Le nuove frontiere delle microalghe: alimenti funzionali, energia

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Le nuove frontiere delle microalghe: alimenti funzionali, energia
Accademia dei Georgofili 30 Marzo 2016
IL FUTURO DELL’EXPO IN TOSCANA:
SICUREZZA NUTRACEUTICA E SVILUPPO
FOCUS: AREA GEOTERMICA
Le nuove frontiere delle microalghe
alimenti funzionali, energia pulita, acque depurate
e biofertilizzanti
Dr.ssa Graziella Chini Zittelli
Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto per lo Studio degli
Ecosistemi(ISE) Sezione di Firenze
COSA SONO LE MICROALGHE
“single-celled organisms that can use photosynthesis”
Le microalghe ed i cianobatteri costituiscono un vasto ed ubiquitario gruppo di microrganismi fototrofi ossigenici
da tempo riconosciuti essere una fonte di risorse biologiche di notevole potenziale
Possono occupare gli ambienti più disparati ed estremi (ecosistemi acqua
dolce, salata, suolo)
Come le piante superiori sono provviste di clorofilla/e e pigmenti accessori
1° anello della catena alimentare: le microalghe marine costituiscono il 40%
della produzione primaria
Piccole dimensioni e strutturalmente molto semplici
Fatta eccezione per i cianobatteri sono organismi eucarioti
picoplancton 0.2 - 2 µm
nanoplancton 2 - 20 µm
microplancton 20 -200 µm
macroplancton 200 -2000 µm
Elevata biodiversità morfologica e metabolica
> 60,000 specie esistenti, 40,000 conosciute di cui pochissime sfruttate commercialmente
Caratteristiche strutturali e morfologiche delle microalghe
Tipo di organizzazione cellulare
- unicellulari (flagellate e non
flagellate)
- coloniali (flagellate e non)
- filamentose
Organizzazione cellulare
- procariota (cianobatteri)
- eucariota
Caratteristiche ultrastrutturali della cellula microalgale
Parete cellulare
Citoplasma
Nucleo
Organuli
♦ cloroplasti
♦ mitocondri
♦ apparato del Golgi
♦ reticolo endoplasmatico
♦ Tilacoidi (con pigmenti)
♦ Pirenoide
♦ Stigma
♦ vacuoli
♦ plastidi, globuli lipidici
♦ flagelli
Riproduzione
Vegetativa (asessuata)
è la più comune
Divisione cellulare per scissione
Produzione di spore
zoospore (mobili)
aplanospore, autospore (immobili)
Sessuata
meno comune
numerosi meccanismi
obbligatoria nelle diatomee
Chlorella sp.
….divisione della cellula madre in due cellule figlie
The alla
alga reproduces
asexually
by madre.
forming 4,La
ognuna pari
metà della
cellula
8 or rarely 16 autospores within the original
cellula figlia
a volte rimane con la parete della
parent cell wall. Chlorella has never been
cellula madre fino
a che
non sono
avvenute 2 o 3
found
to reproduce
sexually
divisioni
Classificazione delle microalghe
Natura chimica della parete (quando esiste)
Sostanze organiche di riserva prodotte
Natura dei pigmenti fotosintetici
Natura e disposizione dei flagelli nelle cellule mobili
LA CLASSIFICAZIONE METABOLICA
FONTE DI CARBONIO
FONTE DI ENERGIA
FONTE DI POTERE RIDUCENTE
CHEMIOTROFO:
ORGANOTROFO:
carbonio organico
da reazioni redox di sostanze
chimiche
donatori di elettroni organici
AUTOTROFO:
FOTOTROFO:
carbonio inorganico
la luce innesca le reazioni redox
spesso con composti che hanno
alti potenziali
ETEROTROFO:
LITOTROFO:
donatori di elettroni inorganici
Metabolismo delle microalghe
6CO2 + 6 H2O
La fotosintesi ossigenica
C6H12O6 + 6O2
