Carburante di alghe, biocarburanti algali o olio di alghe è un’alternativa ai combustibili fossili liquidi che utilizzano le alghe come fonte di oli ricchi di energia. Inoltre, i combustibili di alghe sono un’alternativa alle fonti di biocarburanti comunemente note, come mais e canna da zucchero. Diverse aziende e agenzie governative stanno finanziando gli sforzi per ridurre i costi di capitale e operativi e rendere commercialmente redditizia la produzione di combustibile per alghe. Come il combustibile fossile, il carburante delle alghe rilascia CO2 quando è bruciato, ma a differenza dei combustibili fossili, il combustibile a base di alghe e altri biocarburanti rilasciano solo CO2 recentemente rimossa dall’atmosfera tramite la fotosintesi quando le alghe o le piante crescono. La crisi energetica e la crisi alimentare mondiale hanno acceso l’interesse per l’algacoltura (allevamento di alghe) per produrre biodiesel e altri biocarburanti utilizzando terreni non adatti all’agricoltura. Tra le caratteristiche attrattive dei carburanti algali si può affermare che possono essere coltivate con un impatto minimo sulle risorse di acqua dolce, possono essere prodotte utilizzando acqua salata e acque reflue, avere un elevato punto di infiammabilità e sono biodegradabili e relativamente innocui per l’ambiente in caso di fuoriuscita. Le alghe costano di più per unità di massa rispetto ad altre colture di biocarburanti di seconda generazione a causa degli alti costi di capitale e operativi, ma si pretende di produrre tra 10 e 100 volte più carburante per unità di superficie. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti stima che se il carburante delle alghe sostituisse tutto il combustibile del petrolio negli Stati Uniti, richiederebbe 15.000 miglia quadrate (39.000 km2), che è solo lo 0.42% della mappa degli Stati Uniti, o circa la metà della superficie terrestre di Maine. Questo è meno di 1/7 l’area di grano raccolto negli Stati Uniti nel 2000.

Il capo della Algal Biomass Organization ha dichiarato nel 2010 che il carburante per alghe potrebbe raggiungere la parità di prezzo con il petrolio nel 2018 se concesso crediti di imposta sulla produzione. Tuttavia, nel 2013, il presidente e CEO di Exxon Mobil, Rex Tillerson, ha affermato che dopo aver impegnato fino a $ 600 milioni in 10 anni di sviluppo in una joint venture con Synthetic Genomics di J. Craig Venter nel 2009, Exxon si è ritirato dopo quattro anni (e $ 100 milioni) quando si rese conto che il carburante delle alghe è “probabilmente più lontano” di 25 anni dalla redditività commerciale. D’altra parte, Solazyme, Sapphire Energy e Algenol, tra gli altri hanno iniziato la vendita commerciale di biocarburanti algali nel 2012 e nel 2013, e nel 2015, rispettivamente. Entro il 2017, la maggior parte degli sforzi sono stati abbandonati o modificati in altre applicazioni, con solo pochi rimasti.

Storia
Nel 1942 Harder e Von Witsch furono i primi a proporre che le microalghe venissero coltivate come fonte di lipidi per cibo o carburante. Dopo la seconda guerra mondiale, negli Stati Uniti, Germania, Giappone, Inghilterra e Israele sono iniziate le ricerche su tecniche colturali e sistemi ingegneristici per la coltivazione di microalghe su scale più grandi, in particolare le specie del genere Chlorella. Nel frattempo, H.G. Aach ha dimostrato che Chlorella pyrenoidosa potrebbe essere indotta attraverso la carenza di azoto per accumulare fino al 70% del suo peso secco come lipidi. Poiché la necessità di carburanti alternativi per il trasporto si era attenuata dopo la seconda guerra mondiale, la ricerca in questo momento si concentrava sulla coltura delle alghe come fonte di cibo o, in alcuni casi, per il trattamento delle acque reflue.

