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.