Dottorato in “Scienze, tecnologie e processi chimici” XX Ciclo

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1 Dottorato in “Scienze, tecnologie e processi chimici” XX Ciclo
Annalisa Prassone Dottorato in “Scienze, tecnologie e processi chimici” XX Ciclo Fotobioreattori a microalghe per la depurazione di acque di scarico civili 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

2 FITODEPURAZIONE FITODEPURAZIONE
Tecnologie ecocompatibili per il trattamento dei reflui SISTEMI DI DEPURAZIONE NATURALI FITODEPURAZIONE Tecnica di trattamento dei reflui con l’impiego di alghe e piante superiori Ricostruzione habitat naturale in ambiente controllato MAGGIORE EFFICACIA RIMOZIONE INQUINANTI 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

3 Grandi sacche in polietilene
Sistemi esistenti in commercio INDOOR Grandi sacche in polietilene Impianti con elementi piani o tubolari Utilizzo luce artificiale Visione dei tubi trasparenti illuminati artificialmente (BioFence- Cellpharm) 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

4 OUTDOOR Vasche all’aria aperta Sottili pannelli o tubi
disposti orizzontalmente Utilizzo luce solare Vasche all’aria aperta. Yaeyama - Giappone Sottili pannelli. Scandicci, Firenze - Italia Fotobioreattore tubolare. Almeria - Spagna 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

5 Obiettivo è stato Per raggiungere tale obiettivo
Progettazione e realizzazione di fotobioreattori in grado di ottimizzare la crescita della biomassa l’abbattimento dei nutrienti Per raggiungere tale obiettivo Sono stati costruiti in laboratorio due impianti che sviluppano lo stesso processo con differenti caratteristiche, soprattutto per quanto riguarda il sistema di illuminamento Sono stati installati due impianti presso il depuratore di Assago 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

6 Gli impianti realizzati presso i laboratori del DICHEP
sono previsti per utilizzazioni di tipo INDOOR. Sono possibili due alternative per la ricircolazione del liquido: pompe air-lift Le pompe, di qualsiasi tipo, possono provocare danni alla biomassa algale in circolazione, pertanto si è preferito utilizzare l’air-lift. Parametri fondamentali di progetto sono stati: velocità dell’aria in ingresso turbolenza dimensione dei microvortici cicli luce/ buio 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

7 I parametri fluidodinamici nella letteratura
Velocità dell’aria in ingresso UG La formazione di bolle da un singolo orifizio è stato oggetto di numerosi studi, sia sperimentali che teorici (Kumar et al., 1999) e (Clift et al., 1978). La produzione di bolle si può dividere in tre differenti tipologie: regime di singole bolle Bubble flow regime regime intermedio Churn turbulent flow regime “jet”. Secondo Chisti (1989), il passaggio da una tipologia all’altra è funzione della velocità di ingresso dell’aria nel riser UG, in particolare si verifica: Bubble flow regime per una velocità del gas UG  0,05 [m/s] Churn turbulent flow per UG  0,05 [m/s] Regime “jet” per UG  0,05 [m/s]. Le condizioni di processo ottimali si sviluppano in Churn turbulent flow. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

8 Turbolenza Secondo Chisti (1999) e Acién Fernandez et al. (2001), la velocità del flusso nei reattori tubolari deve essere sufficientemente alta da assicurare un flusso turbolento, ovvero un numero di Reynolds > 2500, idonea ad evitare la stagnazione delle cellule algali. Un’eccessiva turbolenza può tuttavia danneggiare le cellule, ciò pone un limite superiore alla velocità. In generale l’input di energia che consente lo scorrimento del liquido nell’impianto deve essere tale da determinare microvortici di dimensioni maggiori di quelle delle cellule algali. Il parametro è rappresentato semplicemente dal valore del numero di Reynolds che si verifica nel Riser, la cui formula è: ove: R = raggio idraulico = Ω/p [m] Ω = superficie bagnata [m2] p = perimetro bagnato [m] ρ = densità del fluido [kg m-3] µL= viscosità dinamica della coltura algale [kg m-1 s-1]; νL= viscosità cinematica assunta pari a 9,6 · 10-7 [m2/s]. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

