/kg. Il tool excel consente poi il confronto di tale prezzo con quelli tipici di altre alghe. Come deducibile col file excel esso è abbastanza bene comparabile con quelli a cui vengono tipicamente venduti Chlorella e Spirulina in bulk e pertanto il prodotto è caratterizzato da una competitività sufficientemente elevata. I livelli di redditività globali che si otterrebbero con tale impianto sono infine riportati in Tabella 5.
Tabella 5. Redditività annua dell’impianto di produzione e vendita di biomassa secca di C. melkonianii.
Dati Economici Valore
Ricavi totali annui € 645'507
Costi totali annui € 453'100
Guadagni totali annui € 192'407
Ricavo / 100€ costi 142
Prezzo unitario di vendita (€/kg) € 8.66
Costo unitario di produzione € 6.08
Investimento totale € 1'991'072
Ritorno sugli investimenti (ROI) 20%
Tempo di ritorno (anni) 5.0
Come ampiamente discusso negli altri rapporti l’obiettivo finale era però quello di commercializzare lipidi estratti dall’alga sarda. A tal fine è stato ipotizzato di affiancare all’impianto finora discusso anche l’impianto di estrazione dei lipidi mostrato in Figura 14. Esso consiste di una sezione di ‘cell disrutpion’ costituita da uno o più mulini a sfere, una sezione di estrazione mediante CO2 supercritica e infine una sezione di purificazione dei lipidi estratti. Anche in questo caso è possibile effettuare un semplice dimensionamento utilizzando come dato di input la biomassa secca prodotta nella sezione di essicazione e quindi calcolare le prestazioni dell’impianto nonché i flussi di materia ed energia coinvolti nello stesso. Sulla base di tutte queste informazioni, mostrate in maniera sintetica direttamente in figura 14, è stato poi possibile calcolare i costi di investimento e di gestione in maniera analoga a quanto fatto per l’impianto precedente. Per un maggiore dettaglio sulle procedure di calcolo adottate si rimanda comunque al foglio Excel dal nome ‘Oil_extraction_plant.xlsm’ allegato alla presente. Come si vede l’impianto è in grado di produrre ca 5000 L/anno di lipidi algali ma anche un flusso residuo di estrazione di biomassa ricca in proteine e quindi valorizzabile nei settori dell’acquacoltura e della zootecnia pari a 12000 kg/anno.
Figura 14. Schema grafico riassuntivo dell’analisi tecnica dell’impianto di estrazione e purificazione dei lipidi algali.
In rosso i flussi valorizzabili. Si tenga conto che anche la biomassa residua, in quanto ricca di proteine, è valorizzabile nel settore della mangimistica per zootecnia o per acqua coltura.
I costi di investimento per un impianto di questo tipo in grado di trattare circa 75 ton/anno di biomassa algale secca in uscita dall’essiccatore sono riportati in breve nella Tabella 6.
Tabella 6. Costi di investimento stimati per la sezione di estrazione dell’olio
Costo Valore
Mulino a sfere € 33'369
Estrattore CO2 supercritica € 400'429
Raffinazione olio € 48'159
Sistema di controllo € 48'196
Infrastruttura € 100'107
Totale estrazione olio € 630'259
Si ipotizza che il terreno sia già a disposizione degli investitori. Anche in questo caso i costi si intendono comprensivi di piping di connessione e pompe e tuttavia sono suscettibili di incremento dovute ad apparecchiature ancillari ed altri aspetti la cui analisi andava oltre lo scopo del presente rapporto. Per quanto concerne l’incidenza delle diverse voci si rimanda alla Figura 15.
Figura 15. Incidenza delle diverse voci dei costi di investimento nell’impianto di produzione lipidi Mulino a sfere
5%
Estrattore CO2 supercritica Raffinazione olio 63%
8%
Sistema di controllo 8%
Infrastruttura 16%
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Vista la semplicità realizzativa del mulino a sfere e del reattore di raffinazione dell’olio, è evidente che la voce che incide maggiormente sui costi di investimento è quella dovuta al sistema di estrazione supercritica dell’olio (ca 63%).
Sommando tali costi a quelli per la sezione di coltivazione si otterrebbe un costo di investimento per l’impianto globale comprendente sezione di produzione biomassa e sezione di produzione lipidi, pari a € 2'662'730. Tenendo conto del fatto che la presente è una analisi di massima in cui non vengono computati nel dettaglio tutte le possibili voci di costo si può ipotizzare che tale valore possa in realtà variare ma con buona probabilità sia sempre compreso nell’intervallo 2.5 – 3 M€.
