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.
Scannone - Produzione di microalghe per ridurre le emissioni di co2SviluppoBasilicata
RI-GENERAZIONE ENERGETICA ENERGIA E SOSTENIBILITÀ
Esperienze, idee e scenari di sviluppo
20 dicembre 2013
Incubatore d’Impresa di Sviluppo Basilicata Metapontum
Metaponto di Bernalda (MT)
Bioenergy crops; tropical; agronomy; giuseppe nania agronomo tropicalistaetnobotanica
Bioenergia da agricoltura e acquicoltura nei PVS tropicali e subtropicali - Autore: Giuseppe Nania - tesi di laurea del corso triennale in agraria tropicale. Bioenergy from agriculture and microalgae in tropical and subtropical Countries. Author: Giuseppe Nania - thesis of degree in Tropical Agriculture.
The role of compostable plastics in the collection and treatment of food wasteMilano Recycle City
Presentazione utilizzata da Christian Garaffa, Responsabile Marketing Raccolte Differenziate di Novamont, durante il suo intervento alla conferenza internazionale Milano Recycle City, che si è svolta il 6 giugno 2014 presso la Fabbrica del Vapore di Milano
La produzione di energia e gli altri impieghi delle biomasse in SardegnaSardegna Ricerche
Intervento di Efisio Scano, responsabile del laboratorio biocombustibili e biomasse di Sardegna Ricerche, tenuto in occasione di MeetJob, giornate sugli sbocchi professionali dei corsi di laurea con sede a Oristano (Oristano, 23/24 aprile 2013).
La filiera corta della Canapa. Dott.ssa Tolve Manuela. Lucanapa.SviluppoBasilicata
Nuovi scenari produttivi:
La filiera corta della Canapa.
Salute, Alimentazione, Edilizia E Tessili
@ Ri – Costruire a (quasi) km 0 - FACTOR20
Viggiano . 22 novembre 2013
Scannone - Produzione di microalghe per ridurre le emissioni di co2SviluppoBasilicata
RI-GENERAZIONE ENERGETICA ENERGIA E SOSTENIBILITÀ
Esperienze, idee e scenari di sviluppo
20 dicembre 2013
Incubatore d’Impresa di Sviluppo Basilicata Metapontum
Metaponto di Bernalda (MT)
Bioenergy crops; tropical; agronomy; giuseppe nania agronomo tropicalistaetnobotanica
Bioenergia da agricoltura e acquicoltura nei PVS tropicali e subtropicali - Autore: Giuseppe Nania - tesi di laurea del corso triennale in agraria tropicale. Bioenergy from agriculture and microalgae in tropical and subtropical Countries. Author: Giuseppe Nania - thesis of degree in Tropical Agriculture.
The role of compostable plastics in the collection and treatment of food wasteMilano Recycle City
Presentazione utilizzata da Christian Garaffa, Responsabile Marketing Raccolte Differenziate di Novamont, durante il suo intervento alla conferenza internazionale Milano Recycle City, che si è svolta il 6 giugno 2014 presso la Fabbrica del Vapore di Milano
La produzione di energia e gli altri impieghi delle biomasse in SardegnaSardegna Ricerche
Intervento di Efisio Scano, responsabile del laboratorio biocombustibili e biomasse di Sardegna Ricerche, tenuto in occasione di MeetJob, giornate sugli sbocchi professionali dei corsi di laurea con sede a Oristano (Oristano, 23/24 aprile 2013).
La filiera corta della Canapa. Dott.ssa Tolve Manuela. Lucanapa.SviluppoBasilicata
Nuovi scenari produttivi:
La filiera corta della Canapa.
Salute, Alimentazione, Edilizia E Tessili
@ Ri – Costruire a (quasi) km 0 - FACTOR20
Viggiano . 22 novembre 2013
Il manifesto della chimica verde - Sofia Mannelli - L'Informatore Agrario - F...L'Informatore Agrario
Lo sviluppo del settore della chimica verde è un'opportunità per il rilancio dell'economia del nostro Paese, dove sono riconosciute punte di eccellenza. L'associazione Chimica Verde Bionet ha elaborato alcuni criteri essenziali per un concreto sviluppo del settore in modo da promuovere la crescita sulla base di principi di sostenibilità, perfezionati dal mondo della ricerca e da esperti del settore. Per questo, l'associazione presenta il "Manifesto della Chimica Verde", che, è stato sottoscritto a Verona l'8 febbraio scorso al convegno organizzato in collaborazione con L'Informatore Agrario.