L’interesse per l’applicazione delle alghe per i biocarburanti è stato riacceso durante l’embargo petrolifero e gli aumenti dei prezzi del petrolio degli anni ’70, portando il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ad avviare il Programma di Specie Acquatiche nel 1978. Il Programma di Specie Acquatiche ha speso 25 milioni di dollari in 18 anni con l’obiettivo di sviluppare combustibili liquidi per il trasporto dalle alghe che sarebbero competitivi sul prezzo con i combustibili derivati ​​dal petrolio. Il programma di ricerca si è concentrato sulla coltivazione di microalghe in bacini aperti all’aperto, sistemi a basso costo ma vulnerabili a disturbi ambientali come sbalzi di temperatura e invasioni biologiche. 3.000 varietà di alghe sono state raccolte da tutto il paese e sottoposte a screening per proprietà desiderabili quali alta produttività, contenuto lipidico e tolleranza termica, e le varietà più promettenti sono state incluse nella raccolta di microalghe SERI presso il Solar Energy Research Institute (SERI) di Golden, Colorado e utilizzato per ulteriori ricerche. Tra le scoperte più significative del programma, la rapida crescita e l’elevata produzione lipidica erano “mutuamente esclusive”, poiché le prime richiedevano alte sostanze nutritive e quest’ultima richiedeva bassi nutrienti. La relazione finale ha suggerito che l’ingegneria genetica potrebbe essere necessaria per superare questa e altre limitazioni naturali dei ceppi algali e che la specie ideale potrebbe variare in base al luogo e alla stagione. Anche se è stato dimostrato con successo che la produzione su larga scala di alghe per il carburante negli stagni all’aperto era fattibile, il programma non è riuscito a farlo ad un costo competitivo rispetto al petrolio, soprattutto con il crollo dei prezzi del petrolio negli anni ’90. Anche nel migliore dei casi, si stima che il petrolio algale non estratto costerebbe $ 59-186 al barile, mentre il petrolio è costato meno di $ 20 al barile nel 1995. Pertanto, sotto pressione di bilancio nel 1996, il Programma delle specie acquatiche è stato abbandonato.

Altri contributi alla ricerca sui biocarburanti algali derivano indirettamente da progetti incentrati su diverse applicazioni delle colture algali. Ad esempio, negli anni ’90 il Japan’s Research Institute of Innovative Technology for the Earth (RITE) ha implementato un programma di ricerca con l’obiettivo di sviluppare sistemi per fissare la CO2 utilizzando le microalghe. Sebbene l’obiettivo non fosse la produzione di energia, diversi studi prodotti dal RITE hanno dimostrato che le alghe potevano essere coltivate utilizzando i gas di scarico delle centrali elettriche come fonte di CO2, un importante sviluppo per la ricerca di biocarburanti algali. Altri lavori incentrati sulla raccolta di gas idrogeno, metano o etanolo dalle alghe, così come integratori nutrizionali e composti farmaceutici, hanno anche contribuito a informare la ricerca sulla produzione di biocarburanti dalle alghe.

In seguito allo scioglimento del programma delle specie acquatiche nel 1996, si è verificata una relativa pausa nella ricerca di biocarburanti algali. Tuttavia, vari progetti sono stati finanziati negli Stati Uniti dal Dipartimento dell’Energia, dal Dipartimento della Difesa, dalla National Science Foundation, dal Dipartimento dell’Agricoltura, dai Laboratori Nazionali, dai finanziamenti statali e dai finanziamenti privati, così come in altri paesi. Più recentemente, l’aumento dei prezzi del petrolio negli anni 2000 ha stimolato un rinnovato interesse per i biocarburanti algali e il finanziamento federale degli Stati Uniti è aumentato, numerosi progetti di ricerca sono stati finanziati in Australia, Nuova Zelanda, Europa, Medio Oriente e in altre parti del mondo, e un’ondata di compagnie private è entrata in campo (vedi Aziende). Nel novembre 2012, Solazyme e Propel Fuels hanno effettuato le prime vendite al dettaglio di carburante derivato dalle alghe e, nel marzo 2013, Sapphire Energy ha avviato vendite di biocarburanti algali a Tesoro.

Integrazione alimentare
L’olio di Algal è utilizzato come fonte di integrazione di acidi grassi nei prodotti alimentari, poiché contiene grassi mono- e polinsaturi, in particolare EPA e DHA. Il suo contenuto di DHA è all’incirca equivalente a quello dell’olio di pesce a base di salmone.

combustibili
Le alghe possono essere convertite in vari tipi di combustibili, a seconda della tecnica e della parte delle cellule utilizzate. La parte lipidica o oleosa della biomassa di alghe può essere estratta e convertita in biodiesel attraverso un processo simile a quello utilizzato per qualsiasi altro olio vegetale o convertito in una raffineria in sostituti “drop-in” per i carburanti a base di petrolio. In alternativa o dopo l’estrazione dei lipidi, il contenuto di carboidrati delle alghe può essere fatto fermentare in bioetanolo o butanolo.