Luce come fonte di energia, CO2 come
substrato carbonioso, H2O come donatore eProducono ca il 50 % dell’O2 atmosferico
Alcune specie possonoutilizzare un
substrato organico in presenza (mixotrofia)
o assenza (eterotrofia) di luce, in modo
simile a batteri e funghi
Composizione biochimica delle microalghe
La composizione delle microalghe è correlata alla loro fase di crescita (esponenziale o stazionaria) ed alle
condizioni di coltura come luce, temperatura, mezzo di coltura
Grazie alla loro biodiversità le microalghe sono fonte di una enorme varietà di chemicals pregiati per applicazioni
nel settore agroalimentare, farmaceutico e cosmetico
(20-40%)
(15-25%)
(10-20%)
ALGAL BIOMASS PRODUCTION: I N P U T S A N D P O T E N T I A L O U T P U T S
High-value products
Water:
• water effluents
• brackish water
• seawater
CO2
• Pigments
• Fatty acids
• Bioactive metabolites
Solar
Energy
Extraction of specific
components
Bioenergy
• Biodiesel
• CH4
• H2
Macro-micro
nutrients
Algal culture
H2O + CO2
Biomass
harvesting
(H2CO)n + O2
Biofertilizers
Animal feed
N2- fixation
Aquaculture feed
Treated water
O2
Human consumption
(health food)
Alcune fra le specie più utilizzate
Marine species
Tetraselmis suecica
Nannochloropsis sp.
Phaeodactylum tricormutum
Isochrysis sp. T-ISO
Cylindrotheca sp.
Chaetoceros gracilis
Skeletonema sp.
Freshwater species
Arthrospira platensis
Anabaena spp.
Monodus subterraneus
Chlorella spp.
Scenedesmus quadricauda
Haematococcus pluvialis
Microalgae Biomass production (annual)
Product
Health food and feed supplements
Species
Status
Arthrospira (6000-7000 t)
Chlorella (4000-7000 t)
Dunaliella (1000-1600 t)
Aphanizomenon (500 t)
Haematococcus (280-350 t)
Commercial
(Raceway ponds, circular
ponds, lagoons, PBR)
Pigments (carotenoids, phycobiliproteins)
Dunaliella
Arthrospira
Haematococcus
Commercial
(as above)
ω 3 PUFA (DHA)
Schyzochitrium (10 t oil)
Crypthecodiniun (240 t oil)
Commercial
(10-100 m3 fermenters)
Fluorescent diagnostics
Labeled compounds (stable isotopes)
Restriction enzymes
Arthrospira
Anabaena
Anacystis
Commercial
(small PBR)
Aquaculture feeds
Various spp. (1000 t)
Commercial
(cylinders, bags, tanks)
* 2014 update (V. Verdhelo p.c.)
Polysaccharides
Research
Biofertilizers
Research
Bioactive molecules (biopesticides,
probiotics, pharmaceuticals,
biosensors,cosmetics)
Research
Bioremediation (xenobiotics, heavy
metals)
R&D
CO2 biofixation
R&D
Energy (biodiesel, H2)
R&D
Microalgae are a natural source of high-value products
Pigments
Fatty acids
Color
Microalgal
Species
Pigment
type
Pigment content
(% d. wt)
Red
Haematococcus pluvialis
Chlorella zofingensis
Astaxanthin
Up to 4
0.37
Orange
Dunaliella salina
β-carotene
Up to 12
Yellow
Chlorella zofingensis
Scenedesmus
almeriensis
Muriellopsis sp.
Lutein
0.34
0.45
Brown
Diatom and Haptophyta
Fucoxanthin
0.6-1.2
Green
Most of Chlorophyta
Chlorophyll
1-3
Blue
Arthrospira spp.
(Spirulina)
C-Phycocianin
10-12
♦ The role of carotenoids as
quenchers of active oxygen species
make them a very interesting natural
source of antioxidant and anti-aging
substances
♦ Chl and Cu_Chl are allowed as food
0.43
colorants in Europe (EC, 1994) and Brazil
(ANVS, 2008) E140
♦ Used in food pigmentation and as dietary
supplement industries
Fucoxanthin from microalgae
Research level today!!!
