ITMI20090984A1 - Procedimento per l'essiccazione di biomassa algale - Google Patents

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ITMI20090984A1
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Lino Carnelli
Roberta Miglio
Gianni Pandolfi
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Eni Spa
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Description

PROCEDIMENTO PER L’ESSICCAZIONE DI BIOMASSA ALGALE
La presente invenzione riguarda un procedimento per l’essiccazione di biomassa algale.
Più in particolare, la presente invenzione riguarda un procedimento per l’essiccazione di biomassa algale che comprende depositare su una superficie idrofobica uno strato di una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale e porre in contatto detto strato con aria calda.
La biomassa algale essiccata ottenuta tramite il suddetto procedimento può essere vantaggiosamente utilizzata nella produzione di lipidi. Detti lipidi, possono essere a loro volta utilizzati nella produzione di biodiesel o green diesel.
Alternativamente, detta biomassa algale essiccata può essere vantaggiosamente utilizzata nella produzione di bio-olio o “bio-crude†.
Alternativamente, detta biomassa algale essiccata può essere vantaggiosamente utilizzata per la produzione di energia tramite trattamenti termici quali, ad esempio, combustione o gassificazione.
Le alghe, in particolare le microalghe, vengono attualmente coltivate per la produzione di composti di pregio quali, ad esempio, acidi grassi poli-insaturi [ad esempio, acido eicosapentaenoico (EPA), acido docosaesaenoico (DHA), e simili], vitamine (ad esempio, β-carotene, e simili) e gelificanti, che vengono collocati nei settori nutrizionale, farmaceutico e cosmetico.
La coltivazione di microalghe per i suddetti settori si caratterizza per le capacità produttive piuttosto limitate (dell’ordine di centinaia-migliaia di tonnellate per anno) e per l’elevato valore aggiunto dei composti ottenuti (centinaia-migliaia di euro per chilo). Per questo motivo possono essere tollerati sistemi di produzione, in particolare di concentrazione ed essiccazione della biomassa e di estrazione dei composti di interesse, complicati e costosi, che devono soddisfare i rigidi vincoli di tipo sanitario e nutrizionale tipici dei suddetti settori.
Il passaggio dai settori sopra menzionati, in cui tradizionalmente trovano impiego le microalghe, al settore energetico, richiede lo sviluppo di tecnologie tali da portare a forti incrementi della capacità produttiva (dall’ordine delle centinaiamigliaia di tonnellate per anno ai milioni di tonnellate per anno) ed alla forte riduzione dei costi di produzione a causa del contenuto valore aggiunto dei composti destinati al settore energetico (centinaia di euro per tonnellata).
Processi relativi all’estrazione di composti da biomasse algali, in cui dette biomasse algali vengono essiccate, sono descritti nell’arte.
Ad esempio, Molina Grima e altri, descrivono il recupero di biomassa algale e di metaboliti nel seguente articolo: “Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options and economics†, pubblicato in “Biotechnology Advances†(2003), 20, pg. 491-515. In detto articolo, viene indicata la necessità di trattare la biomassa algale recuperata, ad esempio, per centrifugazione, velocemente in quanto detta biomassa può danneggiarsi in poche ore in climi caldi. Allo scopo di conservare detta biomassa algale per tempi più lunghi, à ̈ quindi utile sottoporre detta biomassa ad essiccazione. Metodi di essiccazione suggeriti comprendono: “spray drying†, “drum drying†, liofilizzazione (“freeze drying†), e “sun drying†.