9 La determinazione del numero di Reynolds e degli altri parametri richiede la conoscenza della velocità di risalita del liquido nel Riser UL. Chisti ( ) ha individuato la seguente relazione, basata sul principio di conservazione dell’energia, valida per determinare UL nel caso di un fluido contenente una coltura algale, in condizioni simili, anche se non del tutto identiche a quelle degli impianti in esame g = accelerazione di gravità [m/s2] r = hold up nel Riser d = hold up nel Downcomer hr = altezza di lavoro del Riser [m] Kr = coefficiente d’attrito nel Riser Kt = coefficiente d’attrito nel Downcomer Ar = sezione retta del Riser [m2] Ad = sezione retta nel Downcomer [m2] 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

10 Dimensione dei microvortici
La grandezza dei microvortici  è stimata applicando la teoria isotropica locale di Kolmogoroff (Kawase et Moo-Young, 1990): ove: λ = lunghezza dei microvortici [μm]; µL = viscosità dinamica del fluido [kg m-1s-1]; ξ = dissipazione di energia per unità di massa [ Js-1kg-1]; ρ = densità fluido [kgm-3]. La dissipazione di energia dentro al tubo dipende dalla caduta di pressione, cioè dalle perdite di carico : ove: R = raggio idraulico UL = velocità del liquido nel Riser [m/s]; Cf = coefficiente d’attrito di Fanning. Il fattore di attrito deve essere stimato usando l’equazione di Blasius: Cf = 0,0791 Re - 0,25 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

11 che presentano le seguenti caratteristiche.
Cicli di luce/buio Degen et al. (2001) hanno studiato l’utilizzo della luce nei fotobioreattori, affermando che la conversione di energia radiante in energia chimica e conseguentemente in biomassa, può essere incrementata se le alghe compiono ripetutamente un ciclo fra fase luminosa e fase buia (o comunque meno luminosa), con un rapporto temporale luce/buio considerato ottimale di 1/10. Questo aumento di produttività dovuto a cicli luce/buio di determinata frequenza è conosciuto come effetto “flashing-light” (Kok, 1956 e Terry, 1986). In funzione dei parametri desunti dalla letteratura sono stati realizzati gli impianti denominati D1 e D2 che presentano le seguenti caratteristiche. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

12 Impianto D1 Insufflazione CO2 Idrociclone Downcomer Sistema
illuminante Spurgo Fotobioreattore Riser Insufflazione Aria 60 Nl/h Airlift Caratteristiche sistema illuminante Posizionamento delle lampade Assiale esterno Numero di lampade 4 disposte in due gruppi Tipo Osram L58W/20 Potenza 58 Watt Intensità luminosa alla sup. della lampada* 500 µEinstein/m2s Distanza dal fotobioreattore 17 cm Lunghezza illuminata del fotobioreattore 152,5 Caratteristiche del Riser Altezza totale colonna 220,00 cm Altezza di lavoro 152,50 Diametro interno 6,00 Sezione retta 28,27 cm2 Volume totale 6220,35 cm3 Volume di lavoro 4311,83 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

13 I parametri calcolati sono:
IMPIANTO D1 Velocità dell’aria in ingresso UG 0,073 m/s Velocità del liquido UL Numero di Reynolds Re 4563 Dimensione dei microvortici  290 m Rapporto luce/buio 4,48 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

14 Impianto D2 Insufflazione CO2 Fotobioreattore con sistema illuminante
incorporato Riser Raffreddatore interno Downcomer Insufflazione aria 30 Nl/h Spurgo Caratteristiche sistema illuminante Airlift Posizionamento delle lampade Assiale interno Numero di lampade 1 Tipo SylvaniaGroLuxF30W/GRO Lunghezza effettiva delle lampade 87 cm Potenza 30 Watt Intensità luminosa alla sup. della lampada 200 µEinstein/m2s Lunghezza illuminata del fotobio­reat­to­re 80 Caratteristiche del Riser Altezza totale utile colonna 87,00 cm Altezza di lavoro 80,00 Diametro interno 3,50 Diametro lampada 2,60 Sezione retta  4,31 cm2 Volume totale 375,13 cm3 Volume di lavoro 344,95 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