Energia da Biogas prodotto con Rifiuti Solidi Urbaniadriano cirasole
Lack of management in waste collection in the Metropolitan areas of Matera reflects historical structural divide, which produces costs on the City Hall e on the final consumers through higher taxes, beyond further CO2 emissions to carry the waste to other regions to be recycled.
European Waste Framework Directive's 50 % should be pursued in 2020 for Municipal waste.
We should pass this target to become a sustainable community, reglobalizating the energy from bottom through Distributed Generated Association.
Distributed Generation is the strategic placement of small power generating units near customer loads. Distributed generation technologies include such resources as:
Industrial gas turbines
Reciprocating engines in industrial and commercial heat and power applications
Storage systems
Wind turbines
Photovoltaic
Biomass
Hydrogen Fuel cells
A DGA is a community of customers who become producers of their own energy, are less dependent from interests of power lobbies, interconnected in a global net where producers community ex-change energy to each other horizontally.
A Grid for Distributed Generation Energy produced from Municipal Waste would allow to my City Hall to comply with European standards and efficiency in Municipal Waste management, producing cheap energy for the inhabitants.
Le colture dedicate da biomassa a fini energetici in Sardegna: limiti ed oppo...Sardegna Ricerche
L'intervento di Enrico Bonari, Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, nell'ambito del seminario "Biomasse, Biocombustibili e Biogas" organizzato dallo Sportello Energia di Sardegna Ricerche il 1° luglio a Cardedu (OG).
Per massimizzare la produzione di biogas dalla digestione anaerobica esistono alcuni accorgimenti che vanno decisi nella fase progettuale dell’impianto e che sono da valutare alla luce di un’analisi costi/benefici.
Biodiesel il carburante del futuro un combustibile eco-sostenibile l'esigenza nasce dalla consapevolezza della necessità per cui le risorse energetiche mondiali tenderanno in un fututo non troppo anteriore ad esaurirsi.
Energia da Biogas prodotto con Rifiuti Solidi Urbaniadriano cirasole
Lack of management in waste collection in the Metropolitan areas of Matera reflects historical structural divide, which produces costs on the City Hall e on the final consumers through higher taxes, beyond further CO2 emissions to carry the waste to other regions to be recycled.
European Waste Framework Directive's 50 % should be pursued in 2020 for Municipal waste.
We should pass this target to become a sustainable community, reglobalizating the energy from bottom through Distributed Generated Association.
Distributed Generation is the strategic placement of small power generating units near customer loads. Distributed generation technologies include such resources as:
Industrial gas turbines
Reciprocating engines in industrial and commercial heat and power applications
Storage systems
Wind turbines
Photovoltaic
Biomass
Hydrogen Fuel cells
A DGA is a community of customers who become producers of their own energy, are less dependent from interests of power lobbies, interconnected in a global net where producers community ex-change energy to each other horizontally.
A Grid for Distributed Generation Energy produced from Municipal Waste would allow to my City Hall to comply with European standards and efficiency in Municipal Waste management, producing cheap energy for the inhabitants.
Energia da Biogas prodotto con Rifiuti Solidi Urbaniadriano cirasole
Lack of management in waste collection in the Metropolitan areas of Matera reflects historical structural divide, which produces costs on the City Hall e on the final consumers through higher taxes, beyond further CO2 emissions to carry the waste to other regions to be recycled.
European Waste Framework Directive's 50 % should be pursued in 2020 for Municipal waste.
We should pass this target to become a sustainable community, reglobalizating the energy from bottom through Distributed Generated Association.
Distributed Generation is the strategic placement of small power generating units near customer loads. Distributed generation technologies include such resources as:
Industrial gas turbines
Reciprocating engines in industrial and commercial heat and power applications
Storage systems
Wind turbines
Photovoltaic
Biomass
Hydrogen Fuel cells
A DGA is a community of customers who become producers of their own energy, are less dependent from interests of power lobbies, interconnected in a global net where producers community ex-change energy to each other horizontally.
A Grid for Distributed Generation Energy produced from Municipal Waste would allow to my City Hall to comply with European standards and efficiency in Municipal Waste management, producing cheap energy for the inhabitants.