Il brevetto americano US 5,539,133 descrive un metodo per ottenere lipidi con una elevata quantità di acidi grassi poli-insaturi aventi da 20 a 22 atomi di carbonio attraverso l’estrazione da un materiale grezzo di origine animale o vegetale, detto materiale grezzo avente un contenuto di acqua da 5% in peso a 50% in peso ed una dimensione delle particelle da 0,01 mm a 50 mm, e detta estrazione essendo condotta tramite un solvente organico, preferibilmente miscibile con acqua (e.g., etanolo), oppure tramite gas compresso liquefatto (e.g., biossido di carbonio, propano, o loro miscele). Quale materiale grezzo che può essere utilizzato allo scopo, vengono indicate anche alghe unicellulari (microalghe), oppure macroalghe appartenenti alle famiglie delle alghe rosse, marroni o verdi, dette alghe essendo preventivamente essiccate. Alternativamente, quale materiale grezzo possono essere utilizzati prodotti parzialmente essiccati (“algae flour†) a base di alghe rosse o marroni commercialmente disponibili. Detti acidi grassi poli-insaturi quali, ad esempio, acido docosaesaenoico (DHA), acido arachidonico, sono particolarmente utilizzati nel settore alimentare.
Miao X. e altri, descrivono la produzione di biodiesel da alghe nel seguente articolo: “Biodiesel production from heterotrophic microalgal oil†, pubblicato in “Bioresource Technology†(2006), 97, pg. 841-846. In detto articolo, alghe della specie Chorella protothecoides, cresciute in condizioni eterotrofe, vengono raccolte per centrifugazione, lavate con acqua distillata e successivamente essiccate in un liofilizzatore (“freeze dryer†). Le alghe liofilizzate (“freeze dried†), vengono successivamente polverizzate in un mortaio e sottoposte ad estrazione con esano così da estrarre l’olio. L’olio estratto viene successivamente sottoposto a transesterificazione acida in presenza di metanolo ed acido solforico come catalizzatore di transesterificazione allo scopo di ottenere il biodiesel.
La produzione di biodiesel da alghe viene anche descritta da Hossain S. e altri, nel seguente articolo: “Biodiesel Fuel Production from Algae as Renewable Energy†, pubblicato in “American Journal of Biochemistry and Biotechnology†(2008), 4 (3), pg. 250-254. In detto articolo, alghe della specie Oedogonium e Spirogyra, dopo essere state macinate e sminuzzate il più possibile, vengono essiccate in una stufa termostatata ad 80°C, per 20 minuti, allo scopo di eliminare l’acqua. Successivamente, una soluzione di esano ed etere viene mescolata con le alghe essiccate per estrarre l’olio. L’olio estratto viene recuperato mediante evaporazione, sotto vuoto, da detta soluzione di esano ed etere. La reazione di transesterificazione dell’olio così ottenuto, allo scopo di ottenere il biodiesel, viene condotta in presenza di una miscela di idrossido di sodio come catalizzatore di transesterificazione e metanolo (transesterificazione basica).
La domanda di brevetto americano US 2006/0275863 descrive un metodo per preservare la xantofilla in cellule algali comprendente: coltivare cellule algali contenti xantofilla e successivamente recuperare dette cellule algali; ed essiccare le cellule algali così da ottenere cellule algali aventi un contenuto di umidità inferiore o uguale al 3% in peso. Non vengono indicate particolari limitazioni per quanto riguarda il procedimento di essiccazione. Ad esempio, dette cellule algali possono essere essiccate tramite “drum drying†, “hot air drying†, liofilizzazione (freeze-drying†), “spray drying†. Lo “spray-drying†à ̈ preferito e la temperatura dell’aria in uscita dalla apparecchiatura utilizzata per detto “spray drying†viene regolata a 125°C o più.
Nei “Proceedings of the 14th International Drying Symposium (IDS 2004)†, São Paulo, Brazil, 22-25 August 2004, Vol. B, pg. 813-820, viene descritto il procedimento di essiccazione, che può essere applicato anche a biomassa algale, noto con il nome commerciale di Refractance Window<®>della Desert Lake Technologies. In detto procedimento, una volta raccolta e filtrata, la sospensione acquosa di biomassa algale ottenuta viene immessa attraverso dei piccoli getti su un nastro trasportatore costituito da un materiale poliestere trasparente (ad esempio, Mylar<®>della DuPont), così da formare uno strato sottile, di spessore generalmente compreso tra 0,2 mm ed 1 mm. Sotto il nastro trasportatore, c’à ̈ una camera con acqua calda a circa 70°C, detta acqua essendo riscaldata tramite una stufa esterna. Detto nastro trasportatore scorre sull’acqua, il calore passa da sotto detto nastro trasportatore e viene assorbito dall’acqua che costituisce fino al 95% in peso rispetto al peso totale della suddetta sospensione acquosa di biomassa algale, facendo, in questo modo, evaporare l’acqua nell’ambiente. Al termine di detto procedimento, la biomassa algale essiccata si presenta in forma di una sfoglia sottile.