Nella Tabella 7 sono poi riportati i costi di gestione fissi e variabili annui. Per tener conto del fatto che tale impianto sarà accoppiato a quello di coltivazione e quindi fare i conti sulla redditività dell’intero processo (coltivazione + estrazione) nel computo dei costi di gestione è considerato anche quello per la produzione della biomassa algale.
Tabella 7 Calcolo dei costi di gestione annui dell’impianto totale (coltivazione + estrazione)
Costo Valore
Biomassa algale € 645'507
Acqua di processo € 15
Elettricità € 76'793
Reagenti € 12
CO2 € 49'299
Smaltimento acque € 0
Personale non qualificato € 161'424
Personale qualificato € 3'072
Ammortamento / Manutenzione / Assicurazione / Interessi € 70'154
Vendita residuo estrazione -€ 19'886
Totale variabili € 986'391
Si può osservare che i maggiori costi, oltre quelli relativi alla produzione della biomassa algale, sono imputabili al personale, all’elettricità e la CO2 di integrazione (cf. Figura 16). Si noti poi che i costi sono già decurtati dei guadagni dalla vendita della biomassa residua a circa 0.35 €/kg.
3/32 Figura 16. Incidenze delle diverse voci dei costi di gestione dell’impianto generale (coltivazione + estrazione)
Come accennato, per valutare ora le potenziali redditività si ipotizza di vendere sia l’olio sia la biomassa residua del processo di estrazione (cfr. Figura 14) che, in quanto ricco di proteine, può trovare opportuna collocazione nel mercato della mangimistica per zootecnia o acquacoltura ad un prezzo indicativo medio di circa 0.35 €/kg.
Impostato poi un tempo di ritorno dell’investimento desiderato (e realistico) pari a 5 anni, si ottiene un prezzo di vendita dell’olio che garantisce quel payback pari a 57.5 €/L (cfr. Figura 17).
I risultati economici riferiti all’insieme dei due impianti (coltivazione + estrazione )sono poi dettagliati nella Tabella 8 della pagina successiva e mostrano un ROI (Return of Investment) dell’impianto di produzione lipidi pari a circa il 20%.
Produzione Biomassa algale
64%
Elettricità 8%
Personale non qualificato
16%
Personale qualificato
0%
Ammort/Ma nutenz/assi c/interes
7%
Figura 17. Sintesi grafica dell’analisi di redditività dell’impianto di estrazione sviluppato
Costi di investimento sezione estrazione olio Costi variabili unitari annuali (per Litro d'olio)
Costo Valore Costo Valore (€/L)
Mulino a sfere € 33'369 Biomassa algale 35.0
Estrattore CO2 supercritica € 400'429 Acqua di processo 0.0
Raffinazione olio € 48'159 Elettricità 4.2
Sistema di controllo € 48'196 Reagenti 0.0
Infrastruttura € 100'107 CO2 2.7
Totale estrazione olio € 630'259 Smaltimento acque 0.0
Personale non qualificato 8.8
Personale qualificato 0.2
Costi fissi e variabili di gestione (per anno) Ammort/Manutenz/assic/interes 3.8
Costo Valore Vendita biomassa residua -1.1
Biomassa algale € 645'507 Totale unitari 53.5
Acqua di processo € 15
Elettricità € 76'793 Risultati Economici
Reagenti € 12 Dati Economici Valore
CO2 € 49'299 Ricavi totali € 1'058'019
Smaltimento acque € 0 Costi totali (gia decurtati vendita residuo) € 986'391
Personale non qualificato € 161'424 Guadagni totali € 71'628
Personale qualificato € 3'072 Ricavo / 100€ costi 107
Ammort/Manutenz/assic/interes € 70'154 Prezzo unitario di vendita (€/L) € 57.37
Vendita resido estrazione -€ 19'886 Costo unitario di produzione € 53.49
Totale variabili € 986'391 Investimento totale € 630'259
Ritorno sugli investimenti (ROI) 20%
Tempo di ritorno (anni) 5.0
Prezzo biomassa residua (€/kg) 0.35
Inserire Tempo di ritorno desiderato (anni) 5.00
€ 57.37
Confronto con valori di mercato
Mulino a sfere 5%
Estrattore CO2 supercritica Raffinazione 63%
olio…
Sistema di controllo
8%
Infrastruttura 16%
Incidenze sui costi di investimento
Biomassa algale 64%
Elettricità 8%
Personale non qualificato…
Personale qualificato
0%
Ammort/
Manutenz /assic/inte
res 7%
Incidenze sui costi di unitari
Calcolo prezzo di vendita olio
Tabella 8. Risultati economici dell’impianto completo (coltivazione + estrazione)
Dati Economici Valore
Ricavi totali € 1'058'019
Costi totali (gia decurtati vendita residuo) € 986'391
Guadagni totali € 71'628
Ricavo / 100€ costi 107
Prezzo unitario di vendita (€/L) € 57.37
Costo unitario di produzione € 53.49
Investimento totale € 2'662'730
Ritorno sugli investimenti (ROI) 20%
Tempo di ritorno (anni) 5.0
L’aspetto che è importante considerare è che il prezzo di vendita computato è abbastanza vicino a quello medio a cui vendono venduti (in bulk) oli algali estratti da altri ceppi. Tale confronto effettuato col tool sviluppato è riportato in breve nella Figura 18. Per una analisi più dettagliata si rimanda al file Excel sviluppato.