15 I parametri calcolati sono:
IMPIANTO D2 Velocità dell’aria in ingresso UG 0,054 m/s Velocità del liquido UL 0,036 Numero di Reynolds Re 3375 Dimensione dei microvortici  300 m Rapporto luce/buio 15,7 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

16 Parametri illuminotecnici
Le misure illuminotecniche sono state eseguite ad intervalli regolari lungo lo sviluppo assiale del fotobioreattore sia dal lato illuminato, che da quello diametralmente opposto, definito come buio. Si è constatata la costanza delle condizioni di illuminamento lungo l’intera lunghezza del fotobioreattore, fatta eccezione per le zone terminali, che risultano lievemente meno illuminate. La scarsa rilevanza di questi fenomeni permette tuttavia di ritenere costanti i parametri illuminotecnici lungo l’intero fotobioreattore. Per le misure illuminotecniche, si è utilizzato un radiometro collegando ad esso una sonda radiometrica per la misura delle radiazioni nella banda PAR (Photosyntetically Active Radiation). In tale intervallo gli organismi, quali le alghe, utilizzano l’energia raggiante disponibile, in funzione dei tipi di pigmenti che corredano il loro apparato fotosintetico. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

17 Calcolo dei coefficienti di assorbimento delle cellule algali
L’attenuazione luminosa provocata dalla biomassa all’interno del fotobioreattore genera un profilo di illuminazione eterogeneo; perciò è di fondamentale importanza stabilire una legge matematica che permetta la valutazione dell’intensità luminosa media da cui dipende la crescita delle alghe. L’ attenuazione è abitualmente espressa dalla legge di Lambert-Beer: I = Io· e –L·Ka·SS ove: Io = intensità di luce incidente [ μE m-2s-1 ] I = intensità di luce attenuata dalla biomassa [ μE m-2s-1 ] SS = concentrazione della biomassa [ cell/l ] o [ g/l ] L = lunghezza del cammino percorso dalla luce [ cm ] Ka = coefficiente di assorbimento delle cellule [ cm·OD ] -1 o [ m2g-1 ] 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

18 I grafici seguenti mostrano l’attenuazione della luce, rispettivamente dell’impianto D1 e D2, per diverse concentrazioni della biomassa. La distanza percorsa dalla luce è pari al diametro del fotobioreattore (6 cm) nell’impianto D1, mentre è pari alla distanza tra il neon e la superficie esterna del reattore tubolare (0,45 cm) nell’impianto D2. All’aumentare della concentrazione algale, in entrambi gli impianti, aumenta l’attenuazione della luce e quindi il coeff. di assorbimento Ka. Per ogni concentrazione di cellule è stato quindi determinato il coeff. Di assorbimento. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

19 In base alla legge di Lambert - Beer per gli impianti D1 e D2 sono stati calcolati rispettivamente:
Ka1 = 0,0874 [m2/g] Ka2 = 0,4447 [m2/g] Per cui risulta: Ka2 >> Ka1. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

20 Crescita della biomassa in funzione della luce emessa
Normalizzando la crescita di biomassa in funzione della luce emessa, si evidenziano le migliori prestazioni dell’impianto D2 rispetto all’impianto D1. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

21 Entrambi gli impianti hanno dimostrato la loro validità in termini di:
produzione di biomassa abbattimento dei nutrienti Tale validità è stata conseguita grazie all’ottimizzazione di: parametri fluidodinamici parametri illuminotecnici tecnica di gestione Al momento del trasferimento di questi impianti in una realtà industriale, la scelta definitiva dovrà prendere in considerazione aspetti specifici quali: finalità cui l’impianto dovrà assolvere: prevalente produzione di biomassa o abbattimento dei nutrienti disponibilità di spazio per l’installazione: gli impianti tipo D2 sono più compatti Gli impianti tipo D2 presentano consumi energetici più contenuti. E’ tuttavia da tenere presente la maggior complessità dal punto di vista realizzativo e manutentivo del fotobioreattore di tipo D2, dovuta all’inserimento del sistema illuminante all’interno del fotobioreattore. Perfettamente analoghe ed ugualmente semplici sono invece le tecniche gestionali di processo. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