Tuttavia, i processi sopra riportati possono presentare alcune criticità.
Ad esempio, durante l’essiccamento della biomassa algale tramite “spray drying†, la miscela aria – polvere di biomassa algale che si forma, può essere esplosiva in determinate condizioni (temperatura, dimensioni e concentrazione della polvere, umidità residua, ecc.) così imponendo particolari restrizioni per l’apparecchiatura di “spray drying†con conseguenti oneri economici.
Inoltre, la polvere di biomassa algale ottenuta per “spray drying†à ̈, generalmente, di dimensioni fini e, quindi, potenzialmente inalabile e nociva per le vie respiratorie degli operatori. Di conseguenza, à ̈ generalmente richiesta l’installazione di filtri idonei allo scopo di non nuocere alla salute degli operatori con conseguenti ulteriori oneri economici.
Inoltre, il procedimento di liofilizzazione (“freeze drying†), pur essendo un procedimento di essiccazione in grado di fornire biomassa algale essiccata di elevata qualità, à ̈ molto oneroso in termini energetici ed economici.
Inoltre, l’utilizzo di polvere di biomassa algale essiccata nei successivi procedimenti di produzione di lipidi, ad esempio, tramite estrazione con solvente come sopra descritto, può causare problemi di trascinamento di detta polvere nella fase liquida, che possono rendere più complesse la separazione e la purificazione di detti lipidi e, di conseguenza, diminuire la resa di estrazione.
La Richiedente ha ora trovato che l’essiccazione di biomassa algale può essere vantaggiosamente ottenuta depositando su una superficie idrofobica uno strato di una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale e ponendo detto strato in contatto con aria calda. Detto procedimento consente di ottenere biomassa algale essiccata evitando la formazione di polvere di biomassa algale e, di conseguenza, gli eventuali problemi sopra esposti. Inoltre, detto procedimento, consente di ottenere biomassa algale essiccata di elevata qualità, pari a quella ottenuta tramite liofilizzazione (“freeze drying†), evitando però i costi onerosi della liofilizzazione (“freeze drying†).
Inoltre, detto procedimento consente di evitare l’utilizzo di acqua riscaldata e, quindi, di semplificare il procedimento di essiccamento anche rispetto al procedimento noto come Refractance Window<®>sopra descritto con un conseguente guadagno economico.
Costituisce pertanto oggetto della presente invenzione un procedimento per l’essiccazione di biomassa algale comprendente:
- produrre una sospensione acquosa di biomassa algale;
- concentrare detta sospensione acquosa di biomassa algale così da ottenere una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale;
- depositare su una superficie idrofobica uno strato di detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale, così da ottenere uno strato avente uno spessore inferiore o uguale ad 1 cm, preferibilmente compreso tra 0,2 cm e 0,6 cm;
- porre detto strato in contatto con aria calda, detta aria calda essendo ad una temperatura compresa tra 40°C e 110°C, preferibilmente compresa tra 60°C e 90°C, così da ottenere uno strato di biomassa algale essiccata.
Allo scopo della presente descrizione e delle rivendicazioni che seguono, con il termine “superficie idrofobica†si intende una superficie sulla quale una goccia d’acqua forma un angolo di contatto superiore a 90°.
