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Bioreattore di alghe

Un bioreattore di alghe viene utilizzato per la coltivazione di micro o macroalghe. Le alghe possono essere coltivate ai fini della produzione di biomassa (come in un coltivatore di alghe), trattamento delle acque reflue, fissazione di CO2 o filtrazione di acquari / laghetti sotto forma di uno scrubber di alghe. I bioreattori di alghe variano ampiamente nel design, rientrando ampiamente in due categorie: reattori aperti e reattori chiusi. I reattori aperti sono esposti all'atmosfera mentre i reattori chiusi, detti anche fotobioreattori, sono isolati in varia misura dall'atmosfera. In particolare, i bioreattori di alghe possono essere utilizzati per produrre carburanti come biodiesel e bioetanolo, per generare alimenti per animali o per ridurre inquinanti come NOx e CO2 nei gas di combustione delle centrali elettriche. Fondamentalmente, questo tipo di bioreattore si basa sulla reazione fotosintetica che viene eseguita dalle alghe contenenti clorofilla stessa utilizzando anidride carbonica disciolta ed energia solare. L'anidride carbonica viene dispersa nel fluido del reattore per renderlo accessibile alle alghe. Il bioreattore deve essere realizzato in materiale trasparente.

Le alghe sono organismi fotoautotrofi che eseguono la fotosintesi ossigenata.

L'equazione per la fotosintesi:

6CO2 + 6H2O⟶C6H12O6 + 6O2ΔH0 = + 2870 kJmol {\ displaystyle {\ begin {matrix} \ mathrm {6 \; CO_ {2} +6 \; H_ {2} O \ quad \ longrightarrow \; C_ {6} H_ {12} O_ {6} +6 \; O_ {2}} \ qquad \ Delta H ^ {0} = + 2870 \ {\ frac {\ mathrm {kJ}} {\ mathrm {mol}}} \ end { matrice}}}

Sfondo storico

Alcuni dei primi esperimenti con l'obiettivo di coltivare le alghe furono condotti nel 1957 dalla "Carnegie Institution" di Washington. In questi esperimenti, la clorella monocellulare veniva coltivata aggiungendo CO2 e alcuni minerali. All'inizio venivano usati i bioreattori che erano fatti di vetro e successivamente cambiati in una specie di sacchetto di plastica. L'obiettivo di tutta questa ricerca è stata la coltivazione di alghe per produrre alimenti per animali a basso costo.

Tipi di reattori fotografici usati di frequente

Al giorno d'oggi 3 tipi base di fotobioreattori di alghe devono essere differenziati, ma il fattore determinante è il parametro unificante - l'intensità disponibile dell'energia della luce solare.

Fotobioreattore a piastre

Un reattore a piastre è semplicemente costituito da scatole rettangolari disposte verticalmente o inclinate che sono spesso divise in due parti per effettuare un'agitazione del fluido del reattore. Generalmente queste caselle sono organizzate su un sistema collegandole. Tali connessioni sono anche utilizzate per facilitare il processo di riempimento / svuotamento, introduzione di gas e trasporto di sostanze nutritive. L'introduzione del gas di combustione avviene principalmente nella parte inferiore della scatola per garantire che l'anidride carbonica abbia abbastanza tempo per interagire con le alghe nel fluido del reattore.

Fotobioreattore tubolare

Un reattore tubolare è costituito da tubi disposti verticalmente o orizzontalmente, collegati tra loro a un sistema di tubi. Il fluido sospeso alle alghe è in grado di circolare in questo tubo. I tubi sono generalmente realizzati in plastica trasparente o vetro borosilicato e la circolazione costante è mantenuta da una pompa all'estremità del sistema. L'introduzione del gas avviene alla fine / all'inizio del sistema di tubi. Questo modo di introdurre gas provoca il problema della carenza di anidride carbonica, alta concentrazione di ossigeno alla fine dell'unità durante la circolazione e cattiva efficienza.

Fotobioreattore a colonna di bolle

Un reattore fotografico a colonna di bolle è costituito da una colonna cilindrica disposta in verticale, realizzata in materiale trasparente. L'introduzione del gas avviene nella parte inferiore della colonna e provoca un flusso turbolento per consentire uno scambio di gas ottimale. Attualmente questi tipi di reattori sono costruiti con un diametro massimo di 20 cm a 30 cm per garantire la fornitura necessaria di energia solare.

Il più grande problema con la costruzione determinata dalla luce solare è la dimensione limitata del diametro. Feuermann et al. ha inventato un metodo per raccogliere la luce solare con un collettore a forma di cono e trasferirlo con alcuni cavi in ​​fibra di vetro che sono adattati al reattore al fine di consentire la costruzione di un reattore a colonna con diametri più ampi. - su questa scala il consumo di energia dovuto alle pompe ecc. e il costo di CO2 della fabbricazione possono superare la CO2 catturata dal reattore.

Uso industriale

La coltivazione di alghe in un fotobioreattore crea una gamma ristretta di possibilità di applicazione industriale. Alcune società elettriche hanno già istituito strutture di ricerca con fotobioreattori per alghe per scoprire quanto potrebbero essere efficienti nel ridurre le emissioni di CO2, che sono contenute nei gas di combustione, e quanta biomassa verrà prodotta. La biomassa di alghe ha molti usi e può essere venduta per generare entrate aggiuntive. Il volume di emissioni risparmiato può portare anche un reddito, vendendo crediti di emissione ad altre società elettriche.

L'uso delle alghe come cibo è molto comune nelle regioni dell'Asia orientale. La maggior parte delle specie contiene solo una frazione di proteine ​​e carboidrati utilizzabili e molti minerali e oligoelementi. In generale, il consumo di alghe dovrebbe essere minimo a causa dell'elevato contenuto di iodio, particolarmente problematico per quelli con ipertiroidismo. Allo stesso modo, molte specie di alghe diatomacee producono composti non sicuri per l'uomo. Le alghe, in particolare alcune specie che contengono oltre il 50% di olio e molti carboidrati, possono essere utilizzate per produrre biodiesel e bioetanolo estraendo e raffinando le frazioni. Questo punto è molto interessante, perché la biomassa di alghe viene generata 30 volte più velocemente di una certa biomassa agricola, che viene comunemente utilizzata per la produzione di biodiesel.