Fucoxanthin belongs to xanthophylls molecular family
of non-provitamin A carotenoids
Fucoxanthin is one of the most abundant carotenoid
present in brown seaweeds (Phaeophyceae), diatoms
(Bacillariophyta) and other microalgae (Haptophyta).
Fucoxanthin, displaying antioxidant, anticancer, anti-obesity
and UVB-filter activity, is becoming interesting for
pharmacological, nutraceutical and cosmetic applications
Production of astaxanthin by H. pluvialis
Astaxanthin Commercial Production
Algatechnologies Ltd (Ketura, Israel)
• Astaxanthin is synthesized under stress
conditions: high light exposure and
nutrient stress (nitrogen starvation)
300 km long tubes in a 1.2-ha plant.
• Astaxanthin is accumulated at cytoplasmatic
level (5% on dry weight in outdoor cultures):
green stage and red stage
Cyanotech (Hawaii, USA)
• 40 ha microalgae farm on
the Kona Coast of the
island of Hawaii
• PhytoDome Closed
Culture System for green
stage
• Open ponds for red stages
Dunaliella salina for β-carotene
Commercial Production
plants in Australia and Israel
β-carotene typically 0.5-1% dry weight
Intensive
raceway ponds 3000 m2 each
NTB Ltd (Israel)
Under high salinity, stress temperature, high
light intensity, nitrogen limitation
β-carotene up to 12% of dry weight
Extensive
very large, unmixed, shallow open ponds
Australian plants are the largest commercial
microalgae production plants in the world
with a total pond area of more than 900 ha
Cognis Dunaliella salina β-carotene plant at Hutt Lagoon,
Western Australia
Biological functions
Carotenoids
Applications
Astaxanthin: (intake: 4-6 mg/day)
Food industry: natural dyes,
dietary
• modifying of immune function
supplements, animal feed
• retina and heart disease prevention
Cosmetics: anti-aging, sky protection
• protection against UV light effects
• protects against cancer
Pharmaceuticals:
β-Carotene: (intake: 15-50 mg/day)
Ornamental aquaculture:
source of vitamin A (retinol)
• essential for normal growth and development
• immune system function, and vision
• visual faculty, cellular differentiation
• heart desease
Lutein and zeaxantin: (intake 0.8 mg/day)
in high quantities in the retina (macula) of the eye
• protection against age-related macular degeneration
• cataracts
antioxidants,
anticancer and antiviral activity
skin
pigmentation
being
an
important
characteristic affecting market price of
ornamental fish
Phycocianin from Spirulina
7-15 % d.wt
Commercial production and Applications
Earthrise Farms (USA)
Phycobiliproteins (PBP) are highly
soluble fluorescent proteins derived
from cyanobacteria and eukaryotic algae
(rhodophyta)
PRIMARY PIGMENTS
Tetrapyrrole groups is covalently linked to the
proteins and play a fundamental role role in
collecting light, transfer energy to Chl system by
fluorescence emission
Antioxidant, anti-nflammatory, hepatoprotective activity
NEW in EC
Saint-Nazaire, France
Ficocianina
Some pigment products on the market
€125/L
Astaxantina-Integratore
Raw material at
NTB
€150/kg
€54/g
B-carotene capsule- Integratore
Purezza C-PC
A620/A280)
Prezzo €/kg
Uso
>4
530,000
Diagnostica
3.5-2.5
229,355
«
2.5-1.5
26,023
«
1.5-0.75
203
Colorante/integratore
0.75-0.5
131
«
Astaxantina in polvere- pesci /crostacei
€123/g
€134-213/kg
Pigments
“Microalgae” A promising approach towards suistanable omega-3 fatty acid
production”
Fatty acids
Marine species are the better sources of LC-PUFAS
New EFSA issues guidelines in EU (2010)
Many studies suggest that EPA and DHA
Ω
support cardiovascular health (EPA and DHA)
Ω
have a beneficial effect in several forms of cancer and
also in inflammatory and autoimmune disorders (EPA)
Ω
play an essential role in the brain and retina
development (DHA)
LCPUFA
Population
Amount
DHA+EPA
General adult
250* mg/day
DHA
6 months-2 years age
100 mg/day
DHA
Pregnancy and lactation
100 mg/day
PUFAS
EFA
Omega-6
Omega-3
Microalgal species
α- LA
18:3n3
γ- LA
18:3n6
AA
20:4n6
EPA
20:5n3
DHA
22:6n3
Arthrospira platensis
-
1-1.5
-
-
-
Chlorella vulgaris
1.84
-
-
Aphanizomenon
flos-aquae
1.64
-
-
-
-
Nannochloropsis sp.
-
-
0.6
3-4
-
Isocrhysis sp. (T-ISO)
-
-
-
0.1
1.7
-
Martek Biosciences Corp. (now part of DSM Nutritionals) dominates PUFAs sector
200
pregnancy
mg/day
Commercial DHA products are obtained by heterotrophic microalgae
EPA products derived from autotrophic microalgae is emerging
40-50% DHA
250
Company
Species
Product type
Marketed
product
Martek/DSM (USA/NT)
Crypthecodinium
cohnii
DHA oil in
infant formula,
feed
Life’ DHATM
DHA Gold
Bio-marine (USA)
Schizochytrium sp.
Feed
-
Advanced BioNutrition
(USA)
Schizochytrium sp.
Feed
-
Nutrinova GmbH
(Germany)
Ulkenia sp.
DHA oil for
healt food
DHActiveTM
Algae Biosciences Corp.
(USA)
Unk (marine
microalgae)
EPA/DHA
-
Innovalg Corp. (France)
Odontella aurita
EPA
-
Aurora Algae
(USA/Australia)
Unk (marine
microalgae)
EPA oil
A2EPA
Pure™
mg/day
infants
adults
100
mg/day
children
Safe ingredient (GRAS) in infant formulas
Nutritional supplement and animal
feeds
Microalgae for Food
Dietary supplements
Functional foods
Microalgae in Human Nutrition
General composition of different human food sources and microalgae
(% of dry matter)
Commodity
Modified from Becker, 2004
Protein
Carbohydrate
Lipid
Ash
Dietary
fibre
Caloric
content
(kcal g-1)
Meat
43
1
34
-
-
5.66
Milk
26
38
28
-
-
5.68
Fish
55
-
38
-
-
6.67
Egg
49
3
45
-
-
7.10
Soybean
37
30
20
-
12.2
5.23
Arthrospira sp.
65
13
6
8
7.1
4.81
Chlorella
vulgaris
52
21
13.5
5
8
5.10
Scenedesmus
obliquus
53
14
11.5
7.9
6.8
4.68
Aphanizomenon
flos-aquae
66
20
7.3
6.5
5
5.28
Tetraselmis sp.
53
13
19
14.4
-
5.33
Nannochloropsis sp.
28
14
39.3
14.8
-
5.84
Isochrysis (T-ISO)
46
12
32.7
9.2
-
6.17
For human nutrition microalgae are mainly marketed as nutritional supplement in
the form of tablets and capsules
Biomass or extracts are also incorporated into pasta, snack food, candy bar
or gum and beverage
The market is dominated by few genera
More than
15,000 t/yr
Spirulina
Microalga
Average price
(€/kg biomass)
Market
(€ Million)
Arthrospira
5-50
120-160
Chlorella
12-40
100-130
Dunaliella
60-100
70-110
Haematococcus
150-340
80-100
Arthrospira
Valuable additional food source:
• high content and quality protein (typically 60%)
• γ-linoleic acid (up to 1%)
• β-carotene, PC
• Fe, Vit B12
• Recent studies suggest possible health and therapeutic effects
NUTRACEUTICALS
6000-7000 t/y di cui 1500-2000 t in Asia
Major commercial producers
Cyanotech Corp - USA (pond area 8 ha, 350 t/y)
Earthrise Nutritionals LLC- USA (pond area 15 ha, 500 t/y)
Parry Nutraceuticals (India)
certified as GRAS (Generally
Recognized As Safe) by the
US Food and Drug
Administration
Far East Bio-Tec Co., Ltd (FEBICO) Taiwan
Taiwan Wilson Enterprise
Blue & Green Series Industrial Developments Co., Ltd China
Mynamar Spirulina, FAME Pharmaceuticals Co., Ltd, Myanmar
naturally growing
spirulina explotaiton
Chlorella
• Health food and mariculture feed
• Liquid extracts as CGF
70 companies in the world
4000-7000 t/y mainly in Asia (Japan, Taiwan)
1
Different production process
• fully operated in open ponds (Sun Chlorella, Japan )
1
• partially operated in fermenters (to prodce inocula) and partially 1
in open ponds (Yaeyama Chlorella and Chlorella Industry Co.,
Japan )
2
• totally operated in fermenters (Nihon Chlorella Co., Ltd, Japan)
3
• operated in closed photobioreactors under artifical + natural
light (Roquette-Bioprodukte Prof. Steinberg in Klötze, A4F in
Portugal)
2
3
700 m3
150 t/y
Utilizzo attuale
Come integratore la dose
giornaliera minima
raccomandata è
3 gr
Start-up prodotto interamente italiano
€75/Kg
€200/L
€160/kg
Effetti benefici della spirulina
Azione antinfiammatoria e antitumorale: C-PC è naturale inibitore di COX-2 (cicloossigenasi 2), un enzima inducibile
coinvolto nei processi infiammatori e ipersintetizzato in molte neoplasie
Proprietà antiossidanti: C-PC neutralizza e riduce la formazione dei radicali liberi
Stimolazione sistema immunitario: polisaccaridi solforati estratti (Ca-spirulan) e C-PC incrementando la componente
umorale e cellulare del SI
Effetto antivirale: come conseguenza della stimolazione del SI. Studi recenti hanno mostrato effetti + su donne affette
da HIV. Sembra che il complesso GLP della parete cellulare stimoli la produzione dei linfociti T4
Riduzione colesterolo: effetto ipolipidemicizzante, efficacia nel diminuire il colesterolo LDL e VLDL nel sangue,
favorendo invece una maggiore sintesi del colesterolo HDL ee un decremento dei trigliceridi, con conseguente
riduzione dell’indice aterogenico
Sport e Fitness
Menopausa
Un aiuto naturale per perdere peso
Anziani
Vegetariani
Gravidanza ed Allattamento
Fare sempre riferimento ad un medico e/o un nutrizionista
50 kg
41 g proteine
63 g spirulina
0.3 mg/g
Fe
0.9 mg/g
0.14 mg/g
β-carotene
1.9 mg/g
Alimenti funzionali
• Possiedono caratteristiche nutrizionali
• Hanno effetti positivi sulla salute e nella
prevenzione di malattie per la presenza di
componenti bioattivi aggiunti
La spirulina elevato potenziale
come ingrediente alimentare
“speciale”
Alimenti tradizionali arricchiti con Spirulina
Pasta
3% spirulina
€11-20/kg
Gelato
+ Chlorella
Formaggio
+ spirulina
Pane
+ spirulina
Frullato
+ Chlorella
I nuovi cibi e la legislazione EU
Normativa CE n. 258/1997
“Vengono considerati Nuovi Prodotti e Nuovi Ingredienti gli alimenti
NON commercializzati o NON consumati in Europa prima del 15
maggio 1997, data dell’entrata in vigore del Reg. CE 258/1997”
Procedura autorizzativa: lunga e costosa
……………in progress
Solo 10 specie
ammesse
Spirulina per gruppi speciali
Atleti
Anziani
Spirulina e malnutrizione
Menopausa
Obesi
Kit
sopravvivenza
Donne
Proteine 0,80-1 g/kg
Frequente carenza di Vit C, Fe, Ca,
B1, B2, Vit A
Paesi in
via di sviluppo
Gravidanza
Allattamento
Spirulina biscuits nelle Filippine - Caritas Diocesana
Microalgae for Feeds
Aquaculture
Microalgae as aquaculture feed: Larval rearing
♣ Microalgae for larval rearing of bivalve
molluscs and shrimps (larvae, post-larvae,
juvenile)
♣ Microalgae for zooplankton rearing and/or
enrichment (Artemia, rotifers, copepodes)
♣ Green water and pseudo-green water
techniques
€453/kg ss
€418/kg ss
€431/kg ss
€431/kg ss
€1500/kg ss
€365/kg ss
€2000/kg ss
Microalgae for Feeds
Farming animals
€700/kg
Microalghe come Biofertilizzanti
…..VERSO UN’ AGRICOLTURA BIOLOGICA
Bio-fertilizzanti
“uno strumento indispensabile per un’agricoltura sostenibile”
Fertilizzanti chimici
Nutrono la pianta non il suolo
Apportano eccesso di N al terreno ed alla pianta
Non contengono tutte le sostanze minerali
200 x 106 ton/anno
Alterano la microflora del suolo e gli equilibri
naturali
Rendono il terreno più produttivo e sono in grado
di soddisfare la crescente domanda di cibo ma,
nel lungo periodo, rovinano il suolo
Costo energetico di produzione elevato (1,2%
dell’energia mondiale)
Emissioni gas serra (10%)
Inquinamento suolo, acque superficiali e
profonde
Costo:
Continua ascesa della domanda di cibo
Gestione sostenibile del suolo
Fertilizzanti organici e Biofertilizzanti
Biofertilizzanti
Contengono microrganismi vivi o dormienti soli o in
combinazione, in grado di fissare N atmosferico,
solubilizzare /mobilizzare nutrienti del suolo oltre a
secernere sostanze che stimolano la crescita
batteri, funghi, microalghe e attinomiceti
AZOTOFISSATORI
Rhizobium, Azotobacter, Azospirillum
ripristinano la fertilità del suolo fornendo
sostanza organica e/o microorganismi vivi al
terreno
aumentano l’efficacia della concimazione
minerale migliorando la disponibilità di elementi
nutritivi per le piante (per esempio, fissando
l’Azoto atmosferico o solubilizzando il K e il P
presenti nel suolo)
CIANOBATTERI
AZOLLA
Ruolo dei cianobatteri N fix nel terreno
Miglioramento chimica del suolo per incremento del contenuto in N e apporto di SO
Stimolazione dei principali gruppi microbici del suolo (effetto “priming”
Colonizzazione primaria di substrati rocciosi ed aree degradate ed erose
Genesi e mantenimento della struttura del suolo attraverso la produzione di polisaccaridi
(azione ammendante)
Applicazioni in agricoltura
Inoculanti e/o biofertilizzanti del terreno e delle risaie
Condizionatori biologici del terreno
Lotta biologica di patogeni vegetali o animali
Recupero di aree degradate e suoli inquinati (bioremediation)
Fonte di biopolimeri e sostanze utili per l’industria agroalimentare e
mangimistica
50% N fix per via biologica; + efficienti dei batteri N fix ma < applicazione per carenze tecnologiche
Free living Cyanobacteria
Symbiotic Cyanobacteria
Nostoc sp.
Cylindrospermum
Anabaena siamensis
Anabaena azollae
Simbiosi Azolla-Anabaena
Biofertilizzazione con cianobatteri molto diffusa in Asia nei suoli idromorfi delle risaie
“ALGALIZZAZIONE”
700 Mil ton (2014)
20-30 kg N ha-1
COLTURA MASSIVA DEI CIANOBATTERI
• A livello locale in vasche aperte, sacchi di plastica
• Inoculo e sviluppo in risaia
• In FBR per produzione di colture concentrate
Inoculare direttamente colture monoalgali o miste di
cianobatteri N-fix vivi capaci di crescere, colonizzare
ed insediarsi nel terreno svolgendo le proprie attività
fisiologiche
Rilascio di N fissato per essudazione o degradazione
microbica delle cellule morte
Concime verde: biomassa secca
NON SOLO
CIANOBATTERI
ANCHE ALTRE
MICROALGHE
Dose raccomandata per colture di riso 10 kg/ha
Incremento costi per raccolta ed essiccazione
N
7%
1 kg biomass
⇓
70 g N + 8 g P + SO
P
0.8-1%
µE
rich
Algae harvested from wastewater effluent would allow the recycling of these nutrients, and reduce fossil-fuel
consumption required for ammonia fertiliser synthesis and phosphate rock mining
Manifacturing 1 kg NH4 fertilizer
16 kWh
3.5 kg CO2
Processing 1 kg PO4 fertilizer
4.5 kWh
1.39 kg CO2
1 kg biomassa algale ⇒ 0.25 kg CO2 emessa in meno
Energy savings,
greenhouse gas
abatement
Azolla come biofertilizzante
Concime verde (sovescio) prima
dell’impianto del riso
In consociazione con il riso (dual
crop 5-10 ton/ha)
Cina (1.3 Mil ha), Vietnam, India
Azolla come mangime per il bestiame
Biofertilizzanti di nuova generazione da microalghe
Differenti tipologie di biofertilizzanti ottenuti mediante idrolisi
enzimatica si Spirulina
Contengono aa essenziali, vitamine, pigmenti ed acidi grassi
insaturi e minerali facilmente assimilabili dalle piante
Funzione nutritiva, stimolo della crescita e resistenza
La piante usa aa già pronti e cresce più in fretta
Biotecnologie sostenibili per il miglioramento e la fertilità chimica e biologica dei suoli
degradati mediante cianobatteri
Ambienti semiaridi africani
L’utilizzo di biomassa di ceppi cianobatterici autoctoni
N- fix e capaci di rilasciare esopolisaccaridi (EPS)
incrementa la fertilità del suolo, la sua stabilità
strutturale e la resa delle colture
Dalla Cina lo spray anti-desertificazione che combatte l’aridità dei terreni
con i cianobatteri
Chunxiang Hu della Accademia Cinese delle Scienze ha messo a
punto mediante cui idonei cianobatteri vengono prodotti e spruzzati
di frequente nel deserto sulle dune, dove formano filamenti
appiccicosi che tengono particelle del terreno e impediscono alla
sabbia di di essere spazzata via dal vento. Si prevede di inoculare
133 chilometri quadrati nel corso dei prossimi cinque anni (Environ.
Sci. Technol., 2014, 48 - pp 307–315 ).
Trattamento acque di scarico
……….recupero nutrienti e acqua
WASTE-WATER TREATMENT
The concept
Algae cultivation in wastewater may be now
viewed as a process able to economically
produce a valuable source of renewable
carbon-neutral fuel and possibly feed and
fertilizers, not competing for resources with
agriculture
Wastes (human, agricultural, industrial)
provide nutrients at no cost, and may offer the
possibility to bridge the gap between the
current cost of algal biomass production
low cost
Wastewater treatment - HRAP (USA)
HRAP High rate algal ponds
1950
large-scale
algae
production
using
wastewater providing water and nutrients
CO2 CAPTURE
• CO2 sequestration from flue-gas is attractive due to global warming issues
• Typical flue-gas discharged from fossil fuel power plants contains 4 -14% CO2, and up to 0.022% NOx and SOx
• Microalgae can use solar energy and through photosynthesis can capture concentrated CO2 produced by power
stations or from other sources, and are also able to synthesize biofuels and other products of interest
• Microalgae are capable of fixing large amounts of CO2
2 kg of CO2 per 1 kg of dry biomass
• An adequate supply of this carbon source is fundamental to the success of cultivation
• CO2 supply represents one the major cost in microalgae production
• To produce low-value biocommodities (biofuels, food/feed) free CO2 is essential
Biocombustibile da microalgae
……….energia pulita e sostenibile
Uno schema…..x introdurre
Tipiche materie prime vegetali
Colza
Mais
Girasole
Soia
Olio di Palma
La ricerca è impegnata a
sviluppare sistemi che
permettano l’uso delle
microalghe per la
produzione di biodiesel
MICROALGHE……..
Come ottenere biodiesel da microalghe
• Selezione di ceppi microalgali oleaginosi
• Individuare ed Ottimizzare le condizioni di coltura
che favoriscono l’accumulo di olio
• Coltivare le microalghe a costi competitivi
• Estrazione olio
• Trattamento per ottenere biodiesel
Selezione di ceppi microalgali oleaginosi
Principali
caratteristiche
• Contenuto lipidico elevato
• Capacità di accumulare
lipidi in condizioni di stress
• Alta produttività in biomassa
e olio
• Resistenza alle condizioni di
coltura all’aperto
• Non fragilità
Condizioni che favoriscono oleogenesi
COLTURA MASSIVA: Organismo target: Nannochloropsis
Coltura massiva all’aperto in carenza di
azoto (N starvation)
Low-cost PBR
S il = 10 m2
Culture volume = 0,6 m3
Lipidi 28% ss
+N
Lipidi 60% ss
-N
Green Wall Panel ideato e sviluppato da Prof Tredici: Patent WO2004/074423
In collaborazione con F&M srl ed Università degli Studi di Firenze
Produttività delle fonti vegetali tradizionali e delle microalghe
Produzione potenziale
di olio 15 ton/ha/anno
(Rodolfi et al., 2009)
MA……
Il
consumo
di
energia
richiesto
l’agitazione delle colture è notevole e
rappresenta la voce di costo più
importante che impedisce per ora lo
sviluppo di questa tecnologia a livello
industriale.
Costo di Produzione biomassa € 5 Kg-1
Costo richiesto per produzione biodiesel € 0.25 Kg-1
Costo petrolio 30 €/barile ca 0.15 €/L
Algal Biomass
Innovazione e
Sostenibilità
La coltura massiva di microalghe consuma meno acqua rispetto
alle colture di piante oleaginose
Le microalgae possono essere coltivate usando acqua di mare o
acque salmastre e in aree non adatte all’agricoltura tradizionale
E’ richiesto un efficiente
processo di coltivazione
(NO FOOD CONFLICTS)
La produzione di biomassa può essere associata all’uso di gas di
scarico e CO2 di scarto
(1 Kg of biomassa richiede circa 2 Kg of CO2)
Elevati costi di produzione della biomassa
algale dovuti principalmente agli elevati
input energetici per la coltivazione e le
altre fasi di processo (raccolta biomassa,
essiccazione ed estrazione olio):
La coltivazione non fa uso di pesticidi
I nutrienti per la crescita di microalgae (N and P)possono essere
ottenuti da acque di scarico.
BIOREFINERY
The Biorefinery strategy: An example
Utilisation of algal biomass for biofuel generation
AND
concurrent production of valuable microalgal biomass/product
Ω Biorefinery as an approach to maximising exploitation
BIOREFINERY CONCEPT
Microalgal biomass contains lipids (oil), carbohydrates, proteins, and other minor
components such as minerals and vitamins. These components can be processed into
value-added products
After oil extraction, the residues, which are rich in carbohydrates, proteins, and minor
nutrients can be utilized to produce animal feed and biofertilizers
They can also be utilized for biogas production through anaerobic digestion
As a possible substrate, a biogas station can use manure of domestic animals, fed in turn by
residual microalgal biomass after extraction of oils or high-value products
ciclo di produzione delle microalghe e dei prodotti biologici
che possono derivarne.

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