Allo scopo della presente descrizione e delle rivendicazioni che seguono, le definizioni degli intervalli numerici comprendono sempre gli estremi a meno di diversa specificazione.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, la produzione di detta sospensione acquosa di biomassa algale può derivare dalla coltivazione di alghe, preferibilmente unicellulari (microalghe), effettuata in acque reflue provenienti da acque di scarico industriale e/o civile. In questo caso, la coltivazione algale metabolizza le sostanze contenenti azoto e/o fosforo in esse contenute contribuendo alla loro depurazione. Come CO2necessaria alla crescita algale può essere utilizzata quella contenuta nei gas di combustione industriali (impianti di raffineria, impianti termoelettrici, impianti di generazione dell’idrogeno, ecc.).
In accordo con una ulteriore forma di attuazione preferita della presente invenzione, la produzione di detta sospensione acquosa di biomassa algale può derivare dalla coltivazione di alghe, preferibilmente unicellulari (microalghe), effettuata in acqua di mare.
La coltivazione di dette alghe può essere attuata in condizioni fotoautotrofe, in condizioni eterotrofe, oppure in condizioni mixotrofiche.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, la concentrazione di detta sospensione acquosa di biomassa algale può essere attuata tramite vari procedimenti quali, ad esempio:
- separazione gravitazionale tramite sedimentatori e/o ispessitori tipicamente impiegati negli impianti di trattamento acque;
- flottazione;
- separazione gravimetrica tramite cicloni o spirali;
- centrifugazione;
- filtrazione tramite membrane per ultra- o micro-filtrazione, oppure filtrazione sottovuoto;
- trattamento mediante filtro presse o nastro-presse.
Allo scopo di agevolare la suddetta concentrazione, detta sospensione acquosa di biomassa algale può essere sottoposta a flocculazione. Detta flocculazione può essere attuata tramite vari procedimenti quali, ad esempio:
- bioflocculazione (ad esempio, coltivando le alghe in terreni di coltura a basse concentrazioni di azoto);
- aggiunta di almeno un agente flocculante a detta sospensione acquosa di biomassa algale.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta flocculazione può essere attuata tramite aggiunta di almeno un agente flocculante. Preferibilmente, detto agente flocculante può essere scelto tra: sali metallici quali, ad esempio, cloruro di ferro, solfato di alluminio, solfato di ferro; polielettroliti cationici quali, ad esempio, polietilene immine, poliacrilammidi; chitosano; o loro miscele.
Ad esempio, la concentrazione di ceppi algali di acque dolci come, ad esempio, il ceppo Scenedesmus sp., può essere particolarmente agevolata dall’impiego di polielettroliti cationici, preferibilmente, poliacrilammidi, impiegati in ragione di 2 ppm – 10 ppm (passaggio della concentrazione algale da 0,2 g/l a 30 g/l – 40 g/l in alcune ore).
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale può avere una concentrazione di biomassa algale secca compresa tra il 5% in peso ed il 25% in peso, più preferibilmente compresa tra l’8% in peso ed il 20% in peso, rispetto al peso totale della sospensione acquosa concentrata di biomassa algale.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale può avere una concentrazione di acqua compresa tra il 75% in peso ed il 95% in peso, più preferibilmente compresa tra l’80% in peso ed il 92% in peso, rispetto al peso totale della sospensione acquosa concentrata di biomassa algale.
L’acqua che si libera dalla concentrazione di detta sospensione acquosa di biomassa algale può essere in larga misura recuperata e riutilizzata nel suddetto procedimento come acqua nella produzione di detta sospensione acquosa di biomassa algale (i.e. come acqua di coltivazione delle alghe).
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta superficie idrofobica può comprendere almeno un polimero idrofobico avente un punto di fusione superiore o uguale a 110°C, preferibilmente compreso tra 120°C e 380°C.
In accordo con una ulteriore forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto polimero idrofobico può essere scelto tra: poliolefine quali, ad esempio, polipropilene, polietilene; poliesteri, quale, ad esempio, polietilentereftalato (e.g. Mylar<®>della DuPont); polimeri alogenati quali, ad esempio, polivinilcloruro, politetrafluoroetilene (e.g. Teflon<®>della DuPont); polistireni; polisulfoni, quale, ad esempio, polietersulfone; o loro miscele. Polipropilene, polietilene, polietilentereftalato (e.g., Mylar<®>della DuPont), o loro miscele sono preferiti.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta superficie idrofobica può avere uno spessore compreso tra 0,2 mm e 5 mm, preferibilmente compreso tra 0,5 mm e 3 mm. Detta superficie idrofobica può essere liscia o rugosa.
Allo scopo di automatizzare le operazioni di deposito di detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale su detta superficie idrofobica, può essere vantaggiosamente utilizzato un nastro trasportatore.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione detta superficie idrofobica può essere un nastro trasportatore.
In accordo con una ulteriore forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta superficie idrofobica può essere applicata su un nastro trasportatore. In questo caso, detto nastro trasportatore può essere in materiali polimerici quali, ad esempio, poliammidi (e.g., nylon), gomme, o loro miscele.
Detto nastro trasportatore può operare in modalità discontinua, modalità in cui il nastro trasportatore viene mantenuto in movimento durante le operazioni di deposito della sospensione acquosa concentrata di biomassa algale su detto nastro trasportatore e di scarico della biomassa algale essiccata da detto nastro trasportatore e viene fermato durante l’essiccazione della biomassa algale; oppure in modalità continua, modalità in cui il nastro trasportatore viene mantenuto in movimento durante l’intero procedimento.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto nastro trasportatore può muoversi ad una velocità compresa tra 0,1 m/min e 130 m/min, preferibilmente compresa:
- tra 90 m/min e 120 m/min, nel caso in cui si operi in modalità discontinua; - tra 0,2 m/min e 1 m/min, nel caso in cui si operi in modalità continua.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta aria calda può essere scaldata utilizzando energia solare, oppure cascami di vapori provenienti da altre lavorazioni. L’utilizzo di energia solare à ̈ preferito.
E’ da notare che, nel caso in cui si utilizzino cascami di vapori, à ̈ vantaggioso utilizzare uno scambiatore di calore.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto strato di sospensione acquosa concentrata di biomassa algale può essere posto in contatto con aria calda per un tempo compreso tra 30 minuti e 10 ore, preferibilmente compreso tra 1 ora e 6 ore.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta aria calda può essere aria anidra.
Allo scopo della presente descrizione e delle rivendicazioni che seguono, con il termine “aria anidra†, si intende aria avente, a temperatura ambiente (i.e.
25°C), un contenuto di umidità relativa inferiore o uguale al 70%, preferibilmente compresa tra lo 0% ed il 50%.
Allo scopo di evitare eventuale spostamenti dello strato di biomassa algale essiccata ed evitare quindi, il trascinamento dello stesso nell’aria, sopra detta superficie idrofobica può essere posta una griglia in metallo, oppure una rete in materiale polimerico quale, ad esempio, polivinilcloruro, dette griglia o rete aventi, preferibilmente, maglie di dimensioni inferiori a 2 cm x 2 cm (h x l), oppure un foglio di carta, ad esempio carta assorbente. E’ da notare che dette griglia, rete o foglio di carta, non devono venire in contatto con lo strato di sospensione acquosa concentrata di biomassa algale depositato su detta superficie idrofobica.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, dette griglia, rete o foglio di carta, possono essere posti ad una distanza, rispetto a detta superficie idrofobica, inferiore o uguale a 5 cm, preferibilmente compresa tra 1 cm e 4 cm.
Il ricambio dell’aria calda in contatto con detto strato di sospensione acquosa concentrata di biomassa algale avviene naturalmente per effetto del cambio di densità dell’aria stessa dovuto sia al riscaldamento, sia all’umidità che si forma.
Alternativamente, allo scopo di convogliare e movimentare l’aria calda che riscalda detto strato di sospensione acquosa concentrata di biomassa algale e spostare in continuo l’aria umida che si forma, può essere vantaggioso attuare detto procedimento in una struttura sostanzialmente chiusa.