Figura 18. Alcuni prezzi proposti per olio algale in bulk sul sito alibaba (molti altri sono deducibili dal folgio excel allegato).
Pertanto, l’olio (lipidi) prodotto mediante il ceppo sardo Coccomyxa Melkponianii potrebbe essere caratterizzato da una buona competitività economica sul mercato. È tuttavia necessario rimarcare
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che la presente è una analisi di massima e che per avere informazioni più dettagliate potrebbero ottenersi solo con un progetto esecutivo accoppiato ad un computo metrico ed un business plan estremamente approfondito. Tali attività vanno però oltre lo scopo del presente lavoro. Tuttavia, i risultati finora mostrati dimostrano che il ceppo è meritorio di ulteriori e più approfondite analisi in questo senso.
In accordo a quanto previsto in sede di progetto è stata infine condotta una breve analisi sulla sostenibilità ambientale del processo ideato. Tale analisi si è concretizzata in una LCA (life cycle analysis) molto semplificata effettuata sulla base degli output del tool Excel sviluppato che ha consentito di quantificare i consumi energetici, le produzioni di rifiuti e CO2 nonché l’impronta idrica del processo. Per quanto concerne la sezione di coltivazione, i consumi energetici sono riportati nella Tabella 9.
Tabella 9. Consumi energetici annui nella sezione di coltivazione
Tipo energia Unità dell'impianto Consumi
(kWh)
Elettrica Raceway (sparging) 222480
Calore Raceway (riscaldamento) 3267852
Elettrica Raceway (riscaldamento) 22248
Elettrica Centrifuga 83657
Elettrica Miscelatore (Eventuale) 111240
Calore Essicatore 253383
Totale Impianto coltivazione 3960859
Come si vede la maggior-parte dei consumi è imputabile al calore necessario per riscaldare la coltura nei mesi invernali e durante la notte anche in alcuni mesi autunnali. Tale contributo è pero fondamentale se si desidera tenere in marcia l’impianto tutto l’anno senza interrompere la produzione. In totale i consumi energetici assommano a circa 3960 MWh e quindi sono del tutto in linea con i valori medi per gli impianti di produzione alghe.
Nella Tabella 10 sono riportati invece i consumi idrici della sezione di coltivazione.
3/32 Tabella 10. Consumi idrici prodotte nella sezione di coltivazione.
Voce Consumi
(m3)
Integrazione acqua evaporata 15563
Integrazioni acqua biomassa 422
Integrazioni acque esauste 6643
Integrazioni perdite durante crash 5590
Totale consumo idrico 28219
Come si può notare i consumi idrici non costituisco una criticità essendo abbastanza limitati. I flussi di rifiuto prodotti sono riportati invece nella Tabella 11 che segue.
Tabella 11. Rifiuti prodotti nella sezione di coltivazione.
Voce Quantità
(ton)
CO2 scaricata -147538
Acque di rifiuto 6643
Biomassa persa durante crash 14
Come si può notare la quantità di acque di rifiuto è abbastanza bassa così come la quantità di rifiuti solidi imputabili alla biomassa secca prodotta in occasione dei ‘crush’ dei reattori. Quest’ultimo flusso essendo costituito da sostanza organica non pericolosa e caratterizzata da un buon potere fertilizzante può peraltro essere smaltita anche su terreni agricoli come ammendante. L’aspetto interessante di questa tecnologia è però quello evidenziato in rosso nella Tabella, ossia il fatto che questa determina una riduzione netta delle quantità di CO2 emesse in atmosfera perché le alghe usano la CO2 atmosferica per effettuare la fotosintesi e replicarsi. Pertanto, la sezione di coltivazione alghe, dal punto di vista dei potenziali contributi alle emissioni di gas serra, è sicuramente sostenibile in quanto piuttosto che determinare emissioni nette determina la cattura di importanti quantitativi di CO2 presenti in atmosfera.
La stessa analisi è stata effettuata per la sezione di estrazione dei lipidi/oli. Nelle Tabelle 12, 13 e 14 sono riportati i consumi energetici, idrici e le produzioni di rifiuto per questa sezione.
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Tabella 12. Consumi energetici annui nella sezione di estrazione lipidi
Tipo energia Unità dell'impianto Consumi
(kWh)
Elettrica Mulino a sfere 139342
Elettrica Estrattore 74514
Elettrica Reattore/miscelatore 547
Totale Impianto estrazione 214403
Tabella 13. Consumi idrici annui nella sezione di estrazione lipidi
Voce Consumi
(m3)
Integrazione perdite a corpo 1
Totale 1
Tabella 14. Rifiuti prodotti nella sezione di estrazione/lipidi
Voce Quantità
(ton)
CO2 scaricata 0
Acque di rifiuto 1
Come si vede la sezione di estrazione determina impatti ambientali estremamente limitati. L’unica voce significativa è infatti ascrivibile ai consumi energetici relativamente alti a causa della necessità portare la CO2 in condizioni supercritiche, ossia a temperature e pressioni molto elevate. E’
interessante notare dalla Tabella 14 che anche in questo caso poi si può avere uno scarico netto di CO2 in atmosfera molto prossimo allo zero. Questo è dovuto al fatto che tutte le perdite di CO2 ceh finiscono in atmosfera sono compensate dall’integrazione di CO2, utile all’impianto supercritico, che pertanto si può considerare sottratta all’atmosfera.
Il processo proposto è quindi caratterizzato da una elevata sostenibilità ambientale e in qualche misura anche da elevati benefici determinati da un contributo positivo alla riduzione delle problematiche legate ai cambiamenti climatici. La questione ambientale quindi in relazione a questa tecnologia non costituisce a nostro avviso elemento di criticità.
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Conclusioni
L’impianto pilota progettato, realizzato e sperimentato nell’ambito di questo WP ha consentito di verificare la potenziale scalabilità dei risultati ottenuti in laboratorio. In alcuni casi oltre ad una conferma dei dati sperimentali ottenuti in laboratorio si è avuta un loro miglioramento. L’analisi di simulazione sulla fattibilità tecno-economica del processo basato sull’alga sarda e su reattori concettualmente analoghi a quello pilota ma opportunamente scalati per un impianto di 1.2 ha totali, ha dimostrato che si potrebbero ottenere redditività potenzialmente elevate. Il prodotto potrebbe poi essere collocato sul mercato ad un prezzo abbastanza competitivo. Sebbene tali deduzioni vadano ulteriormente corroborate con strumenti di maggior dettaglio (progetto esecutivo + computo metrico + business plan) esse consentono di affermare che la tecnologia proposta basata sull’uso del ceppo sardo è meritoria di ulteriori approfondimenti volte a verificarne le potenzialità commerciali. Infine, l’analisi ambientale ha dimostrato che non esistono particolari elementi di criticità associati alla tecnologia ma piuttosto importanti benefici legati alla riduzione delle emissioni di CO2 in atmosfera.
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S. Soru, V. Malavasi, A. Concas, P. Caboni, and G. Cao, “Effect of nitrogen starvation and pH variation on the cultivation of the extremophile microalga Coccomyxa melkonianii SCCA 048.,”
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S. Soru, V. Malavasi, P. Caboni, A. Concas, and G. Cao, “Behavior of the extremophile green alga Coccomyxa melkonianii SCCA 048 in terms of lipids production and morphology at different pH values,” Extremophiles, vol. 23, no. 1, pp. 79–89, 2019b.
Il sottoscritto ______________________________________ in qualità di Responsabile scientifico del progetto Cluster Top Down
Timbro e Firma_________________________________ Data __________________________