Biodiesel
Il biodiesel è un gasolio derivato da lipidi animali o vegetali (oli e grassi). Alcuni studi hanno dimostrato che alcune specie di alghe possono produrre il 60% o più del loro peso a secco sotto forma di olio. Poiché le cellule crescono in sospensione acquosa, dove hanno un accesso più efficiente all’acqua, alla CO2 e ai nutrienti disciolti, le microalghe sono in grado di produrre grandi quantità di biomassa e di olio utilizzabile in bacini di alghe ad alto tasso o fotobioreattori. Questo olio può quindi essere trasformato in biodiesel che potrebbe essere venduto per l’uso nelle automobili. La produzione regionale di microalghe e la trasformazione in biocarburanti forniranno benefici economici alle comunità rurali.

Poiché non devono produrre composti strutturali come la cellulosa per foglie, steli o radici e poiché possono essere coltivati ​​galleggiando in un ricco supporto nutrizionale, le microalghe possono avere tassi di crescita più rapidi rispetto alle colture terrestri. Inoltre, possono convertire una frazione molto più elevata della loro biomassa in olio rispetto alle colture convenzionali, ad es. 60% contro 2-3% per soia. La resa unitaria per unità di petrolio da alghe è stimata in da 58,700 a 136.900 L / ha / anno, a seconda del contenuto di lipidi, che è da 10 a 23 volte più alto del successivo raccolto a più alto rendimento, olio di palma, a 5 950 L / ha / anno.

Il Programma per le specie acquatiche del Dipartimento per l’energia degli Stati Uniti, 1978-1996, si è concentrato sul biodiesel proveniente dalle microalghe. La relazione finale ha suggerito che il biodiesel potrebbe essere l’unico metodo praticabile con cui produrre abbastanza carburante per sostituire l’attuale uso mondiale di diesel. Se il biodiesel derivato dalle alghe dovesse sostituire la produzione globale annua di 1,1 miliardi di tonnellate di diesel convenzionale, sarebbe necessaria una massa terrestre di 57,3 milioni di ettari, il che sarebbe molto favorevole rispetto ad altri biocarburanti.

biobutanolo
Il butanolo può essere prodotto da alghe o diatomee utilizzando solo una bioraffineria a energia solare. Questo carburante ha una densità di energia inferiore del 10% rispetto alla benzina e superiore a quella dell’etanolo o del metanolo. Nella maggior parte dei motori a benzina, butanolo può essere usato al posto della benzina senza modifiche. In diversi test, il consumo di butanolo è simile a quello della benzina e, quando miscelato con benzina, offre prestazioni migliori e resistenza alla corrosione rispetto a quello di etanolo o E85.

I rifiuti verdi rimasti dall’estrazione di olio di alghe possono essere utilizzati per produrre butanolo. Inoltre, è stato dimostrato che le macroalghe (alghe marine) possono essere fermentate dai batteri del genere Clostridia in butanolo e altri solventi.

Benzina bio
La biogasolina è la benzina prodotta dalla biomassa. Come la benzina prodotta tradizionalmente, contiene tra 6 (esano) e 12 (dodecano) atomi di carbonio per molecola e può essere utilizzata nei motori a combustione interna.

Metano
Il metano, il principale costituente del gas naturale, può essere prodotto dalle alghe in vari modi: gassificazione, pirolisi e digestione anaerobica. Nei metodi di gassificazione e pirolisi, il metano viene estratto ad alta temperatura e pressione. La digestione anaerobica è un metodo diretto implicato nella decomposizione delle alghe in componenti semplici, trasformandole poi in acidi grassi usando microbi come batteri acidogeni, quindi rimuovendo eventuali particelle solide e infine aggiungendo batteri metanogeni per rilasciare una miscela di gas contenente metano. Numerosi studi hanno dimostrato con successo che la biomassa delle microalghe può essere convertita in biogas tramite digestione anaerobica. Pertanto, al fine di migliorare il bilancio energetico generale delle operazioni di coltivazione di microalghe, è stato proposto di recuperare l’energia contenuta nella biomassa dei rifiuti attraverso la digestione anaerobica a metano per generare elettricità.

etanolo
Il sistema Algenol che viene commercializzato da BioFields a Puerto Libertad, Sonora, in Messico, utilizza acqua di mare e scarichi industriali per produrre etanolo. Porfiridium cruentum hanno anche dimostrato di essere potenzialmente adatti per la produzione di etanolo grazie alla sua capacità di accumulare una grande quantità di carboidrati.