Il settore delle biomasse e dei biocombustibili in sardegna - Efisio ScanoSardegna Ricerche
L'intervento di Efisio Scano (Responsabile scientifico del Laboratorio Biocombustibili e biomasse), nell'ambito dell'evento di presentazione del Progetto Cluster Energie Rinnovabili tenutosi a Cagliari il 7 marzo 2014.
The document appears to be a list of numbers paired with "30° CRS4" repeated many times. It includes the phrases "Enjoy the reading!" and names Christian Solinas as the President of the Autonomous Region of Sardinia.
More Related Content
Similar to Seminario Alessandro Concas, 29-03-2012
Il manifesto della chimica verde - Sofia Mannelli - L'Informatore Agrario - F...L'Informatore Agrario
Lo sviluppo del settore della chimica verde è un'opportunità per il rilancio dell'economia del nostro Paese, dove sono riconosciute punte di eccellenza. L'associazione Chimica Verde Bionet ha elaborato alcuni criteri essenziali per un concreto sviluppo del settore in modo da promuovere la crescita sulla base di principi di sostenibilità, perfezionati dal mondo della ricerca e da esperti del settore. Per questo, l'associazione presenta il "Manifesto della Chimica Verde", che, è stato sottoscritto a Verona l'8 febbraio scorso al convegno organizzato in collaborazione con L'Informatore Agrario.
Energia da Biogas prodotto con Rifiuti Solidi Urbaniadriano cirasole
Lack of management in waste collection in the Metropolitan areas of Matera reflects historical structural divide, which produces costs on the City Hall e on the final consumers through higher taxes, beyond further CO2 emissions to carry the waste to other regions to be recycled.
European Waste Framework Directive's 50 % should be pursued in 2020 for Municipal waste.
We should pass this target to become a sustainable community, reglobalizating the energy from bottom through Distributed Generated Association.
Distributed Generation is the strategic placement of small power generating units near customer loads. Distributed generation technologies include such resources as:
Industrial gas turbines
Reciprocating engines in industrial and commercial heat and power applications
Storage systems
Wind turbines
Photovoltaic
Biomass
Hydrogen Fuel cells
A DGA is a community of customers who become producers of their own energy, are less dependent from interests of power lobbies, interconnected in a global net where producers community ex-change energy to each other horizontally.
A Grid for Distributed Generation Energy produced from Municipal Waste would allow to my City Hall to comply with European standards and efficiency in Municipal Waste management, producing cheap energy for the inhabitants.
Le colture dedicate da biomassa a fini energetici in Sardegna: limiti ed oppo...Sardegna Ricerche
L'intervento di Enrico Bonari, Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, nell'ambito del seminario "Biomasse, Biocombustibili e Biogas" organizzato dallo Sportello Energia di Sardegna Ricerche il 1° luglio a Cardedu (OG).
Per massimizzare la produzione di biogas dalla digestione anaerobica esistono alcuni accorgimenti che vanno decisi nella fase progettuale dell’impianto e che sono da valutare alla luce di un’analisi costi/benefici.
Biodiesel il carburante del futuro un combustibile eco-sostenibile l'esigenza nasce dalla consapevolezza della necessità per cui le risorse energetiche mondiali tenderanno in un fututo non troppo anteriore ad esaurirsi.
Energia da Biogas prodotto con Rifiuti Solidi Urbaniadriano cirasole
Lack of management in waste collection in the Metropolitan areas of Matera reflects historical structural divide, which produces costs on the City Hall e on the final consumers through higher taxes, beyond further CO2 emissions to carry the waste to other regions to be recycled.
European Waste Framework Directive's 50 % should be pursued in 2020 for Municipal waste.
We should pass this target to become a sustainable community, reglobalizating the energy from bottom through Distributed Generated Association.
Distributed Generation is the strategic placement of small power generating units near customer loads. Distributed generation technologies include such resources as:
Industrial gas turbines
Reciprocating engines in industrial and commercial heat and power applications
Storage systems
Wind turbines
Photovoltaic
Biomass
Hydrogen Fuel cells
A DGA is a community of customers who become producers of their own energy, are less dependent from interests of power lobbies, interconnected in a global net where producers community ex-change energy to each other horizontally.
A Grid for Distributed Generation Energy produced from Municipal Waste would allow to my City Hall to comply with European standards and efficiency in Municipal Waste management, producing cheap energy for the inhabitants.