22 IMPIANTO DI ASSAGO POPOLAZIONE SERVITA 140000 AE
PORTATA ORARIA DI CALCOLO QC 3744 [m3/ora] BODTOT IN INGRESSO 11760 [kg/giorno] APPORTO DI SOLIDI SOSPESI TOTALI 10220 [kg/giorno] APPORTO DI AZOTO 1540 [kg/giorno] APPORTO DI FOFORO 238 [kg/giorno] Data pH N-NO3 [mg/l] N-NO2 [mg/l] N-NH4 [mg/l] P-PO4 [mg/l] TOC [mg/l] 25/09/07 7.18 5.275 1.081 10.975 0.589 7.664 02/10/07 7.29 6.664 0.691 3.414 1.152 9.457 09/10/07 7.09 9.122 0.497 3.171 1.526 15.885 17/10/07 7.12 8.374 0.836 9.146 1.848 35.540 13/11/07 7.16 1.428 0.041 21.584 14.502 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

23 INTERVALLI OTTIMALI DI CRESCITA:
L’alga impiegata citoplasma pirenoide parete nucleo cloroplasto Specie: Scenedesmus Classe: Chlorophyceae INTERVALLI OTTIMALI DI CRESCITA: T = °C pH = 5 - 9 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

24 Impianto tubolare a sviluppo orizzontale
Diametro interno singolo tubo 41 mm Lunghezza singolo tubo 2 mm Numero tubi 6 Volume totale tubi 15.06 l Volume vasca downcomer 18.13 l Volume totale lavoro 34 l Modalità illuminazione luce naturale Messa in ricircolo della biomassa mediante pompa esterna 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

25 Dati di partenza pH 6.90 Concentrazione biomassa 0.11 g/l Concentrazione di N-NO3 27.22 mg/l Concentrazione di N-NH4 19.02 mg/l Concentrazione di P-PO4 5.92 mg/l La prima fase della durata di circa 7 giorni è stata caratterizzata dall’adattamento della specie algale alle nuove condizioni sperimentali e da una successiva crescita della biomassa. Indice del corretto funzionamento del sistema è stato l’andamento crescente del pH, da un valore iniziale di 6.5 a un valore di 8.06; poiché il sistema non viene aerato, all’aumentare della biomassa viene meno la fonte di carbonio sottoforma di CO2. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

26 La seconda fase, della durata di circa 2 mesi, ha riguardato l’abbattimento dei nutrienti presenti nel refluo di alimentazione. La campagna è stata suddivisa in cicli della durata di circa 7 giorni. Tale suddivisione è avvenuta in corrispondenza di spurghi e successive alimentazioni effettuati per garantire l’equilibrio del sistema. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

27 Dall’analisi dei dati raccolti durante l’intera campagna di sperimentazione si è verificato che sono state raggiunte efficienze di abbattimento dell’ordine di: 100% N-NH4 90% N-NO3 100% P-PO4 tempo 168 h Abb. di ammonio  3,93 g N-NH4 / Kg biom d Abb di nitrati  8,54 g N-NO3 / Kg biom d Abb dei fosfati  0,90 g P-PO4 / Kg biom d Abb % N-NH4 giornaliero 100,00 % Abb % N-NO3 90,70 Abb % P-PO4 Durante la sperimentazione non si è riscontrata crescita eccessiva di biomassa in quanto il sistema biologico è stato tenuto in carenza di nutrienti, la concentrazione massima raggiunta è stata di g/l. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

