Produzione di biocarburanti ebiofissazione di CO2 mediante          microalghe               Alessandro Concas CRS4 - Prog...
Indice degli argomenti• Problematiche di contesto• «Baseline» del processo oggetto di indagine• Principi generali della fo...
Le problematiche di contestoDue problematiche principali che si intendeaffrontare con la tecnologia di produzionedei bioca...
L’effetto serra
L’effetto sull’incremento termicoLa re-emissione dell’energia assorbita avviene in seguito al motovibrazionale sempre alla...
Gas serra antropogenici: origine       «L’Ingegneria Tissutale è un campointerdisciplinare della bioingegneria che applica...
CO2 Vs Temperatura atmosferica             400                                                             14,5           ...
Effetti a medio –lungo termineScioglimento           Desertificazione         Eventi estremighiacciai  Instabilità geopoli...
La crisi energeticaDomanda crescente anche a causa    Esaurimento dei giacimenti di combustibile fossile   dei paesi in vi...
Petrolio importato in US(% rispetto consumo in US)
Effetti della crisi energetica» Insieme alla crisi finanziaria determina forte  rallentamento delle principali economie;» ...
Fonti energetiche per settore  Il settore trasporti è quello che fa maggior ricorso al petrolio(96%) è quello che maggiorm...
I settori più colpiti» Il settore su cui maggiormente influisce la crisi  energetica è quello dei trasporti anche perché è...
Fonti rinnovabili per settore
Road map Energia/ambiente EUEntro il 2020 i biocarburanti dovranno rappresentare il 10%       dei combustibili utilizzati ...
Biocarburanti» Prodotti a partire da sorgenti biologiche e primariamente  da piante attraverso processi di fotosintesi.» L...
Biocarburanti
Biocarburanti di 1°Generazione» I biocarburanti di prima generazione sono generati da  materie prime agroalimentari (mais,...
Biocarburanti di 2°Generazione» I biocarburanti di 2° generazione sono generati da  materie prime quali scarti ligneo-cell...
Biocarburanti di 3°e 4°Generazione» Sono organismi fotosintetici unicellulari: microalghe e cianobatteri;» La loro produzi...
Biocarburanti di 3°e 4°Generazione» Elevata produzione di lipidi;» Elevata velocità di crescita;» Crescita su supporto flu...
Biocarburanti di 3°e 4°Generazione» Oltre ad non necessitare di terreni agricole le microalghe  sono caratterizzate da pro...
Biocarburanti: confrontiCaratteristica                          MicroAlghe     Biocarb di 1° e 2°                         ...
Fotobioreattori - 1• I fotobioreattori costituiscono le unità all’interno delle quali grazie  all’energia luminosa, alla C...
Fotobioreattori-2Parametri controllabili nei fotobioreattori• Concentrazione di macro nutrienti (CO2, N, P etc.) ottimale ...
Esempi di fotobioreattori-1    Biocoil (fotobioreattore elicoidale)      Fotobioreattori tubolari a tubi orizzontaliFotobi...
Esempi di fotobioreattori-2
Ipotesi processo industriale            Microalghe                         Jet- fuels                               Bio-pe...
Ipotesi processo industriale                                                                Energia                       ...
Vision del processo industriale
Vantaggi del processo» Il sequestro diretto della CO2 emessa da centrali a  combustibile fossile consisterebbe uno sfrutta...
Vantaggi del processo 2» Il fatto che il processo sia molto promettente è  testimoniato dai grandi investimenti da parte d...
Le criticità del processo» Produttività lipidiche alte ma ancora non sufficienti a  garantire la competitività dei biocarb...
Aspetti scientifici aperti» Modificazione genetica dei ceppi algali al fine di ottenere  una elevata velocità di crescita ...
La cellula algale microscalaCellula algale                                                CLOROPLASTO
I fenomeni che avvengono nel cloroplasto Light                                       NADP+                            Tyla...
Le reazioni nel tilacoideSTROMA(low H+ concentration)                                    Cytochrome                       ...
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Perdita energia nel trasferimento fotonicoNel trasferimento dello stato eccitato attraverso le molecole che costituisconol...
Fotone, lisi H2O, liberazione elettrone                      Primary                      acceptor                        ...
Catena di trasporto elettronico                      Primary                        4                      acceptor       ...
Produzione ATPGli H+ liberati nel tilacoide sono poi utilizzati dall’enzima ATP-sintasi per produrreATP che andrà al ciclo...
Traserimento al fotosistema IL’elettrone arriva al fotosistema I dove nel frattempo un altro fotone hadeterminato la liber...
Produzione NADPHIl fotosistema I è simile al II con centro di reazione costituito da una molecola dichlorofilla P700. Le p...
Le reazioni nel tilacoideSTROMA(low H+ concentration)                                    Cytochrome                       ...
Limiti della fotosintesi naturale• Nel trasferimento dello stato eccitato attraverso le molecole che  costituiscono le ant...
Fotonibizione» Se la radiazione supera certi valori i fotoni che non riescono ad essere  utilizzati dal sistema reattivo p...
Nuove sfide della scienza per migliorare                     la fotosintesi naturale» Maggiore è il numero di molecole di ...
Il ciclo di calvin                                                          CO2                                           ...
Il ciclo di Calvin: biofissazione CO2                                                           CO2La bio-fissazione della...
Dal ciclo di Calvin alla sintesi dei lipidi             Microalgal metabolic pathways that can be leveraged for biofuel pr...
Biosintesi lipidicaSimplified overview of the metabolites and representative pathways in microalgal lipidbiosynthesis show...
Aumento della sintesi lipidica:                            modificazione geneticaGli obiettivi sono quelli di individuare ...
Difficoltà nella modificazione geneticaLe principali difficoltà nella modifica genetica delle alghe rivoltaall’’incremento...
Controllo biosinteticoUn metodo più semplice per incrementare la sintesi lipidica è quello diagire dall’esterno della cell...
Controllo biosinteticoAltri parametri su cui si può agire dall’estreno della cellula                              Salinità...
Controllo biosintetico
Controllo biosintetico: SvantaggiPurtroppo ad un incremento del contenuto lipidico le condizioni di stressinducono spesso ...
Utilità dei modelli matematici• Attualmente nella letteratura scientifica esistono  pochissimi modelli matematici relativi...
Modellazione matematica-1La modellazione matematica e la simulazionecomputazionale hanno lo scopo di:• Comprendere i fenom...
Modellazione matematica-2I modelli matematici e i codici di calcolo sviluppati dalProgramma di Bioingegneria del CRS4 sono...
Modellazione matematica-3• Dal punto di vista matematico i modelli si traducono in  sistemi di equazioni alle derivate par...
Modellazione matematica-4• Dati sperimentali produzione e formattazione• Risultati in input al codice di simulazione• Codi...
Esempi di applicazione IProduzione di lipidi da microalghe coltivate con CO2pura in reattori semicontinuiColtivazioni in s...
Esempi di applicazione I                                   LampsLamps
Principali fenomeni da simulare                Diffusione in fase liquida CO2                    Diffusione luce nel mezzo...
Modello matematicoCalcolo della speciazione in funzione del pH (incognito)                                            2   ...
Modello matematico-2 Soluzione pH mediante condizione di elettroneutralità         N cat                                  ...
Modello matematico-3Bilanci di materia in fase gas per CO2 e O2                     = Q gfeed CCO2 ,g − Q g CCO2 ,g − VR k...
Algoritmo risolutivo                                                t=0          C0tot, N0tot, P0tot, .. etc.,          CO...
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Risultati con sistemi similiBuoni risultati sono stati ottenuti anche con sistemi simili che utilizzanoun’altra alga «Nann...
Utilità dei risultati in termini industrialiLe ricadute sulla possibile ottimizzazione della tecnologia ottenibili conla m...
Utilità dei risultati in termini scientificiLe ricadute sugli aspetti scientifici sono i seguenti• Si arriva ad una compre...
Esempi di applicazione IIProduzione di lipidi da microalghe coltivate con CO2pura in reattori tubolari elicoidali a ricicl...
Sistema simulatoFotobioreattore BIOCOIL                  z=0                              z=L
Fenomeni simulati• Effetto della variazione del flusso luminoso incidente• Effetto delle dimensioni della cellula algale (...
Modello matematico-1Bilancio di materia dei principali nutrienti                                                          ...
Modello matematico-2Bilancio di popolazione delle cellule                                                                ...
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Seminario Alessandro Concas, 29-03-2012
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La biofissazione di CO2 a opera di microalghe è una delle tecnologie per l'abbattimento dei gas serra. Durante il seminario sono illustrate alcune tipologie di bioreattori, loro potenzialità di sviluppo industriale e fattibilità economica.

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Seminario Alessandro Concas, 29-03-2012

  1. 1. Produzione di biocarburanti ebiofissazione di CO2 mediante microalghe Alessandro Concas CRS4 - Programma Bioingegneria - Settore Biomedicina aconcas@crs4.it
  2. 2. Indice degli argomenti• Problematiche di contesto• «Baseline» del processo oggetto di indagine• Principi generali della fotosintesi algale• Analisi di massima del metabolismo lipidico• Attività di ricerca per l’ingegnerizzazione delle alghe• Controllo biosintetico• Modellazione matematica e simulazione• Risultati ottenuti: alcuni esempi
  3. 3. Le problematiche di contestoDue problematiche principali che si intendeaffrontare con la tecnologia di produzionedei biocarburanti eTissutale è un campo CO2 «L’Ingegneria di fissazione dellamediante micro-organismi fotosintetici : interdisciplinare della bioingegneria che applica diversi principi dell’ingegneria e delle scienze biologiche allo scopo di ripristinare, mantenere o• Effetto Serra funzioni di tessuti o organi» migliorare e cambiamenti climatici• Crisi energetica e individuazione fonti energetiche rinnovabili
  4. 4. L’effetto serra
  5. 5. L’effetto sull’incremento termicoLa re-emissione dell’energia assorbita avviene in seguito al motovibrazionale sempre alla lunghezza d’onda infrarossa accumuloenergia termica incremento temperatura atmosfera
  6. 6. Gas serra antropogenici: origine «L’Ingegneria Tissutale è un campointerdisciplinare della bioingegneria che applica diversi principi dell’ingegneria e delle scienzebiologiche allo scopo di ripristinare, mantenere o migliorare funzioni di tessuti o organi»
  7. 7. CO2 Vs Temperatura atmosferica 400 14,5 14,4 380 ppm ° C 14,3 «L’Ingegneria Tissutale è un campo 360 14,2interdisciplinare della bioingegneria che applica 340 14,1 CO2, ppm diversi principi dell’ingegneria e delle 14,0 scienze T, °C T, °C 320biologiche allo scopo di ripristinare, mantenere o 13,9 300 migliorare funzioni di tessuti o organi» 13,8 280 13,7 13,6 260 13,5 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 Anno Il principale gas serra è la CO2
  8. 8. Effetti a medio –lungo termineScioglimento Desertificazione Eventi estremighiacciai Instabilità geopolitiche Tissutale è uncompetizione per «L’Ingegneria indotte dalla campo territori fertili e riduzione risorse agricole applica interdisciplinare della bioingegneria che Incrementoprincipi dell’ingegneria e delle scienze diversi dei flussi migratori Incremento patologie associate ad agenti virali e o biologiche allo scopo di ripristinare, mantenere batterici non consueti a determinateolatitudini migliorare funzioni di tessuti organi»
  9. 9. La crisi energeticaDomanda crescente anche a causa Esaurimento dei giacimenti di combustibile fossile dei paesi in via di sviluppo. e in particolare di petrolio ? Oggi la produzione è «anelastica», incapace cioè di seguire la crescita della domanda, e questo spinge i prezzi a oscillare in modo selvaggio.
  10. 10. Petrolio importato in US(% rispetto consumo in US)
  11. 11. Effetti della crisi energetica» Insieme alla crisi finanziaria determina forte rallentamento delle principali economie;» Instabilità geopolitiche (guerre, etc.) dovute alla diversa distribuzione dei giacimenti petroliferi nel mondo;» Forte incremento generalizzato dei prezzi dei beni di consumo;» L’oscillazione del prezzo del petrolio impedisce la pianificazione a lungo termina da parte dei governi mondiali;» Rallentamento dello sviluppo economico.
  12. 12. Fonti energetiche per settore Il settore trasporti è quello che fa maggior ricorso al petrolio(96%) è quello che maggiormente risente della crisi energetica
  13. 13. I settori più colpiti» Il settore su cui maggiormente influisce la crisi energetica è quello dei trasporti anche perché è il settore che meno può far leva sulle energie rinnovabili classiche.» L’idrogeno infatti non è un alternativa valida ai carburanti classici in quanto la sua produzione è a bilancio energetico negativo.» L’utilizzo di mezzi di trasporto alimentati ad elettricità sposterebbe solo il problema e comunque la riconversione di tutto il parco macchine non appare ipotesi realisticamente realizzabile in tempi compatibili con l’urgenza imposta dalla crisi energetica
  14. 14. Fonti rinnovabili per settore
  15. 15. Road map Energia/ambiente EUEntro il 2020 i biocarburanti dovranno rappresentare il 10% dei combustibili utilizzati nel settore trasporti
  16. 16. Biocarburanti» Prodotti a partire da sorgenti biologiche e primariamente da piante attraverso processi di fotosintesi.» La fotosintesi utilizza l’energia del sole per convertire la CO2 , l’acqua e altri nutrienti in carboidrati, lipidi e proteine.» Dai lipidi si possono ottenere i biocarburanti attraverso opportuni processi di raffinazione» I biocarburanti sono una fonte rinnovabile in quanto possono esser prodotti con continuità.» La loro produzione/utilizzo è a bilancio di carbonio teoricamente nullo in quanto tutta la CO2 emessa dalla loro combustione viene utilizzata per la fotosintesi
  17. 17. Biocarburanti
  18. 18. Biocarburanti di 1°Generazione» I biocarburanti di prima generazione sono generati da materie prime agroalimentari (mais, girasole, palma..).» Sono piante da cui è estratto un olio utilizzato per produrre biodiesel attraverso transesterificazione» Innescano problematica di natura «food for fuel»» Richiedono enormi superfici agricole» Presentano produttività basse
  19. 19. Biocarburanti di 2°Generazione» I biocarburanti di 2° generazione sono generati da materie prime quali scarti ligneo-cellulosici, rifiuti, residui agricoli etc ma anche canna da zucchero» La loro produzione avviene attraverso processi diversi: digestione anaerobica; pirolisi; degradazione enzimatica; fermentazione alcolica etc.» Forniscono biocarburanti non utilizzabili tal quali nel settore trasporti» Presentano produttività basse;
  20. 20. Biocarburanti di 3°e 4°Generazione» Sono organismi fotosintetici unicellulari: microalghe e cianobatteri;» La loro produzione può avvenire senza sfruttare terreni agricoli in quanto prevedono l’uso di fotobioreattori ubicabili in zone aride e/o industriali» Sono caratterizzate da produttività lipidiche molto alte;» I biocarburanti di 4° generazione alghe modificate geneticamente
  21. 21. Biocarburanti di 3°e 4°Generazione» Elevata produzione di lipidi;» Elevata velocità di crescita;» Crescita su supporto fluido all’interno di reattori e conseguente controllabilità delle condizioni di crescita;
  22. 22. Biocarburanti di 3°e 4°Generazione» Oltre ad non necessitare di terreni agricole le microalghe sono caratterizzate da produttività in olio molto superiori a quelle delle coltivazioni a terra usate per i biocarburanti di 1° e 2° generazione.
  23. 23. Biocarburanti: confrontiCaratteristica MicroAlghe Biocarb di 1° e 2° generazioneVelocità di crescita Elevata BassaUtilizzo superfici coltivabili NO SICompetitività Food-for-Fuel NO SIProduttività annuale in olio per 250-300 ton 3-5 tonettaroTempi di prima raccolta 60-90 giorni 30-36 mesiProduzione sotto-prodotti utili SI NOContenuti in olio Elevati MediPossibilità di crescita in zone aride Si NoPossibilità di captazione diretta SI NOemissioni
  24. 24. Fotobioreattori - 1• I fotobioreattori costituiscono le unità all’interno delle quali grazie all’energia luminosa, alla CO2 e ad altri micro e macro nutrienti presenti in fase liquida, si riescono a garantire i meccanismi fotosintetici che sono alla base della crescita e duplicazione delle microalghe.• All’interno di queste unità la cellule possono quindi accrescersi e moltiplicarsi per mitosi producendo nuova biomassa ad elevato contenuto lipidico.• Affinché al crescita delle microalghe sia garantita con una velocità sufficiente e, al fine di evitare fenomeni di inibizione del processo foto- sintetico, devono essere garantite delle condizioni operative che possono essere ottimizzate all’interno dei fotobioreattori.• I fotobioreattori sono infatti degli impianti complessi nei quali grazie a opportuni sistemi di controllo è possibile monitorare e modificare i parametri operativi che influenzano il processo
  25. 25. Fotobioreattori-2Parametri controllabili nei fotobioreattori• Concentrazione di macro nutrienti (CO2, N, P etc.) ottimale mediante sistemi di dosaggio;• Ottimizzazione del flusso fotonico (luce) fornito alle cellule;• Garanzia degli opportuni regimi fluodinamici;• Rimozione dell’ossigeno prodotto dalla fotosintesi (quest’ultimo infatti in elevate concentrazioni diventa tossico per le alghe)• Modulazione del pH (le alghe infatti sopportano pH compresi nel range 5-9)• Livelli di temperatura opportuni
  26. 26. Esempi di fotobioreattori-1 Biocoil (fotobioreattore elicoidale) Fotobioreattori tubolari a tubi orizzontaliFotobioreattori con materiali a basso costo Fotobioreattori tubolari a pannelli
  27. 27. Esempi di fotobioreattori-2
  28. 28. Ipotesi processo industriale Microalghe Jet- fuels Bio-petrolio Bio-dieselSole Fotosintesi in Bio-diesel FotobioreattoriCO2 da Trans-emissioni esterificazione
  29. 29. Ipotesi processo industriale Energia elettrica Carbone Vendita quote non emesse al mercato europeo delle emissioni Centrale Assorbimento Termoelettrica CO 2 Luce solare naturale Acque foto-sinteticamente attiva reflue FOTOBIOREATTORI MICROALGHE Mercato dei carburanti per auto-trazione o Biomassa aereo-propulsione Bio- Acqua petrolio Pressatura depurata Biodiesel Pressato Conversione “Cake” in biodiesel Vendita come materia prima per l’industria farmaceutica, alimentare, biomedicale NO Elevato contenuto SIRiutilizzo come combustibile vitamine, antiossidanti,nella stessa anti-tumorali?centrale termoelettrica
  30. 30. Vision del processo industriale
  31. 31. Vantaggi del processo» Il sequestro diretto della CO2 emessa da centrali a combustibile fossile consisterebbe uno sfruttamento sostenibile di queste risorse;» La produzione di biocarburante sarebbe un ulteriore valore aggiunto;» Dai residui di estrazione dell’olio dalle alghe si possono produrre composti ad elevato valore aggiunto (Antiossidanti, antimicrobici etc.) commercializzabili;» Ulteriore effetto collaterale positivo sarebbe la possibilità di depurare acque inquinate.
  32. 32. Vantaggi del processo 2» Il fatto che il processo sia molto promettente è testimoniato dai grandi investimenti da parte di governi e multinazionali del petrolio che vi vedono quindi una valida alternativa. Alcune di queste..La Exxon Mobil ha investito 600 milioni di dollari e ingaggiato Craig Venter, il“creatore” della prima cellula con un DNA artificiale per metter a punto microalghegeneticamente modificate che consentano l’applicazione su scala industriale di unprocesso economicamente competitivo con i carburanti di origine fossile.
  33. 33. Le criticità del processo» Produttività lipidiche alte ma ancora non sufficienti a garantire la competitività dei biocarburanti con i carburanti di origine fossile;» Processo non ottimizzato in termini di configurazioni reattoristiche e parametri operativi;» Costi di produzione ancora alti per garantire economicitàRispetto a tali criticità il mondo scientifico si sta muovendo indiverse direzioni…
  34. 34. Aspetti scientifici aperti» Modificazione genetica dei ceppi algali al fine di ottenere una elevata velocità di crescita (maggiore efficienza fotosintetica) degli organismi accoppiata con una elevata produzione di lipidi ;» Sviluppo di modelli matematici per l’ottimizzazione delle configurazioni reattoristiche e dei parametri operativi (distribuzione flusso fotonico, micro e macro elementi necessari ad indirizzare il metabolismo cellulare verso produzione lipidi; ottimizzazione delle condizioni di trasferimento gas liquido della CO2 etc.)» Individuazione di mezzi di coltura e materiali a basso costo;» Sviluppo nuove tecnologie di estrazione lipidica;
  35. 35. La cellula algale microscalaCellula algale CLOROPLASTO
  36. 36. I fenomeni che avvengono nel cloroplasto Light NADP+ Tylacoid ADP + P i RuBP 3-PhosphoglycerateLightReactions: CalvinPhotosystem II CycleElectron transport chain ATP G3PPhotosystem IElectron transport chain Starch NADPH (storage) Chloroplast O2 Sucrose (export)
  37. 37. Le reazioni nel tilacoideSTROMA(low H+ concentration) Cytochrome Photosystem II Photosystem I complex 4 H+ Light NADP+ Light reductase Fd 3 NADP+ + H+ Pq NADPH e– Pc e– 2 H2OTHYLAKOID SPACE 1 1/ 2 O2(high H+ concentration) +2 H+ 4 H+ To Calvin Cycle Thylakoid membrane ATP synthaseSTROMA ADP(low H+ concentration) + ATP Pi H+
  38. 38. Trasporto stato eccitato al centro di reazione Primary acceptor 2 e– P6801 Light chlorophyll b chlorophyll a Pigment molecules Photosystem II (PS II)I Pigmenti (clorofille, carotenoidi, luteina,licopene) sono molecole che assorbonol’energia a certe lunghezze d’onda e consentono il trasporto dello stato eccitatofino centro di reazione del fotosistema II per risonanza molecolare. Essicostituiscono il cosiddetto complesso “Antenna”
  39. 39. Perdita energia nel trasferimento fotonicoNel trasferimento dello stato eccitato attraverso le molecole che costituisconol’antenna si ha perdita di energia.Le più recenti attività sono volte a individuare le modifiche genetiche checonsentono la riduzione del numero molecole che costituisono l’antenna conconseguente aumento dell’efficienza fotosintetica
  40. 40. Fotone, lisi H2O, liberazione elettrone Primary acceptor 2 H2O e– 2 H+ +1/ O2 3 2 e– e– P680 1 Light Pigment molecules Photosystem II (PS II) ν 2H2O + hν 2H+ + O2 + 2e- Il fotone passando attraverso il complesso antenna raggiunge il centro di reazione dove avviene la fotoprotolisi dell’acqua che libera due elettroni i quali cominciano a essere trasportati attraverso una catena di altri pigmenti.
  41. 41. Catena di trasporto elettronico Primary 4 acceptor Pq 2 H2O e– Cytochrome H+ 2 complex +1/ O2 3 2 Pc e– e– P680 5 1 Light ATP Pigment molecules Photosystem II (PS II) Il chinone riceve gli elettroni e pompa protoni H+ dallo stroma (liquido in qui è immerso il tilacoide) trasfromandosi in idrochinone. Poi migra di nuovo dentro il tilacoide e rilascia protoni H+ ritrasformandosi in chinone mentre trasferisce elettroni al citocromo b6f che a sua volta continua il trasporto elettronico trasferendoli alla plastocianina (PC)
  42. 42. Produzione ATPGli H+ liberati nel tilacoide sono poi utilizzati dall’enzima ATP-sintasi per produrreATP che andrà al ciclo di Calvin
  43. 43. Traserimento al fotosistema IL’elettrone arriva al fotosistema I dove nel frattempo un altro fotone hadeterminato la liberazione di un nuovo elettrone e l’ulteriore eccitazione del primo
  44. 44. Produzione NADPHIl fotosistema I è simile al II con centro di reazione costituito da una molecola dichlorofilla P700. Le proteine periferiche sono invece di tipo Fe-S, flavoproteine eincludono associazioni con la proteina solubile Ferredossina A. Amunts, O. Drory and N. Nelson Nature 447, 58-63 (2007)Le proteine periferiche trasferiscono elettroni al NADP+ che viene convertito aNADPH dall’enzima NADP-reduttase. Gli ioni H+ necessari a tale conversioneprovengono dalla fotofosforilazione dell’ATP. Questa reazione avviene nella faseluminosa
  45. 45. Le reazioni nel tilacoideSTROMA(low H+ concentration) Cytochrome Photosystem II Photosystem I complex 4 H+ Light NADP+ Light reductase Fd 3 NADP+ + H+ Pq NADPH e– Pc e– 2 H2OTHYLAKOID SPACE 1 1/ 2 O2(high H+ concentration) +2 H+ 4 H+ To Calvin Cycle Thylakoid membrane ATP synthaseSTROMA ADP(low H+ concentration) + ATP Pi H+
  46. 46. Limiti della fotosintesi naturale• Nel trasferimento dello stato eccitato attraverso le molecole che costituiscono le antenne dei fotosistemi si ha perdita di energia per raffreddamento non fotochimico.• Questo determina l’incapacità delle alghe di sfruttare appieno la radiazione solare che assorbono perchè il numero di fotoni che arriva nell’unità di tempo è superiore a quello che i fotosistemi riescono a utilizzare per convertirli in elettroni.
  47. 47. Fotonibizione» Se la radiazione supera certi valori i fotoni che non riescono ad essere utilizzati dal sistema reattivo possono addirittura danneggiare la cellula (fotossidazione dei fotosistemi). Si parla in tal caso di fotonibizione.
  48. 48. Nuove sfide della scienza per migliorare la fotosintesi naturale» Maggiore è il numero di molecole di pigmenti che cosituisce l’antenna dei fotosistemi e maggiore è la perdita di energia e minore l’efficienza fotosintetica.» Per consentire un migliore sfruttamento della radiazione solare e incrementare così l’efficienza fotosintetica delle microalghe alcuni ricercatori hanno modificato geneticamente le cellule in modo tale che venisse ridotto il numero di molecole che costituiscono il fotosistema (Melis et al., 2009).» Questo è stato ottenuto regolando l’espressione del gene CAO e Lhcb responsabili del numero di pigmenti che cosituiscono l’antenna.» Pur non essendo ancora stato valutato sperimentalmente sembra che tale modifica possa determinare un incremento dell’efficienza fotosintetica di 2 – 3 volte determinando una maggiore produttività delle alghe. Questi studi sono attualmente in corso!
  49. 49. Il ciclo di calvin CO2 Input ATP NADPH CALVIN CYCLE Output: G3P• L’energia dei fotoni è quindi convertita in energia chimica attraverso la produzione di due molecole ad elevato contenuto energetico ATP e NADPH.• Queste due molecole fuoriescoo dal tilacoide per poi essere utilizzate nel ciclo di calvin per «organicare» la CO2. Questo ha luogo nei plastidi (cloroplasti) della cellula
  50. 50. Il ciclo di Calvin: biofissazione CO2 CO2La bio-fissazione della CO2 inizia con una reazione col ribulosio bifosfato catalizzatadall’enzima Rubisco (la proteina più diffusa nella terra). La risultante struttura a seiatomi di carbonio viene immediatamente idrolizzata a due molecole di fosfoglicerato(G3P) a tre atomi di carbonio ciascuna.
  51. 51. Dal ciclo di Calvin alla sintesi dei lipidi Microalgal metabolic pathways that can be leveraged for biofuel production.Radakovits R et al. Eukaryotic Cell 2010;9:486-501
  52. 52. Biosintesi lipidicaSimplified overview of the metabolites and representative pathways in microalgal lipidbiosynthesis shown in black and enzymes shown in red.ER, endoplasmatic reticulumACCase, acetyl-CoA carboxylase;ACP, acyl carrier protein;CoA, coenzyme A;DAGAT, diacylglycerol acyltransferase;DHAP, dihydroxyacetone phosphate;ENR, enoyl-ACP reductase;FAT, fatty acyl-ACP thioesterase;G3PDH, gycerol-3-phosphate dehydrogenase;GPAT, glycerol-3-phosphate acyltransferase;HD, 3-hydroxyacyl-ACP dehydratase;KAR, 3-ketoacyl-ACP reductase;KAS, 3-ketoacyl-ACP synthase;LPAAT, lyso-phosphatidic acid acyltransferase;LPAT, lyso-phosphatidylcholine acyltransferase;MAT, malonyl-CoA:ACP transacylase;PDH, pyruvate dehydrogenase complex;TAG, triacylglycerolsRadakovits R et al. Eukaryotic Cell 2010;9:486-501
  53. 53. Aumento della sintesi lipidica: modificazione geneticaGli obiettivi sono quelli di individuare i geni responsabili della sintesi degli enzimicoinvolti nella biosintesi dei lipidi e indurne la sovvraespressione mediante tecnichedi ingegneria genetica. Alcuni studi sono stati effettuati su altre piante e possonofornire importanti informazioni anche per le alghe.E’ stato sovra-espresso l’enzima ACCasenella diatomea C. cryptica e N. Saprophilacon scarsi risultati sulla sintesi lipidicatotale (Dunhaway et al., 1993)Anche la sovraespressione dell’enzimaKAS in piante quali arabidopsis, spinacietc. non ha determinato la maggiorproduzione di lipidi (Dehesh et al., 2001)La sovra-espressione del DAGAT inarabidospis ha invece determinatol’incremento della sintesi lipidica anchedel 70% (Jako et al., 2001)In altre piante la sovra espressione dell’enzimaG3DPH ha determinato un forte incremento dellalipogenesi (Zheng et al., 2008)
  54. 54. Difficoltà nella modificazione geneticaLe principali difficoltà nella modifica genetica delle alghe rivoltaall’’incremento della sintesi lipidica sono:• Codifica del DNA avvenuta solo per poche cellule algali.• Sopressione degli enzimi coinvolti in attività metaboliche competitive con la sintesi lipidica. Es. nei mitocondri avviene l’utilizzo dei lipidi per produrre energia (la soppressione di questi meccanismi potrebbe incrementare l’accumulo lipidico).• Indurre trasformazioni genetiche permanenti nelle alghe. Sembra infatti che la maggiorparte delle alghe infatti sia dotata di un meccanismo innato di soppressione di DNA esogeni. Per cui la modifica esterna non risulta permamente• L’individuazione dei fattori di trascrizione coinvolti nella sintesi lipidica nelle alghe sono ancora ignoti; è una attività di ricerca appena iniziata ma appare estremamente promettente visti alcuni risultati preliminari ottenuti da alcuno gurppi di ricerca (Grotewold, 2008)
  55. 55. Controllo biosinteticoUn metodo più semplice per incrementare la sintesi lipidica è quello diagire dall’esterno della cellula inducendo fattori di stress ambientale odeprivazione o incremento di specifici nutrienti che influiscono sullasintesi lipidica.Limitazione da N Limitazione da P Eccessi di Fe N viene usato per la Il ferro sembra sintesi degli enzimi e La ridotta avere una azione delle strutture disponibilità di P sui pathways cellulari essenziali. sembra indurre la metabolici che La maggiorparte del rottura dei sottendono alla C è utilizzato per fosfolipidi e la sintesi e produrre carboidrati formazione di lipidi all’accumulo dei e lipidi piuttosto che neutri lipidi neutri proteine
  56. 56. Controllo biosinteticoAltri parametri su cui si può agire dall’estreno della cellula Salinità e metalli Flusso luminoso pesanti Fase cellulare Esistono dei range di Anche salinità e Il contenuto radiazione luminosa metalli pesanti lipidico dlle che massimizzano la come Cd sono cellule è maggionre nella produzione lipidica. fattori di stress che loro fase di Anche il fotoperiodo possono crescita (ore luce/ore buio) influenzare il esponenziale influisce sulla metabolismo piuttosto che in crescita lipidico quella stazionari
  57. 57. Controllo biosintetico
  58. 58. Controllo biosintetico: SvantaggiPurtroppo ad un incremento del contenuto lipidico le condizioni di stressinducono spesso una riduzione della velocità di crescita delle alghe per cuila produttività lipidica rimane costante o addirittura diminuisce.Per poter sfruttare questi metodi e garantire contemporaneamente unaelevata velocità di crescita è quindi necessario individuare configurazionireattoristiche a più stadi Stadio 1 Stadio 2 Stadio 3 • Crescita con • Deprivazione • Estrazione elevate N e accumulo lipidi velocità lipidiPer implementare tali tecniche è necessario un controllo di dettaglio ditutte le variabili che influenzano il processo di crescita e accumulo deilipidi all’interno dei fotobioreattori. Questo può avvenire grazieoppportuni modelli matematici.
  59. 59. Utilità dei modelli matematici• Attualmente nella letteratura scientifica esistono pochissimi modelli matematici relativi alla crescita di microalghe all’interno dei fotobioreattori.• Questa carenza è una delle principali cause della scarsa scalabilità dei risultati ottenuti in laboratorio.• Per garantire la controllabilità e l’ottimizzazione dei processi su scala industriale è necessario quindi comprendere «quantitativamente» i fenomeni che avvengono ed essere così in grado dio controllarli.• Questo è il principale obiettivo dei modelli sviluppati al CRS4.
  60. 60. Modellazione matematica-1La modellazione matematica e la simulazionecomputazionale hanno lo scopo di:• Comprendere i fenomeni alla base dei risultati sperimentali• Riduzione dei costi della sperimentazione e pianificare nuovi esperimenti• Progettare i sistemi di coltivazione• Ottimizzazione delle condizioni operative• Individuazione di nuove soluzioni tecnologiche
  61. 61. Modellazione matematica-2I modelli matematici e i codici di calcolo sviluppati dalProgramma di Bioingegneria del CRS4 sono basatiprincipalmente su:• Principi di conservazione della massa (specie coinvolte, CO2, micro e macro nutrienti)• Bilanci radiativi (Distribuzione del flusso luminoso nel mezzo di coltura)• Bilanci di popolazione (sulle cellule)- I bilanci descrivono l’evoluzione temporale/spaziale delle specie coinvolte in termini di concentrazione, numero e dimensione delle cellule (massa / dimensione caratteristica / diametro).- I bilanci contengono termini diffusionali, reattivi (consumo nutrienti, CO2,), crescita e divisione cellulare, flusso luminoso
  62. 62. Modellazione matematica-3• Dal punto di vista matematico i modelli si traducono in sistemi di equazioni alle derivate parziali (PDEs) o integro-differenziali• Sono definiti gli algoritmi numerici per la loro risoluzione• Le equazioni del modello sono implementate in un codice di calcolo scritto in linguaggio FORTRAN• Un singolo run di calcolo, in base alla complessità, può richiedere pochi minuti o parecchie ore.• Il modello viene validato mediante confronto diretto con i dati sperimentali disponibili.• Si verificano quindi le caratteristiche predittive del modello.
  63. 63. Modellazione matematica-4• Dati sperimentali produzione e formattazione• Risultati in input al codice di simulazione• Codice soluzione PDEs (metodi Adams Moulton/Gear)• Risultati in input al codice di ottimizzazione• Codice ottimizzazione• Risultati valori parametri in input ai run predittivi• Valori dei parametri in input al codice per la predizione• Verifica capacità predittiva su nuovi dati sperimentali
  64. 64. Esempi di applicazione IProduzione di lipidi da microalghe coltivate con CO2pura in reattori semicontinuiColtivazioni in sistema dinamico (fotobioreattoresemicontinuo con agitazione meccanica); Microalgastrain: Chlorella vulgaris; flusso luminoso 100 µE m-2 s-1;soluzione di nutrienti Kd3; CO2 pura (100 %v/v) diffusanella soluzione a 40 ml min-1.
  65. 65. Esempi di applicazione I LampsLamps
  66. 66. Principali fenomeni da simulare Diffusione in fase liquida CO2 Diffusione luce nel mezzo CO2 e captazione da parte pigmenti gas Fotosintesi Cellula Algale con olio Cellula Algale con olioSpeciazioneMicro e macroelementi Cellula Algale con olio Cellula Algale con olio Bulk liquido
  67. 67. Modello matematicoCalcolo della speciazione in funzione del pH (incognito) 2 CH + CCtot ,lCCO2 ( aq ) = CH + + K C CH + + K1C K C CH + + K 2 C K1C K C 2 2 2 CH + CCtot ,lCH 2CO3 = K C CH + + K C CH + + K1C K C CH + + K 2C K1C K C 2 2 CH + CCtot ,lCHCO − = K1C K C 3 C 2 H+ + KC C 2 H+ + K1C K C CH + + K 2C K1C K C CCtot ,lCCO2− = K 2C K1C K C 3 CH + + K C CH + + K1C K C CH + + K 2C K1C K C 2 2 3 CH + CPtot ,lCH 3 PO4 = CH + + K1P CH + + K1P K 2 P CH + + K 3 P K 2 P K1P 3 2 2 CH + CPtot ,lCH − = K1P 2 PO4 CH + + K1P CH + + K1P K 2 P CH + + K 3 P K 2 P K1P 3 2 CH + CPtot ,lCHPO 2− = K1P K 2 P 4 C 3 H+ + K1P C 2 H+ + K1P K 2 P CH + + K 3 P K 2 P K1P CPtot ,lCPO3− = K1P K 2 P K 3 P 4 C 3 H+ + K1P C 2 H+ + K1P K 2 P CH + + K 3 P K 2 P K1P…………………
  68. 68. Modello matematico-2 Soluzione pH mediante condizione di elettroneutralità N cat N anC H + ,l + ∑ χ i ⋅ C χ + = COH − ,l + ∑ α k ⋅ C + αk i i ,l k ,l i =1 k =1 Calcolo del flusso luminoso medio distribuito nel mezzo di coltura π 2 ⋅ I0   cos (φ ) ⋅ e ∫ 2⋅r ⋅τ a ⋅ X ⋅cos(φ )I av = 1 − ⋅ dφ  2 r ⋅τ a ⋅ X ⋅ π    0  Cinetica di crescita algale (considerata anche fotoinibizione) n  I  Ns ∏κ I Cwtot ,lµ X = µ max ⋅ f ( pH ) ⋅ ⋅ 1 − ⋅ n n I K + I  I max  w =1 w, S + Cwtot ,l ( ) 2 − pH − pH opt 2σ 2 ef ( pH ) = 2πσ 2
  69. 69. Modello matematico-3Bilanci di materia in fase gas per CO2 e O2 = Q gfeed CCO2 ,g − Q g CCO2 ,g − VR k leff 2 a v (CCO2 ,l − H CO2 CCO2 ,g ) d (Vg CCO2 g ) feed ,CO dt ( ) d (Vg CO2 g ) = Qgfeed CO2 , g − Qg CO2 , g − VR kl0,O2 av CO2 ,l − H CO2 CO2 , g feed dtBilanci di materia in fase liquida per i nutrienti ( )d (VlCC TOT ,l ) = VR kleff 2 av CCO2 ,l − H CO2 CCO2 , g − YCTOT µ X VlC X ,CO dt ( )d (VlCO2 ,l ) = VR kleff 2 av CO2 ,l − H O2 CO2 , g + YO2 µ X VlC X ,O dtBilancio di materia per la biomassa algaled (VlC X ) = ( µ X − µC ) ⋅ C X ⋅ Vl dtVariazioni portatedV a V k ( C − H C ) ⋅ MW Nl eff =∑ v R l ,i i ,l i i, g i l i = CO2 ,O2 dt i =1 ρ l ,i Ng l ∑ a V k (C − H iC j ,g ) dVg RTQg = =Q g feed − ⋅ eff v R l, j j ,l dt P j =1
  70. 70. Algoritmo risolutivo t=0 C0tot, N0tot, P0tot, .. etc., CO20, O20, N20 Initial concentrations of total of Initial concentration t = t+∆T total species species in liquid and gas phase,C0tot, N0tot, P0tot,.. etc, incident photon flux Actual values of biomass concentration, etc.. Ctot, Ntot, Ptot, .. etc., CO2, O2, N2 X, Iav Speciation as a function of Evaluation of average light pH (unknown) through intensity within the medium equations in Appendix IHCO3-=fC(pH,Ctot,KC,i)…NO32-= fN(pH,Ntot,KN,i)..PO43-= fP(pH,Ptot,KP,i).... pH Solving ODEs for material Solving pH through electro- balances evaluation of neutrality condition actual values
  71. 71. Risultati fitting parametri 0,6 8,0 Experimental Data Experimental data Model fitting Model fitting 0,5 7,5Microalgae concentration, (g L )-1 0,4 7,0 0,3 6,5 pH 0,2 6,0 0,1 5,5 0,0 5,0 0 500000 1000000 1500000 2000000 0 500000 1000000 1500000 2000000 Time, (s) Time, (s) Si ottengono i valori di due parametri del modello da utilizzare nelle prove di predizione
  72. 72. Risultati: predizione 0,6 7,4 Experimental Data 7,2 Experimental data 0,5 Model prediction Model prediction 7,0Microalgae concentration, (g L )-1 6,8 0,4 6,6 6,4 0,3 pH 6,2 6,0 0,2 5,8 5,6 0,1 5,4 5,2 0,0 5,0 0 500000 1000000 1500000 2000000 0 500000 1000000 1500000 2000000 Time, (s) Time, (s) Il modello consente poi di estrapolare l’evoluzione di una serie di variabili di processo (CO2 in uscita, O2 sviluppato, concentrazione dei macronutrienti etc.) che non si mostrano per brevità
  73. 73. Risultati con sistemi similiBuoni risultati sono stati ottenuti anche con sistemi simili che utilizzanoun’altra alga «Nannochloris Eucariotum»
  74. 74. Utilità dei risultati in termini industrialiLe ricadute sulla possibile ottimizzazione della tecnologia ottenibili conla modellistica sono le seguenti• Si può capire quale sarà il comportamento di un reattore «più grande» operante su scala industriale;• Si può stabilire quale è la concentrazione dei nutrienti nel mezzo di coltura per cui si massimizza la produttività di biomassa;• Si può stabilire dopo quali tempi è possibile prelevare la biomassa dal reattore;• Si possono stabilire i flussi luminosi ottimali utilizzando ad esempio schermi che impediscano i fenomeni di fotoinibizione;• Etc..In definitiva si può progettare l’impianto su scala industriale sulla basedei risultati ottenuti su scala di laboratorio. Ossia si può effettuare lo«scale-up» !
  75. 75. Utilità dei risultati in termini scientificiLe ricadute sugli aspetti scientifici sono i seguenti• Si arriva ad una comprensione «intima» del comportamento del sistema e dei fenomeni che lo regolano;• Sulla base di tale comprensione si possono individuare a priori nuove configurazioni sperimentali che potrebbero dar vita a nuovi e interessanti risultati;• Si può stabilire invece quali configurazioni non darebbero vita a buoni risultati evitando sperimentazioni particolarmente costose e dispendiose;• Etc..In definitiva si può pianficiare attività sperimentale innovativa mirataevitando un approccio euristico l’impianto su scala industriale sullabase dei risultati ottenuti su scala di laboratorio. Ossia si può effettuarelo «scale-up» !
  76. 76. Esempi di applicazione IIProduzione di lipidi da microalghe coltivate con CO2pura in reattori tubolari elicoidali a riciclo con analisidell’effetto delle dimensioni delle cellulaMicroalga strain: Spirulina platensis;
  77. 77. Sistema simulatoFotobioreattore BIOCOIL z=0 z=L
  78. 78. Fenomeni simulati• Effetto della variazione del flusso luminoso incidente• Effetto delle dimensioni della cellula algale (Bilancio di popolazione) sulla capacità di diffusione dei nutrienti e di penetrazione della luce• Effetto della concentrazione di nitrati e fosfati• Effetto dell’inibizione da accumulo di O2 disciolto e del degasaggio• Effetto della configurazione tubolare del reattore e dei parametri fluodinamici (velocità del fluido e dispersione)
  79. 79. Modello matematico-1Bilancio di materia dei principali nutrienti ∞∂C j ∂C j ∂ 2C j ∫ ζ ( m, z, I , C , C ) ⋅ψ (m, z) ⋅ dm 1 = −vz ⋅ + ED ⋅ − j = 1,..2; 1 = NO3− ; 2 = H 2 PO4 − ∂t ∂z ∂z 2 m j O2 yX / j 0C j = C0 j @ t = 0 , ∀z ∈ [0, L ] for j = 1,2 ∂C jvzC j = v zC j − ED @ ∀t > 0 , z = 0 for j = 1,2 z = 0− z = 0+ ∂z z = 0+∂C j =0 @ ∀t > 0 , z = L for j = 1, 2 ∂z z=LBilancio di materia dei principali cataboliti O2∂CO2 ∂CO2 ∂ 2CO2 ∞ ∫ ζ ( m, z, I , C , C ) ⋅ψ (m, z ) ⋅ dm 1 = −vz ⋅ + ED ⋅ + j = 1,..2; 1 = NO3− ; 2 = H 2 PO4 − ∂t ∂z ∂z 2 m j O2 y X / O2 0CO2 = CO2 0 @ t = 0 , ∀z ∈ [0, L ] ∂CO2vzCO2 = vzCO2 − ED @ ∀t > 0 , z = 0 ∂z − z =0 z =0+ + z =0∂CO2 =0 @ ∀t > 0 , z = L ∂z z=L
  80. 80. Modello matematico-2Bilancio di popolazione delle cellule   CO2   ζ m ( m, z , I , C j , CO ) =  µ max ⋅ In 2 Cj ⋅∏ ⋅ 1 − − µc  ⋅ m 2  I K + I j =1 K j + C j n n  CO ,max      2   ∂ψ ∂ (ζ m ⋅ψ ) ∞ ∂ψ ∂ 2ψ + = −vz ⋅ + E D ⋅ 2 + Γ(m, z, I , C j , CO2 ) ⋅ψ − 2 ∫ψ ⋅ Γ(m , z, I , C j , CO2 ) ⋅ p (m, m ) ⋅ dm ∂t ∂m ∂z ∂z m ψ ( m, z , t ) = ψ 0 ( m, z ,0) @ t = 0 , ∀z ∈ [0, L ] ∂ψ v z ⋅ψ = vz ⋅ψ − ED ⋅ @ ∀t > 0 , z = 0 z = 0− z = 0+ ∂z z =0 + ∂ψ =0 @ ∀t > 0 , z = L ∂z z=L − ( m − µo ) 2 1 exp 2σ 2 (Γ m, z, I , C j , CO 2 ) = ζ ( m, z , I , C , C ) ⋅ m j O2 m 2πσ 2 1 − ( m − µo ) 2 1− ∫ exp ⋅ dm 0 2πσ 2 2σ 2 q −1 q −1 1 1 m  mp ( m, m ) = 1 −  β ( q, q ) m  m     mm∫ p ( m, m ) ⋅ dm = 10 ∞X ( t , z ) = ∫ψ ( m, z ) ⋅ m ⋅ dm 0
  81. 81. -3 Biomass concentration, g m 100 6000 1000 0, 00 0 5, 76 x1 0 3 4 1, 15 x1 0 4 8 1, 73 x1 0 4 12 2, 30 x1 0 4 16 2, 88 x1 0 4 20 3, 46 x1 0 4 Time, days 24Time, s 4, 03 x1 0 4 28 4, Predizione completa dati sperimentali 61 x1 0 4 32 5, 18 x1 0 4 36 5, 76 Risultati modellistici x1 0 4 40 6, 34 x1 0 4 44

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