Diesel verde
Le alghe possono essere utilizzate per produrre “diesel verde” (noto anche come diesel rinnovabile, olio vegetale di idrotrattamento o diesel rinnovabile derivato da idrogeno) attraverso un processo di raffinazione di idrotrattamento che rompe le molecole in catene di idrocarburi più corte utilizzate nei motori diesel. Ha le stesse proprietà chimiche del diesel a base di petrolio, il che significa che non richiede nuovi motori, condotte o infrastrutture da distribuire e utilizzare. Non è ancora stato prodotto a un costo competitivo rispetto al petrolio. Mentre l’hydrotreating è attualmente la via più comune per la produzione di idrocarburi simili al combustibile attraverso la decarbossilazione / decarbossilazione, esiste un processo alternativo che offre una serie di importanti vantaggi rispetto all’idrotrattamento. A questo proposito, il lavoro di Crocker et al. e Lercher et al. è particolarmente degno di nota. Per la raffinazione del petrolio, sono in corso ricerche per la conversione catalitica di carburanti rinnovabili mediante decarbossilazione. Poiché l’ossigeno è presente nel petrolio greggio a livelli piuttosto bassi dell’ordine dello 0,5%, la deossigenazione nella raffinazione del petrolio non è molto preoccupante e nessun catalizzatore è specificamente formulato per l’idrotrattamento degli ossigenati. Quindi, una delle sfide tecniche critiche per rendere economicamente fattibile l’idrodeossigenazione del processo di produzione di alghe è legata alla ricerca e allo sviluppo di catalizzatori efficaci.

Carburante per jet
Le prove di utilizzo delle alghe come biocarburanti sono state condotte da Lufthansa e Virgin Airlines già nel 2008, sebbene ci siano poche prove che l’uso di alghe sia una fonte ragionevole per i biocarburanti a reazione. Entro il 2015, la coltivazione di esteri metilici e alcheni di acidi grassi dalle alghe, Isochrysis, è stata oggetto di ricerca come possibile materia prima per i biocarburanti.

A partire dal 2017, ci sono stati pochi progressi nella produzione di carburanti per jet dalle alghe, con una previsione che solo il 3-5% del fabbisogno di carburante potrebbe essere fornito dalle alghe entro il 2050. Inoltre, le aziende di alghe che si sono formate all’inizio del XXI secolo come base per Un’industria di biocarburanti alghe ha chiuso o ha cambiato il proprio sviluppo commerciale verso altre materie prime, come cosmetici, mangimi per animali o prodotti petroliferi speciali.

Specie
La ricerca sulle alghe per la produzione di massa di petrolio si concentra principalmente sulle microalghe (organismi capaci di fotosintesi con diametro inferiore a 0,4 mm, comprese le diatomee e i cianobatteri) rispetto alle macroalghe, come le alghe marine. La preferenza per le microalghe è dovuta in gran parte alla struttura meno complessa, ai rapidi tassi di crescita e all’elevato contenuto di olio (per alcune specie). Tuttavia, è in corso una ricerca sull’utilizzo di alghe per i biocarburanti, probabilmente a causa dell’elevata disponibilità di questa risorsa.

A partire dal 2012 i ricercatori di varie località in tutto il mondo hanno iniziato a studiare le seguenti specie per la loro idoneità come produttori di olio di massa:

Botryococcus braunii
Chlorella
Dunaliella tertiolecta
Gracilaria
Pleurochrysis carterae (anche chiamato CCMP647).
Sargassum, con 10 volte il volume di uscita di Gracilaria.

La quantità di olio prodotta da ciascuna varietà di alghe varia notevolmente. Nota le seguenti microalghe e le loro varie rese di olio:

Ankistrodesmus TR-87: 28-40% di peso secco
Botryococcus braunii: 29-75% dw
Chlorella sp .: 29% dw
Chlorella protothecoides (autotrofa / eterotrofica): 15-55% dw
Crypthecodinium cohnii: 20% dw
Cyclotella DI- 35: 42% dw
Dunaliella tertiolecta: 36-42% dw
Hantzschia DI-160: 66% dw
Nannochloris: 31 (6-63)% dw
Nannochloropsis: 46 (31-68)% dw
Nannochloropsis e biocarburanti
Neochloris oleoabundans: 35-54% dw
Nitzschia TR-114: 28-50% dw
Phaeodactylum tricornutum: 31% dw
Scenedesmus TR-84: 45% dw
Schizochytrium 50-77% dw
Stichococcus: 33 (9-59)% dw
Tetraselmis suecica: 15-32% dw
Thalassiosira pseudonana: (21-31)% dw

Inoltre, a causa del suo alto tasso di crescita, Ulva è stato studiato come combustibile per l’uso nel ciclo SOFT, (SOFT sta per Solar Oxygen Fuel Turbine), un sistema di generazione di energia a ciclo chiuso adatto per l’uso in ambiente arido, subtropicale regioni.