Energia da Biogas prodotto con Rifiuti Solidi Urbaniadriano cirasole
Lack of management in waste collection in the Metropolitan areas of Matera reflects historical structural divide, which produces costs on the City Hall e on the final consumers through higher taxes, beyond further CO2 emissions to carry the waste to other regions to be recycled.
European Waste Framework Directive's 50 % should be pursued in 2020 for Municipal waste.
We should pass this target to become a sustainable community, reglobalizating the energy from bottom through Distributed Generated Association.
Distributed Generation is the strategic placement of small power generating units near customer loads. Distributed generation technologies include such resources as:
Industrial gas turbines
Reciprocating engines in industrial and commercial heat and power applications
Storage systems
Wind turbines
Photovoltaic
Biomass
Hydrogen Fuel cells
A DGA is a community of customers who become producers of their own energy, are less dependent from interests of power lobbies, interconnected in a global net where producers community ex-change energy to each other horizontally.
A Grid for Distributed Generation Energy produced from Municipal Waste would allow to my City Hall to comply with European standards and efficiency in Municipal Waste management, producing cheap energy for the inhabitants.
Il settore delle biomasse e dei biocombustibili in sardegna - Efisio ScanoSardegna Ricerche
L'intervento di Efisio Scano (Responsabile scientifico del Laboratorio Biocombustibili e biomasse), nell'ambito dell'evento di presentazione del Progetto Cluster Energie Rinnovabili tenutosi a Cagliari il 7 marzo 2014.
Similar to Seminario Alessandro Concas, 29-03-2012 (20)
The document appears to be a list of numbers paired with "30° CRS4" repeated many times. It includes the phrases "Enjoy the reading!" and names Christian Solinas as the President of the Autonomous Region of Sardinia.
Tutti a Iscol@ 2017, presentazione della Linea B2: Laboratori Extracurriculari Didattici Tecnologici.
L'iniziativa è promossa da: Regione Autonoma della Sardegna (Assessorato della Pubblica Istruzione);
Agenzia Regionale Sardegna Ricerche;
CRS4.
Ulteriori informazioni: http://iscola-lineab2.crs4.it/
Sardegna Ricerche
CRS4
Presentazione del progetto "Iscol@ Linea B": laboratori didattici innovativi finalizzati all’apertura al territorio delle Istituzioni scolastiche. Regione Autonoma della Sardegna, Agenzia Sardegna Ricerche, CRS4
I progressi tecnologici raggiunti nel campo delle strategie di sequenziamento degli acidi nucleici ("Next Generation Sequencing", NGS) permettono oramai di ottenere con facilità le informazioni contenute all’interno dell’intero genoma umano. Ma solo una piccola percentuale (stimata a 1,6%) del genoma umano viene tradotto nelle proteine che fanno funzionare il corpo umano. Il sequenziamento esomico ("Whole exome sequencing") si concentra proprio sulle parti del genoma che codificano le proteine ("i geni") perché la ricerca di varianti in tali regioni permette di trovare le modificazioni funzionali delle proteine che sono associate a malattie. Dovendo sequenziare solo circa 1/60 dell’intero genoma si ha la possibilità di avere una migliore accuratezza e di ridurre tempi e costi del sequenziamento. Per questo motivo il sequenziamento esomico è diventato uno dei metodi di diagnosi genetica più utilizzato dai medici (sopratutto nel caso in cui non ci siano ipotesi sui geni coinvolti nella malattia).
1) The document presents a method for spatial velocity analysis of near-surface seismic data using a global simultaneous multi-parameter optimization approach.
2) It compares different implementations of spatial velocity analysis, including using common reflection surface (CRS) operators with 1x3, 3x1, and 1x2 parameter searches, and finds that using a 1x2 parameter diffraction operator for the global search followed by local 1x3 reflection optimization provides accurate results with less computational cost than other methods.
3) The method is demonstrated on an example of ultra-shallow seismic data from a field survey, and velocity models derived from the analysis are used for stacking, tomography, and migration, improving the quality and interpretability of
Valentina Spanu: esempi di applicazioni di GIS Partecipativo; gestione delle riserve idriche, energia solare, ristrutturazione di un edificio scolastico in Marocco; riduzione del rischio di disastro naturale in Georgia.
