LARGE SCALE PRODUCTION OF BIOCRUDE FROM MICROALGAE: EXPERIMENTAL MEASUREMENTS AND PROCESS SIMULATIONS TO ASSESS ITS ECONOMIC VIABILITY

This Ph.D. project has been addressed to evaluate the potential of microalgal technology for biofuel production. Different steps of the process, as well as technologies and concepts have been analyzed experimentally and by process simulations in order to assess the sustainability of the production of biofuel from microalgae. An experimentation work on microalgae cultivation in untreated wastewaters is reported, including the selection of the optimal wastewater process stream, the nutrients removal efficiencies and the removal rates. Also, the effects of temperature, day/night irradiation and bacterial competition in steady-state biomass production are evaluated in order to integrate both technologies. Downstream processing has been investigated with respect to anaerobic digestion and hydrothermal liquefaction (HTL) of microalgae biomass. The production of biogas is evaluated using whole and de-oiled microalgae, as a function of inoculum typology and biomass concentration, and the effect of the solvent used for oil extraction is tested. For HTL, the recovery and reuse of the water process is investigated, by recycling it into the HTL system, testing the effects of temperature and the number of recycles on the product yields. An energy analysis of the entire process, considering several process routes and conditions is presented to verify and optimize its energy profits with respect to EROEI, and eventually a process which is energetically self-sufficient is proposed. Finally a techno-economic analysis of a large-scale plant of biocrude is reported, where data from experimental results and process simulations are used to calculate the oil selling price to achieve revenues from the production of biofuel from microalgae.

I biocarburanti provenienti da biomassa microalgale sono considerati come una delle alternative migliori e più a breve termine per produrre energia pulita. Le microalghe sono microorganismi capaci di convertire l’energia solare in energia chimica che può essere sfruttata come combustibili di diverse tipologie sia liquida sia gassosa. L’obiettivo della ricerca presentata in questa Tesi é di valutare il potenziale della tecnologia per la produzione di olio da microalghe, analizzando diverse alternative e concetti sia in modo sperimentale che tramite simulazioni del processo. Il Capitolo 1 é una discussione introduttiva sulla situazione mondiale delle microalghe, recenti studi e gli ultimi risultati riportati su questa tecnologia. Dal punto di vista sperimentali, nei Capitoli 2 e 3 di questa tesi si sono approfonditi, la coltivazione di microalghe in acque reflue e la capacità che presentano alcune specie di microalghe di crescere in acque reflue non trattate, verificata con la microalga Chlorella protothecoides. La crescita é stata valutata in acque provenienti da diversi step del di trattamento delle acque, per selezionare la stream ottimale per la crescita delle microalghe. Inoltre, é stata testata la efficienza nella rimozione di nutrienti e i tassi di rimozione in acque reflue reali. Nel Capitolo 2 si riportano anche la produzione di biomassa in stato stazionario con alimentazione continua del effluente. Nel Capitolo 3 sono stati studiati gli effetti della temperatura, l’irradiazione in ciclo giorno/notte e la competizione batterica sulla crescita di C. protothecoides, e la rimozione dei nutrienti con l’obiettivo d’integrare entrambe tecnologie in un approccio realistico. É stato infine proposto uno schema modificato dell’impianto di depurazione. Il Capitolo 4 presenta il lavoro sperimentale per la valutazione della capacità di produzione di biogas da microalghe e le loro velocità di degradazione nel processo di digestione anaerobica: sono state testate diverse condizioni come la tipologia del’inoculo batterico e la concentrazione della biomassa algale all’inizio delle prove. Inoltre, questo capitolo riporta anche la ricerca nel recupero del contenuto energetico dalla biomassa residua dopo l’estrazione di olio, dimostrando che il metodo di estrazione dell’olio é un fattore importante. La produzione di biogas e sua corrispondente frazione di metano sono stati testati considerando l’effetto della miscela di solvente usato nella estrazione, e i risultati sono stati confrontati con quelli della biomassa microalgale prima della estrazione. Il Capitolo 5 é focalizzato sulla conversione di biomassa mediante il processo di liquefazione idrotermica (HTL) che viene svolto a temperature tra 200 C e 375 C (la pressione é quella necessaria per mantenere l’acqua in stato liquido), ed é caratterizzato da alte rese. Tuttavia, uno dei sottoprodotti é una fase acquosa con alto contenuto di componenti organici che deve essere trattata adeguatamente per evitare ulteriori costi. In questo capitolo si riporta il lavoro sperimentale svolto con l’obiettivo di recuperare e riutilizzare l’acqua di processo mediante un riciclo nel sistema stesso. Inoltre si é misurato l’effetto della temperatura e del numero di ricicli nelle rese di produzione di olio, gas, residuo solido e la fase acquosa e la composizione dei prodotti. Nel Capitolo 6 si riporta l’analisi energetica del processo per la produzione di biocrudo: lo studio é stato svolto considerando diverse tipologie e condizioni di processo, i quali sono stati modellati e simulati dal simulatore di processo Aspen PlusTM, col fine di verificare e ottimizzare i profitti energetici rispetto all’analisi del EROEI, e di proporre un processo energeticamente autosufficiente. Dei diversi processi studiati per ottenere energia della biomassa quello che utilizza la combustione di biomassa dopo estrazione dell’olio é risultato il più favorevole in termini energetici. In particolare, due casi di questo processo sono stati confrontati con un caso base, variando la provenienza dei requisiti energetici (calore ed elettricità), fornendoli sia da fonti esterne che dal processo steso. In ultimo, nel Capitolo 7 si riporta una valutazione tecnica di un impianto per la produzione di biodiesel da microalghe in cui si propone una nuova configurazione della sezione di crescita, un fotobioreattore ibrido, il Closed Pond Reactor (CPR). L’intero processo é stato simulato Aspen PlusTM e ottimizzato per ottenere i migliori benefici in termini energetici. La progettazione e il dimensionamento delle attrezzature tecnologiche sono stati effettuati per ottenere una stima realistica dei costi, considerando sia CAPEX (costi di capitale) e OPEX (costi operativi). Nell’analisi economica si é valutata, la redditività del processo su scala industriale e sono stati calcolati i prezzi di vendita corrispondenti dell’olio e del biodiesel necessario per rendere la produzione economicamente sostenibile.