Altre specie utilizzate comprendono Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Sargassum, Gracilaria, Prymnesium parvum ed Euglena gracilis

Sostanze nutritive e crescita
La luce è ciò di cui le alghe hanno principalmente bisogno per crescere, poiché è il fattore più limitante. Molte aziende stanno investendo per lo sviluppo di sistemi e tecnologie per la fornitura di luce artificiale. Uno di questi è OriginOil che ha sviluppato un Helix BioReactorTM che presenta un albero verticale rotante con luci a bassa energia disposte a forma di elica. La temperatura dell’acqua influenza anche i tassi metabolici e riproduttivi delle alghe. Sebbene la maggior parte delle alghe cresca a un ritmo basso quando la temperatura dell’acqua si abbassa, la biomassa delle comunità algali può diventare grande a causa dell’assenza di organismi al pascolo. I modesti aumenti della velocità della corrente dell’acqua possono anche influenzare i tassi di crescita delle alghe poiché la velocità di assorbimento dei nutrienti e la diffusione dello strato limite aumenta con la velocità attuale.

Oltre alla luce e all’acqua, il fosforo, l’azoto e alcuni micronutrienti sono anche utili ed essenziali nella crescita delle alghe. L’azoto e il fosforo sono i due nutrienti più importanti richiesti per la produttività algale, ma sono necessari anche altri nutrienti come carbonio e silice. Tra i nutrienti richiesti, il fosforo è uno dei più essenziali in quanto viene utilizzato in numerosi processi metabolici. La microalga D. tertiolecta è stata analizzata per vedere quale sostanza nutritiva influisce maggiormente sulla sua crescita. Le concentrazioni di fosforo (P), ferro (Fe), cobalto (Co), zinco (Zn), manganese (Mn) e molibdeno (Mo), magnesio (Mg), calcio (Ca), silicio (Si) e zolfo ( S) le concentrazioni sono state misurate giornalmente utilizzando l’analisi del plasma accoppiato induttivamente (ICP). Tra tutti questi elementi misurati, il fosforo ha provocato la diminuzione più drammatica, con una riduzione dell’84% nel corso della cultura. Questo risultato indica che il fosforo, sotto forma di fosfato, è richiesto in quantità elevate da tutti gli organismi per il metabolismo.

Ci sono due media di arricchimento che sono stati ampiamente utilizzati per coltivare la maggior parte delle specie di alghe: il medium di Walne e il medium F / 2 di Guillard. Queste soluzioni nutritive disponibili in commercio possono ridurre il tempo necessario per preparare tutti i nutrienti necessari per la crescita delle alghe. Tuttavia, a causa della loro complessità nel processo di generazione e dei costi elevati, non vengono utilizzati per operazioni di coltura su larga scala. Pertanto, i terreni di arricchimento utilizzati per la produzione di massa di alghe contengono solo i nutrienti più importanti con fertilizzanti di tipo agricolo piuttosto che con fertilizzanti di laboratorio.

Coltivazione
Le alghe crescono molto più velocemente delle colture alimentari e possono produrre centinaia di volte più petrolio per unità di superficie rispetto alle colture convenzionali come colza, palma, soia o jatropha. Poiché le alghe hanno un ciclo di raccolta di 1-10 giorni, la loro coltivazione consente diversi raccolti in tempi molto brevi, una strategia diversa da quella associata alle colture annuali. Inoltre, le alghe possono essere coltivate su terreni non adatti alle colture terrestri, compresi terreni aridi e terreni con terreno eccessivamente salino, riducendo al minimo la competizione con l’agricoltura. La maggior parte delle ricerche sulla coltivazione di alghe si è concentrata sulla crescita di alghe in fotobioreattori puliti ma costosi o in stagni aperti, che sono economici da mantenere ma soggetti a contaminazione.

Sistema a circuito chiuso
La mancanza di attrezzature e strutture necessarie per iniziare a far crescere le alghe in grandi quantità ha inibito la diffusa produzione di massa di alghe per la produzione di biocarburanti. L’obiettivo è l’uso massimo di processi e hardware agricoli esistenti.

I sistemi chiusi (non esposti all’aria aperta) evitano il problema della contaminazione da parte di altri organismi insufflati dall’aria. Il problema per un sistema chiuso è trovare una fonte economica di CO2 sterile. Diversi sperimentatori hanno scoperto che la CO2 di una ciminiera funziona bene per la crescita delle alghe. Per ragioni di economia, alcuni esperti ritengono che l’allevamento di alghe per i biocarburanti dovrà essere fatto come parte della cogenerazione, dove può utilizzare il calore residuo e contribuire a assorbire l’inquinamento.

fotobioreattori
La maggior parte delle aziende che ricercano le alghe come fonte di biocarburanti pompano acqua ricca di sostanze nutritive attraverso tubi di plastica o borosilicato (chiamati “bioreattori”) esposti alla luce solare (e ai cosiddetti fotobioreattori o PBR).