28 Impianto air-lift a sviluppo verticale
Diametro interno downcomer 80 mm Diametro interno riser 35 mm Altezza reattore (esclusa la zona di separazione) 1640 mm Altezza riser 1350 mm Volume di lavoro 9.5 l Modalità illuminazione luce naturale Messa in ricircolo della biomassa mediante air-lift con immissione aria a bolle 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

29 Dati di partenza pH 7.33 Concentrazione biomassa 0.017 g/l Concentrazione di N-NO3 5.49 mg/l Concentrazione di N-NH4 9.15 mg/l Concentrazione di P-PO4 0.19 mg/l Per quanto riguarda la gestione dell’impianto a sviluppo verticale si sono adoperate le stesse modalità operative dell’impianto precedentemente descritto. Anche in questo caso la fase di adattamento della biomassa è stata della durata di circa 7 giorni. L’andamento crescente del pH conferma il buon funzionamento del sistema. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

30 La seconda fase, della durata di circa 2 mesi, ha riguardato l’abbattimento dei nutrienti presenti nel refluo di alimentazione. La campagna è stata suddivisa in cicli della durata di circa 7 giorni. Tale suddivisione è avvenuta in corrispondenza di spurghi e successive alimentazioni effettuati per garantire l’equilibrio del sistema. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

31 In questa tipologia impiantistica si sono raggiunte efficienze di abbattimento di circa:
93 % N-NH4 2 % N-NO3 100% P-PO4 tempo 168 h Abb. di ammonio  17,18 g N-NH4 / Kg biom d Abb. di nitrati  0,22 g N-NO3 / Kg biom d Abb. dei fosfati  0,38 g P-PO4 / Kg biom d Abb. % N-NH4 giornaliero 93,33 % Abb. % N-NO3 1,95 Abb. % P-PO4 100,00 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

32 Analogamente presso i laboratori del DICheP si è proceduto ad una sperimentazione in batch con la stessa coltura algale e lo stesso refluo di alimentazione. Essa ha riguardato un fermentatore di capacità 5 l, dotato di agitazione a 170 rpm e di insufflazione di CO2 mediante elettrovalvola automatizzata che attacca a valori di pH superiori a 8.2 e stacca a valori inferiori a 6.5. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

33 Per una valutazione più approfondita delle cinetiche di rimozione si sono effettuate stime orarie delle concentrazioni dei nutrienti. Abbattimenti pressocchè totali sono stati raggiunti in sei ore. tempo 6 h Abb. % N-NH4 98.51 % Abb. % N-NO3 87.94 Abb. % P-PO4 98.55 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

34 Tale tasso è espresso dalla seguente relazione: µ = ln C/C0* 1/t dove:
E’ stata inoltre stimata quotidianamente la biomassa algale, che ha raggiunto un valore massimo di g/l. La crescita della biomassa è stata valutata in funzione del tasso specifico di crescita nella fase esponenziale. Tale tasso è espresso dalla seguente relazione: µ = ln C/C0* 1/t dove: µ = tasso specifico esponenziale di crescita della biomassa espresso in giorni-1 C = concentrazione di biomassa espressa in milligrammi/litro C0 = concentrazione iniziale di biomassa espressa in milligrammi/litro t = tempo di generazione espresso in giorni. Il valore massimo di tale tasso è stato giorni-1. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

35 Si può concludere che entrambi le tipologie impiantistiche risultano valide ed efficienti per l’abbattimento dei nutrienti, pur presentando dei limiti di gestione che potrebbero essere superati effettuando nuove sperimentazioni. A tale riguardo sarebbe necessario prevedere alimentazioni in continuo del refluo agli impianti. Per quanto riguardo la produzione di biomassa gli impianti non sono stati particolarmente efficienti a causa della bassa concentrazione di nutrienti nel refluo di alimentazione proveniente dal sedimentatore secondario. E’ attualmente in atto una fase riguardante l’ottimizzazione del contenuto lipidico dell’alga, anche cambiando la specie algale in uso, così da poter verificare la possibilità di estrarre biodiesel o combustibili alternativi dalla biomassa algale. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP