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Candidata: Iryna Boika Laurea Magistrale in Biotecnologie ambientali ed industriali 1 Coltivazione di microalghe per la produzione di lipidi e carboidrati:

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1 Candidata: Iryna Boika Laurea Magistrale in Biotecnologie ambientali ed industriali 1 Coltivazione di microalghe per la produzione di lipidi e carboidrati: utilizzo di reflui oleari Relatore: Prof.ssa Francesca Pagnanelli Facoltà di scienze fisiche, matematiche e naturali

2 2 Microrganismi fotosintetici Microalghe  specie descritte (elevata biodiversità)  Specie eucariotiche e procariotiche  Unicellulari (possono tuttavia crescere in colonie)  Presenti sia in acqua dolce che in acqua salata  Dimensioni generalmente tra 2 e 40 µm

3 Pagina 3 Metabolismo algale Glucosio Glicerolo Acetato Metabolismo autotrofico Metabolismo eterotrofico Metabolismo mixotrofico nitrati fosfati

4 4 Metabolismo Accumulo di lipidi in Scenedesmus sp. durante diversi giorni di N-starvation

5 5 Produzione di biocarburanti e fine chemical da microalghe Lipidi Proteine Carboidrati Biodiesel Biometano Integratori per mangimi Polimeri Integratori nutraceutici Bioetanolo biomassa

6 6 Scopo della tesi Ottimizzazione delle tecniche di coltivazione delle microalghe al fine di superare le problematiche che ne limitano la competitività Riduzione costi di impianto  l’utilizzo di acqua di rete e di acque di vegetazione di frantoi oleari (AVO) nella formulazione del mezzo colturale per la crescita di microalghe.  Analisi dell’effetto di diversi fattori su crescita algale, composizione della biomassa e riduzione del carico inquinante del refluo Pretrattamento di AVO; Concentrazione azoto e micronutrienti; Strategie di alimentazione dell’AVO codepurazione reflui Sviluppo processi integrati Ottimizzazione parametri operativi Aumento produzione biomassa nelle condizioni mixotrofiche/eterotrofiche

7 7 Unico ceppo, tra quelli testati, in grado di crescere nelle condizioni di impianto Alghe Energetiche Progetto Alghe Energetiche Selezione del ceppo Ceppo di Scenedesmus sp. selezionato nelle fasi di avviamento dell’impianto pilota nel progetto Alghe Energetiche

8 8 Sviluppo processo integrato ParametroValore± Δ Fenoli (g∙l -1 ) Zuccheri riducenti (g∙l -1 ) Solidi sospesi (ml∙l -1 )24020 Solidi totali (g∙l -1 ) Residuo secco 105 ° (%) H 2 O (%) COD (g∙l -1 )495 pH PO 4 3- (mg∙l -1 )13471 Densità (g∙ml -1 ) Ferro (mg∙l -1 )101 C (%)40 5 H (%)5 1 N (%) S (%) Composizione AVO Acqua di vegetazione dei frantoi oleari (AVO) scelta come refluo o Produzione stimata in Italia: 2 milioni di t/anno o Difficoltà di smaltimento per l’elevato carico organico e l’elevata presenza di fenoli (azione antimicrobica e fitotossica, biodegradabilità limitata) o Scenedesmus sp. è in grado di degradare i fenoli

9 9 Riduzione Zuccheri 55% Fenoli 90% Lipidi: 33 ±3 % Carboidrati: 21 ±2% Conc. di nitrati 1100 mg/L Valutazione effetto del pretrattamento di AVO con i carboni attivi

10 10 Aumento significativo di carboidrati dal 20±2% al 36±1% 1,6 g/L 1,3 g/L Valutazione effetto della concentrazione dei nitrati

11 11 MS = mezzo standard BG 11 AR = mezzo da acqua di rete Aumento dei carboidrati 3443 dal 34 % al 43 % nelle alghe coltivate in MS 2144 dal 21% al 44% nelle alghe coltivate in AR Valutazione effetto aggiunta AVO (9%) e uso del mezzo preparato da acqua di rete

12 12 Aggiunta AVO Rimozione Zuccheri in AVO: “Iniziale” 74±4 % “graduale” 62,7±0,3 % “finale” 13±3% Aumento di carboidrati nella biomassa da 21 a 32 % Valutazione dell’effetto di diverse strategie di alimentazione con AVO

13 13 Lipidi: 23 % Carboidrati: 23% Rimozione a fine test Fenoli: 64± 7% COD: 67±9 % zuccheri: 71±5 % Lipidi: 25 % Carboidrati: 36 % Rimozione a 17 gg zuccheri: 61±4 % Valutazione dell’effetto di EDTA e micronutrienti

14 14 Valutazione effetto di diverse strategie di alimentazione di AVO sulla produttività di lipidi e carboidrati

15 15 Scelta strategia migliore “Graduale” Rimozione fine test “graduale” Fenoli – 70±1% Carboidrati - 60±4% Rimozione 14 gg “graduale” Fenoli - 24±2% Carboidrati - 60±4% Max produttività Biomassa 57,4±0,3 mg/L/d lipidi 30±2 mg/L/d Carboidrati 37±2 mg/L/d Riduzione produttività Biomassa 42±2 mg/L/d lipidi 7,7±0,2 mg/L/d carboidrati 12,06±0,08 mg/L/d

16 16  L’utilizzo di acqua di rete e AVO non trattata nella formulazione del mezzo colturale per la crescita di Scenedesmus sp.; riduzione della concentrazione di nitrati a 250 mg/L.  composti tossici presenti in AVO determinano una riduzione della produttività della biomassa a 20±5 mg/L/d rispetto a 50,8±0,1 mg/L/d senza aggiunta di AVO; tuttavia il contenuto di carboidrati nella biomassa raddoppia 44±4% rispetto al 24,4±0,8% senza aggiunta di AVO.  Le Strategie “graduale” e “finale” permetono di ridurre il carico tossico di AVO per unità di cellula mantenendo il contenuto di lipidi/carboidrati elevato La produttività di biomassa a 13 gg di coltivazione 63,7±0,7 mg/L/d per il trattamento “graduale” 77,8±0,7 mg/L/d per il trattamento “finale” 31,9±12 mg/L/d per il trattamento “iniziale” il contenuto lipidico (30±7%) e dei carboidrati (32±3%).  La strategia “graduale” ha dato i risultati più promettenti dopo 14 giorni di coltivazione: produttività di biomassa (57,4±0,3 mg/L/d), di lipidi (30±2 mg/L/d) e di carboidrati (37±2 mg/L/d) una riduzione significativa del carico organico presente in AVO (60±4% della concentrazione totale di zuccheri e 24±2% di quella di fenoli).  Riduzione ulteriore della quantità di composti polifenolici richiede i tempi di coltivazione più lunghi e comporta una diminuzione rilevante della produttività di carboidrati (12,06±0,08 mg/L/d) e lipidi (7,7±0,2 mg/L/d). Conclusioni Razionalizzazione dei costi dell’impianto per coltivazione di Scenedesmus sp. Alta produttività di biomassa 57,4±0,3 mg/L/d, di lipidi 30±2 mg/L/d di carboidrati 30±2 mg/L/d codepurazione del refluo riduzione zuccheri 60±4% riduzione fenoli 24±2% riduzione fenoli 24±2% Dopo 14 giorni Strategia “graduale”

17 17 Grazie per l’attenzione


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