Eseguire un PBR è più difficile dell’utilizzo di uno stagno aperto e più costoso, ma può fornire un livello più elevato di controllo e produttività. Inoltre, un fotobioreattore può essere integrato in un sistema di cogenerazione a ciclo chiuso molto più facilmente di stagni o altri metodi.

Stagno aperto
I sistemi a laghetto aperti sono costituiti da semplici stagni sotterranei, che sono spesso mescolati da una ruota a pale. Questi sistemi hanno bassi requisiti di potenza, costi operativi e costi di capitale rispetto ai sistemi di fotobioreattori a ciclo chiuso. Quasi tutti i produttori di alghe commerciali per prodotti algali di alto valore utilizzano sistemi a laghetto aperto.

Scrubber di tappeto erboso
Lo scrubber delle alghe è un sistema progettato principalmente per la pulizia delle sostanze nutritive e degli inquinanti dall’acqua, utilizzando le alghe. L’ATS imita le alghe di una barriera corallina naturale assorbendo acqua ricca di nutrienti dai flussi di rifiuti o da fonti d’acqua naturali e facendola pulsare su una superficie inclinata. Questa superficie è rivestita con una membrana di plastica ruvida o uno schermo, che consente alle spore algali naturali di depositarsi e colonizzare la superficie. Una volta che le alghe sono state stabilite, possono essere raccolte ogni 5-15 giorni e possono produrre 18 tonnellate di biomassa algale per ettaro all’anno. In contrasto con altri metodi, che si concentrano principalmente su una singola specie ad alto rendimento di alghe, questo metodo si concentra su polculture naturali di alghe. In quanto tale, il contenuto lipidico delle alghe in un sistema ATS è solitamente inferiore, il che lo rende più adatto per un prodotto a base di carburante fermentato, come etanolo, metano o butanolo. Al contrario, le alghe raccolte potrebbero essere trattate con un processo di liquefazione idrotermica, che renderebbe possibile la produzione di biodiesel, benzina e carburante.

Ci sono tre principali vantaggi di ATS rispetto ad altri sistemi. Il primo vantaggio è la maggiore produttività documentata rispetto ai sistemi di laghetti aperti. Il secondo è una riduzione dei costi operativi e di produzione di carburante. Il terzo è l’eliminazione dei problemi di contaminazione dovuti alla dipendenza da specie di alghe presenti in natura. I costi previsti per la produzione di energia in un sistema ATS sono $ 0,75 / kg, rispetto a un fotobioreattore che costerebbe $ 3,50 / kg. Inoltre, a causa del fatto che lo scopo principale dell’ATS è la rimozione di sostanze nutritive e inquinanti dall’acqua, e questi costi si sono dimostrati inferiori rispetto ad altri metodi di rimozione dei nutrienti, ciò potrebbe incentivare l’uso di questa tecnologia per la rimozione dei nutrienti come funzione primaria, con la produzione di biocarburanti come ulteriore vantaggio.

Produzione di carburante
Dopo la raccolta delle alghe, la biomassa viene tipicamente lavorata in una serie di passaggi, che possono differire in base alla specie e al prodotto desiderato; questa è un’area di ricerca attiva ed è anche il collo di bottiglia di questa tecnologia: il costo di estrazione è superiore a quello ottenuto. Una delle soluzioni è utilizzare i filtri alimentatori per “mangiarli”. Animali migliori possono fornire sia alimenti che carburanti. Un metodo alternativo per estrarre le alghe è far crescere le alghe con tipi specifici di funghi. Ciò causa la bio-flocculazione delle alghe che consente una più facile estrazione.

Disidratazione
Spesso, le alghe vengono disidratate e quindi un solvente come l’esano viene utilizzato per estrarre composti ricchi di energia come i trigliceridi dal materiale essiccato. Quindi, i composti estratti possono essere trasformati in combustibile utilizzando procedure industriali standard. Ad esempio, i trigliceridi estratti vengono fatti reagire con metanolo per creare biodiesel attraverso la transesterificazione. La composizione unica degli acidi grassi di ciascuna specie influenza la qualità del biodiesel risultante e pertanto deve essere presa in considerazione quando si selezionano le specie algali come materia prima.

Liquefazione idrotermale
Un approccio alternativo chiamato liquefazione idrotermica impiega un processo continuo che sottopone le alghe bagnate raccolte ad alte temperature e pressioni – 350 ° C (662 ° F) e 3.000 libbre per pollice quadrato (21.000 kPa).

I prodotti includono petrolio greggio, che può essere ulteriormente raffinato in carburante per aviazione, benzina o gasolio utilizzando uno o più processi di aggiornamento. Il processo di test convertito tra il 50 e il 70 per cento del carbonio delle alghe in carburante. Altre uscite includono acqua pulita, gas combustibile e sostanze nutritive come azoto, fosforo e potassio.

Nutrienti
I nutrienti come l’azoto (N), il fosforo (P) e il potassio (K), sono importanti per la crescita delle piante e sono parti essenziali del fertilizzante. La silice e il ferro, oltre a diversi oligoelementi, possono essere considerati importanti nutrienti marini in quanto la mancanza di uno può limitare la crescita o la produttività di un’area.

Diossido di carbonio
Il gorgogliamento di CO2 attraverso i sistemi di coltivazione delle alghe può aumentare notevolmente la produttività e la resa (fino a un punto di saturazione). Tipicamente, saranno utilizzate circa 1,8 tonnellate di CO2 per tonnellata di biomassa algale (secca) prodotta, anche se questo varia con le specie di alghe. The Glenturret Distillery nel Perthshire, Regno Unito – sede di The Famous Grouse Whiskey – CO2 percolato prodotta durante la distillazione del whisky attraverso un bioreattore di microalghe. Ogni tonnellata di microalghe assorbe due tonnellate di CO2. La bioenergia scozzese, che dirige il progetto, vende le microalghe come alimento di alta qualità e ricco di proteine ​​per la pesca. In futuro, utilizzeranno i residui di alghe per produrre energia rinnovabile attraverso la digestione anaerobica.

Azoto
L’azoto è un substrato prezioso che può essere utilizzato nella crescita delle alghe. Varie fonti di azoto possono essere utilizzate come nutrienti per le alghe, con capacità variabili. Il nitrato è risultato essere la fonte preferita di azoto, per quanto riguarda la quantità di biomassa coltivata. L’urea è una fonte prontamente disponibile che mostra risultati comparabili, rendendola un sostituto economico per la fonte di azoto nella coltura su larga scala di alghe. Nonostante il netto aumento della crescita rispetto a un mezzo privo di azoto, è stato dimostrato che le alterazioni dei livelli di azoto influiscono sul contenuto lipidico all’interno delle cellule algali. In uno studio, la deprivazione di azoto per 72 ore ha causato un aumento del contenuto totale di acidi grassi (su base cellulare) di 2,4 volte. Il 65% degli acidi grassi totali è stato esterificato a triacilgliceridi in corpi di olio, rispetto alla coltura iniziale, indicando che le cellule algali utilizzavano la sintesi de novo degli acidi grassi. È vitale che il contenuto lipidico nelle cellule algali sia di quantità sufficientemente elevata, pur mantenendo tempi di divisione cellulare adeguati, quindi i parametri che possono massimizzare entrambi sono sotto esame.

Acque reflue
Una possibile fonte di nutrienti sono le acque reflue derivanti dal trattamento delle acque reflue, agricole o di deflusso di pianure alluvionali, tutti i principali inquinanti e rischi per la salute. Tuttavia, questa acqua di rifiuto non può alimentare direttamente le alghe e deve prima essere trattata dai batteri, attraverso la digestione anaerobica. Se l’acqua di scarico non viene elaborata prima che raggiunga le alghe, contaminerà le alghe nel reattore e, per lo meno, ucciderà gran parte del ceppo di alghe desiderato. Nelle strutture di biogas, i rifiuti organici vengono spesso convertiti in una miscela di anidride carbonica, metano e fertilizzante organico. Il fertilizzante organico che esce dal digestore è liquido e quasi adatto alla crescita delle alghe, ma deve essere prima pulito e sterilizzato.

L’utilizzo di acque reflue e oceaniche invece di acqua dolce è fortemente sostenuto a causa del continuo esaurimento delle risorse di acqua dolce. Tuttavia, metalli pesanti, metalli in tracce e altri contaminanti nelle acque reflue possono ridurre la capacità delle cellule di produrre liposintesi in modo biosintetico e anche influire su vari altri meccanismi nei macchinari delle cellule. Lo stesso vale per l’acqua oceanica, ma i contaminanti si trovano in diverse concentrazioni. Quindi, il fertilizzante di tipo agricolo è la fonte preferita di nutrienti, ma i metalli pesanti sono di nuovo un problema, specialmente per i ceppi di alghe che sono sensibili a questi metalli. Nei sistemi a laghetto aperto l’uso di ceppi di alghe che possono trattare alte concentrazioni di metalli pesanti potrebbe impedire ad altri organismi di infestare questi sistemi. In alcuni casi è stato anche dimostrato che i ceppi di alghe possono rimuovere oltre il 90% di nichel e zinco dalle acque reflue industriali in periodi relativamente brevi.

Impatto ambientale
Rispetto alle colture di biocarburanti terrestri come mais o soia, la produzione di microalghe si traduce in un’impronta di terra molto meno significativa a causa della maggiore produttività petrolifera delle microalghe rispetto a tutte le altre colture oleaginose. Le alghe possono anche essere coltivate su terreni marginali inutilizzabili per le colture ordinarie e con un basso valore di conservazione, e possono utilizzare l’acqua delle falde acquifere salate che non è utile per l’agricoltura o per bere. Le alghe possono anche crescere sulla superficie dell’oceano in borse o schermi galleggianti. Pertanto, le microalghe potrebbero fornire una fonte di energia pulita con un impatto minimo sull’approvvigionamento di cibo e acqua adeguati o sulla conservazione della biodiversità. La coltivazione di alghe non richiede sovvenzioni esterne di insetticidi o erbicidi, eliminando ogni rischio di generare flussi di rifiuti di pesticidi associati. Inoltre, i biocarburanti algali sono molto meno tossici e si degradano molto più facilmente dei combustibili a base di petrolio. Tuttavia, a causa della natura infiammabile di qualsiasi combustibile, sussiste la possibilità che si verifichino alcuni rischi ambientali se accesi o versati, come può accadere nel deragliamento di un treno o in una perdita di conduttura. Questo rischio è ridotto rispetto ai combustibili fossili, a causa della capacità di produrre biocarburanti algali in modo molto più localizzato, e a causa della minore tossicità complessiva, ma il pericolo è ancora lì. Pertanto, i biocarburanti algali dovrebbero essere trattati in modo simile ai combustibili del petrolio durante il trasporto e l’uso, con misure di sicurezza sufficienti in ogni momento.

Gli studi hanno stabilito che la sostituzione dei combustibili fossili con fonti di energia rinnovabile, come i biocarburanti, ha la capacità di ridurre le emissioni di CO2 fino all’80%. Un sistema a base di alghe potrebbe catturare circa l’80% della CO2 emessa da una centrale elettrica quando è disponibile la luce solare. Sebbene questa CO2 venga successivamente rilasciata nell’atmosfera quando il combustibile viene bruciato, questa CO2 sarebbe entrata nell’atmosfera a prescindere. La possibilità di ridurre le emissioni totali di CO2 risiede quindi nella prevenzione del rilascio di CO2 dai combustibili fossili. Inoltre, rispetto ai carburanti come diesel e petrolio, e anche rispetto ad altre fonti di biocarburanti, la produzione e la combustione di biocarburanti algali non produce ossidi di zolfo o ossidi di azoto e produce una quantità ridotta di monossido di carbonio, idrocarburi incombusti e ridotto emissione di altri inquinanti nocivi. Poiché le fonti terrestri di produzione di biocarburanti semplicemente non hanno la capacità di produzione per soddisfare il fabbisogno energetico attuale, le microalghe possono essere una delle uniche opzioni per affrontare la completa sostituzione dei combustibili fossili.

La produzione di microalghe include anche la possibilità di utilizzare rifiuti salini o flussi di CO2 di scarto come fonte di energia. Questo apre una nuova strategia per produrre biocarburanti in combinazione con il trattamento delle acque reflue, pur essendo in grado di produrre acqua pulita come sottoprodotto. Se utilizzate in un bioreattore di microalghe, le microalghe raccolte cattureranno quantità significative di composti organici e contaminanti di metalli pesanti assorbiti dai flussi di acque reflue che altrimenti verrebbero scaricati direttamente in acque superficiali e sotterranee. Inoltre, questo processo consente anche il recupero del fosforo dai rifiuti, che è un elemento essenziale ma scarso in natura, le cui riserve si sono esaurite negli ultimi 50 anni. Un’altra possibilità è l’uso di sistemi di produzione di alghe per ripulire l’inquinamento da fonti non puntiformi, in un sistema noto come un alghe turf scrubber (ATS). È stato dimostrato che questo riduce i livelli di azoto e fosforo nei fiumi e in altri grandi bacini idrici colpiti dall’eutrofizzazione e sono in fase di costruzione sistemi in grado di trattare fino a 110 milioni di litri di acqua al giorno. ATS can also be used for treating point source pollution, such as the waste water mentioned above, or in treating livestock effluent.