Alfonso Damiano (Università di Cagliari) Tecnologie ICT per le reti intelligenti di energia - evoluzione dei sistemi di distribuzione elettrica, anche con riferimento alla situazione della Regione; smart grid, micro grid e virtual power plant; stato della ricerca nel settore; potenzialità offerte dall'integrazione tra sistema elettrico e sistema della mobilità; reti intelligenti in una visione di smart city.
Workshop organizzato dal CRS4 nell'ambito della Collana di seminari per la valorizzazione e trasferimento dei risultati della Ricerca.
Viene illustrato il problema della raccolta efficiente e scalabile dei dati da potenziali sorgenti di Big Data. Inoltre verrà fatta una carrellata su alcuni tra i più popolari software utilizzabili in una pipeline di data streaming in realtime e/o batch analysis.
La caratterizzazione chimico-analitica del profilo metabolico di una serie di pazienti di sindrome fiobromialgica e di controlli, è stata integrata con un approccio modellistico per validare l'ipotesi che i lipidi sovra-rappresentati nei pazienti fossero in grado di interagire, attivandolo, con il recettore deputato alla modulazione dei meccanismi biologici del dolore, il PAFR, in maniera simile a quanto fatto dal ligando endogeno PAF. Al momento attuale non esistono test di laboratorio o marcatori biologici che possano confermare lo stato di malattia, per cui questo approccio rappresenta un primo passo verso la definizione di biomarcatori per la diagnosi e per il monitoraggio.
Innovazione e infrastrutture cloud per lo sviluppo di applicativi web e mobile orientato alla geomatica in contesto Smart City. Roberto Demontis (CRS4)
Questo corso riguarda gli aspetti teorici della propagazione delle onde sismiche e i principali legami tra caratteristiche di propagazione (velocità, attenuazione) e caratteristiche geometriche e fisico-meccaniche dei materiali del sottosuolo. Successivamente, saranno illustrati gli aspetti pratici dell'utilizzo dei metodi sismici a riflessione per la caratterizzazione dei suoli e delle rocce, delineando gli aspetti essenziali delle fasi di acquisizione, elaborazione ed interpretazione dei dati e le loro applicazioni in campo ingegneristico. Infine verranno dati alcuni cenni sul principio di funzionamento del GPR e sulle sue applicazioni pratiche.
Viene presentato e discusso (in inglese) in dettaglio l'utilizzo della piattaforma EIAGRID/SmartGEO in due casi studio significativi per le applicazioni geotecniche e ambientali. Al termine, l'utente interessato dovrebbe essere in grado di utilizzare in modo autonomo la piattaforma attraverso il portale SmartGEO.
Viene descritta la piattaforma EiAGRID/SmartGeo, un portale di calcolo e analisi dati per sismica a riflessione e acquisizioni GPR multioffset, che mette a disposizione dell'utente una serie di servizi di calcolo e di processing accessibili attraverso un'interfaccia Web basata su un'infrastruttura Grid. La piattaforma consente all'utente in campo, tramite un dispositivo client (laptop, PC, tablet, etc.), di usufruire di una serie di servizi computazionali che risiedono e girano su server remoti, secondo il paradigma SaaS (Software as a Service). Verranno illustrate le soluzioni modellistiche e tecnologiche adottate e alcuni risultati ottenuti su dati reali.
This document summarizes trends in mobile graphics presented by Marco Agus and Marcos Balsa at the Visual Computing conference at UniCa in June 2015. It discusses how mobile devices are using techniques like remote rendering, mixed mobile/remote rendering, image-based and model-based methods to render 3D graphics. It also explores hardware acceleration methods for mobile like parallel pipelines, real-time ray tracing, and multi-rate approaches to improve frame rates and rendering quality on mobile. The document focuses on visualization techniques for large meshes, complex lighting, and volume rendering on mobile devices.
This document provides an overview of mobile graphics and development. It discusses the evolution of mobile devices and graphics through movies and games. It outlines the increasing capabilities of mobile devices including processing power, memory, and connectivity. It covers operating systems, programming languages, CPU architectures including ARM and graphics processing unit architectures used in mobile devices. It provides details on graphics development for mobile systems.
1. Produzione di biocarburanti e
biofissazione di CO2 mediante
microalghe
Alessandro Concas
CRS4 - Programma Bioingegneria - Settore Biomedicina
aconcas@crs4.it
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. Le problematiche di contesto
Due problematiche principali che si intende
affrontare con la tecnologia di produzione
dei biocarburanti eTissutale è un campo CO2
«L’Ingegneria di fissazione della
mediante 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
5. L’effetto sull’incremento termico
La re-emissione dell’energia assorbita avviene in seguito al moto
vibrazionale sempre alla lunghezza d’onda infrarossa accumulo
energia termica incremento temperatura atmosfera
6. Gas serra antropogenici: origine
«L’Ingegneria Tissutale è un campo
interdisciplinare della bioingegneria che applica
diversi principi dell’ingegneria e delle scienze
biologiche allo scopo di ripristinare, mantenere o
migliorare funzioni di tessuti o organi»
7. CO2 Vs Temperatura atmosferica
400 14,5
14,4
380 ppm
°
C 14,3
«L’Ingegneria Tissutale è un campo
360
14,2
interdisciplinare della bioingegneria che applica
340 14,1
CO2, ppm
diversi principi dell’ingegneria e delle 14,0
scienze
T, °C
T, °C
320
biologiche 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. Effetti a medio –lungo termine
Scioglimento Desertificazione Eventi estremi
ghiacciai
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. La crisi energetica
Domanda 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.
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. 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. 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
15. Road map Energia/ambiente EU
Entro il 2020 i biocarburanti dovranno rappresentare il 10%
dei combustibili utilizzati nel settore trasporti
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
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. 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. 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. 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. 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. Biocarburanti: confronti
Caratteristica MicroAlghe Biocarb di 1° e 2°
generazione
Velocità di crescita Elevata Bassa
Utilizzo superfici coltivabili NO SI
Competitività Food-for-Fuel NO SI
Produttività annuale in olio per
250-300 ton 3-5 ton
ettaro
Tempi di prima raccolta 60-90 giorni 30-36 mesi
Produzione sotto-prodotti utili SI NO
Contenuti in olio Elevati Medi
Possibilità di crescita in zone aride Si No
Possibilità di captazione diretta
SI NO
emissioni
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. Fotobioreattori-2
Parametri 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. Esempi di fotobioreattori-1
Biocoil (fotobioreattore elicoidale) Fotobioreattori tubolari a tubi orizzontali
Fotobioreattori con materiali a basso costo Fotobioreattori tubolari a pannelli
28. Ipotesi processo industriale
Microalghe Jet- fuels
Bio-petrolio
Bio-diesel
Sole
Fotosintesi in Bio-diesel
Fotobioreattori
CO2 da Trans-
emissioni esterificazione
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 SI
Riutilizzo come combustibile vitamine, antiossidanti,
nella stessa anti-tumorali?
centrale termoelettrica
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. 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 microalghe
geneticamente modificate che consentano l’applicazione su scala industriale di un
processo economicamente competitivo con i carburanti di origine fossile.
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 economicità
Rispetto a tali criticità il mondo scientifico si sta muovendo in
diverse direzioni…
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;
36. I fenomeni che avvengono nel cloroplasto
Light
NADP+
Tylacoid
ADP
+ P
i
RuBP 3-Phosphoglycerate
Light
Reactions: Calvin
Photosystem II Cycle
Electron transport chain
ATP G3P
Photosystem I
Electron transport chain Starch
NADPH (storage)
Chloroplast
O2 Sucrose (export)
37. Le reazioni nel tilacoide
STROMA
(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
H2O
THYLAKOID SPACE 1 1/
2 O2
(high H+ concentration) +2 H+ 4 H+
To
Calvin
Cycle
Thylakoid
membrane ATP
synthase
STROMA
ADP
(low H+ concentration)
+ ATP
Pi
H+
38. Trasporto stato eccitato al centro di reazione
Primary
acceptor
2
e–
P680
1 Light
chlorophyll b
chlorophyll a
Pigment
molecules
Photosystem II
(PS II)
I Pigmenti (clorofille, carotenoidi, luteina,licopene) sono molecole che assorbono
l’energia a certe lunghezze d’onda e consentono il trasporto dello stato eccitato
fino centro di reazione del fotosistema II per risonanza molecolare. Essi
costituiscono il cosiddetto complesso “Antenna”
39. Perdita energia nel trasferimento fotonico
Nel trasferimento dello stato eccitato attraverso le molecole che costituiscono
l’antenna si ha perdita di energia.
Le più recenti attività sono volte a individuare le modifiche genetiche che
consentono la riduzione del numero molecole che costituisono l’antenna con
conseguente aumento dell’efficienza fotosintetica
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. 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. Produzione ATP
Gli H+ liberati nel tilacoide sono poi utilizzati dall’enzima ATP-sintasi per produrre
ATP che andrà al ciclo di Calvin
43. Traserimento al fotosistema I
L’elettrone arriva al fotosistema I dove nel frattempo un altro fotone ha
determinato la liberazione di un nuovo elettrone e l’ulteriore eccitazione del primo
44. Produzione NADPH
Il fotosistema I è simile al II con centro di reazione costituito da una molecola di
chlorofilla P700. Le proteine periferiche sono invece di tipo Fe-S, flavoproteine e
includono 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 a
NADPH dall’enzima NADP-reduttase. Gli ioni H+ necessari a tale conversione
provengono dalla fotofosforilazione dell’ATP. Questa reazione avviene nella fase
luminosa
45. Le reazioni nel tilacoide
STROMA
(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
H2O
THYLAKOID SPACE 1 1/
2 O2
(high H+ concentration) +2 H+ 4 H+
To
Calvin
Cycle
Thylakoid
membrane ATP
synthase
STROMA
ADP
(low H+ concentration)
+ ATP
Pi
H+
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. 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. 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. 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. Il ciclo di Calvin: biofissazione CO2
CO2
La bio-fissazione della CO2 inizia con una reazione col ribulosio bifosfato catalizzata
dall’enzima Rubisco (la proteina più diffusa nella terra). La risultante struttura a sei
atomi di carbonio viene immediatamente idrolizzata a due molecole di fosfoglicerato
(G3P) a tre atomi di carbonio ciascuna.
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. Biosintesi lipidica
Simplified overview of the metabolites and representative pathways in microalgal lipid
biosynthesis shown in black and enzymes shown in red.
ER, endoplasmatic reticulum
ACCase, 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, triacylglycerols
Radakovits R et al. Eukaryotic Cell 2010;9:486-501
53. Aumento della sintesi lipidica:
modificazione genetica
Gli obiettivi sono quelli di individuare i geni responsabili della sintesi degli enzimi
coinvolti nella biosintesi dei lipidi e indurne la sovvraespressione mediante tecniche
di ingegneria genetica. Alcuni studi sono stati effettuati su altre piante e possono
fornire importanti informazioni anche per le alghe.
E’ stato sovra-espresso l’enzima ACCase
nella diatomea C. cryptica e N. Saprophila
con scarsi risultati sulla sintesi lipidica
totale (Dunhaway et al., 1993)
Anche la sovraespressione dell’enzima
KAS in piante quali arabidopsis, spinaci
etc. non ha determinato la maggior
produzione di lipidi (Dehesh et al., 2001)
La sovra-espressione del DAGAT in
arabidospis ha invece determinato
l’incremento della sintesi lipidica anche
del 70% (Jako et al., 2001)
In altre piante la sovra espressione dell’enzima
G3DPH ha determinato un forte incremento della
lipogenesi (Zheng et al., 2008)
54. Difficoltà nella modificazione genetica
Le principali difficoltà nella modifica genetica delle alghe rivolta
all’’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. Controllo biosintetico
Un metodo più semplice per incrementare la sintesi lipidica è quello di
agire dall’esterno della cellula inducendo fattori di stress ambientale o
deprivazione o incremento di specifici nutrienti che influiscono sulla
sintesi 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. Controllo biosintetico
Altri 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
58. Controllo biosintetico: Svantaggi
Purtroppo ad un incremento del contenuto lipidico le condizioni di stress
inducono spesso una riduzione della velocità di crescita delle alghe per cui
la produttività lipidica rimane costante o addirittura diminuisce.
Per poter sfruttare questi metodi e garantire contemporaneamente una
elevata velocità di crescita è quindi necessario individuare configurazioni
reattoristiche a più stadi
Stadio 1 Stadio 2 Stadio 3
• Crescita con • Deprivazione • Estrazione
elevate N e accumulo lipidi
velocità lipidi
Per implementare tali tecniche è necessario un controllo di dettaglio di
tutte le variabili che influenzano il processo di crescita e accumulo dei
lipidi all’interno dei fotobioreattori. Questo può avvenire grazie
oppportuni modelli matematici.
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. Modellazione matematica-1
La modellazione matematica e la simulazione
computazionale 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. Modellazione matematica-2
I modelli matematici e i codici di calcolo sviluppati dal
Programma di Bioingegneria del CRS4 sono basati
principalmente 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. 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. 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. Esempi di applicazione I
Produzione di lipidi da microalghe coltivate con CO2
pura in reattori semicontinui
Coltivazioni in sistema dinamico (fotobioreattore
semicontinuo con agitazione meccanica); Microalga
strain: Chlorella vulgaris; flusso luminoso 100 µE m-2 s-1;
soluzione di nutrienti Kd3; CO2 pura (100 %v/v) diffusa
nella soluzione a 40 ml min-1.
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 olio
Speciazione
Micro e macro
elementi
Cellula
Algale
con
olio Cellula
Algale
con
olio
Bulk liquido
67. Modello matematico
Calcolo della speciazione in funzione del pH (incognito)
2
CH + CCtot ,l
CCO2 ( aq ) =
CH + + K C CH + + K1C K C CH + + K 2 C K1C K C
2 2
2
CH + CCtot ,l
CH 2CO3 = K C
CH + + K C CH + + K1C K C CH + + K 2C K1C K C
2 2
CH + CCtot ,l
CHCO − = K1C K C
3
C 2
H+
+ KC C 2
H+
+ K1C K C CH + + K 2C K1C K C
CCtot ,l
CCO2− = K 2C K1C K C
3
CH + + K C CH + + K1C K C CH + + K 2C K1C K C
2 2
3
CH + CPtot ,l
CH 3 PO4 =
CH + + K1P CH + + K1P K 2 P CH + + K 3 P K 2 P K1P
3 2
2
CH + CPtot ,l
CH − = K1P
2 PO4
CH + + K1P CH + + K1P K 2 P CH + + K 3 P K 2 P K1P
3 2
CH + CPtot ,l
CHPO 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 ,l
CPO3− = 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. Modello matematico-2
Soluzione pH mediante condizione di elettroneutralità
N cat N an
C 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 ,l
µ 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
e
f ( pH ) =
2πσ 2
69. Modello matematico-3
Bilanci 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
dt
Bilanci 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
dt
Bilancio di materia per la biomassa algale
d (VlC X )
= ( µ X − µC ) ⋅ C X ⋅ Vl
dt
Variazioni portate
dV 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 RT
Qg = =Q g
feed
− ⋅ eff
v R l, j j ,l
dt P j =1
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 I
HCO3-=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. Risultati fitting parametri
0,6 8,0
Experimental Data Experimental data
Model fitting Model fitting
0,5 7,5
Microalgae 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. Risultati: predizione
0,6
7,4
Experimental Data 7,2 Experimental data
0,5 Model prediction Model prediction
7,0
Microalgae 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. Risultati con sistemi simili
Buoni risultati sono stati ottenuti anche con sistemi simili che utilizzano
un’altra alga «Nannochloris Eucariotum»
74. Utilità dei risultati in termini industriali
Le ricadute sulla possibile ottimizzazione della tecnologia ottenibili con
la 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 base
dei risultati ottenuti su scala di laboratorio. Ossia si può effettuare lo
«scale-up» !
75. Utilità dei risultati in termini scientifici
Le 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 mirata
evitando un approccio euristico l’impianto su scala industriale sulla
base dei risultati ottenuti su scala di laboratorio. Ossia si può effettuare
lo «scale-up» !
76. Esempi di applicazione II
Produzione di lipidi da microalghe coltivate con CO2
pura in reattori tubolari elicoidali a riciclo con analisi
dell’effetto delle dimensioni delle cellula
Microalga strain: Spirulina platensis;
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. Modello matematico-1
Bilancio 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 0
C j = C0
j
@ t = 0 , ∀z ∈ [0, L ] for j = 1,2
∂C j
vzC 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=L
Bilancio 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 0
CO2 = CO2
0
@ t = 0 , ∀z ∈ [0, L ]
∂CO2
vzCO2 = vzCO2 − ED @ ∀t > 0 , z = 0
∂z
−
z =0 z =0+ +
z =0
∂CO2
=0 @ ∀t > 0 , z = L
∂z z=L
80. Modello matematico-2
Bilancio 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 ' = 1
0
∞
X ( t , z ) = ∫ψ ( m, z ) ⋅ m ⋅ dm
0