Costituisce pertanto un ulteriore oggetto della presente invenzione, un procedimento per l’essiccazione di biomassa algale all’interno di una struttura sostanzialmente chiusa, detta struttura sostanzialmente chiusa includente almeno una superficie idrofobica, comprendente:
- produrre una sospensione acquosa di biomassa algale;
- concentrare detta sospensione acquosa di biomassa algale così da ottenere una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale;
- depositare su una superficie idrofobica uno strato di detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale, così da ottenere uno strato avente uno spessore inferiore o uguale ad 1 cm, preferibilmente compreso tra 0,2 cm e 0,6 cm;
- porre detto strato in contatto con aria calda, detta aria calda essendo ad una temperatura compresa tra 40°C e 110°C, preferibilmente compresa tra 60°C e 90°C, così da ottenere uno strato di biomassa algale essiccata.
Allo scopo della presente descrizione e delle rivendicazioni che seguono, con il termine di “struttura sostanzialmente chiusa†, si intende una struttura provvista di una copertura, eventualmente apribile, in cui l’aria entra da un lato ed esce dal lato opposto.
Secondo una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta struttura sostanzialmente chiusa può essere provvista di pannelli laterali inclinati (copertura a capanna), oppure di almeno un pannello superiore (copertura piatta) e di almeno un panello laterale. Detti pannelli possono essere scelti, ad esempio, tra: vetro; materiali plastici quali, ad esempio, plexiglass, poliacrilati, policarbonati, polistireni, poliolefine (e.g. polietilene, polipropilene); materiali compositi quali, ad esempio, poliolefine rinforzate con fibre di vetro; detti materiali plastici e/o detti materiali compositi essendo preferibilmente stabilizzati ai raggi ultravioletti (“UV-rays†) grazie all’ausilio di agenti stabilizzanti UV quali, ad esempio, benzofenoni, benzotriazoli, ammine stericamente impedite (HALS), o loro miscele. Preferibilmente, detti pannelli sono in polietilene stabilizzato ai raggi ultravioletti.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta superficie idrofobica può essere un nastro trasportatore.
In accordo con una ulteriore forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta superficie idrofobica può essere applicata su un nastro trasportatore. In questo caso, detto nastro trasportatore può essere in materiali polimerici quali, ad esempio poliammidi (e.g., nylon), gomme, o loro miscele.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto nastro trasportatore può muoversi ad una velocità compresa tra 0,1 m/min e 130 m/min, preferibilmente compresa:
- tra 90 m/min e 120 m/min, nel caso si operi in modalità discontinua;
- tra 0,2 m/min e 1 m/min, nel caso si operi in modalità continua.
La movimentazione di detta aria calda all’interno di detta struttura sostanzialmente chiusa può essere effettuata tramite un camino, oppure tramite un ventilatore.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta aria calda può muoversi all’interno di detta struttura sostanzialmente chiusa ad una velocità di flusso compresa tra 0,2 m/min e 10 m/min, preferibilmente compresa tra 0,3 m/min e 4 m/min.
In accordo con una ulteriore forma di attuazione preferita della presente invenzione, detta aria calda può muoversi all’interno di detta struttura sostanzialmente chiusa ad una velocità di flusso compresa tra 15 Nm<3>/h e 250 Nm<3>/h, preferibilmente compreso tra 18 Nm<3>/h e 240 Nm<3>/h.
E’ da notare che, generalmente, detto strato di biomassa algale essiccato può avere uno spessore inferiore o uguale ad 1/10 rispetto allo spessore dello strato di sospensione acquosa concentrata di biomassa algale depositato su detta superficie idrofobica.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto strato di biomassa algale essiccato può avere uno spessore inferiore uguale a 0,1 cm, preferibilmente compreso tra 0,02 cm e 0,06 cm.
In accordo con una forma di attuazione preferita della presente invenzione, detto strato di biomassa algale essiccata può avere un contenuto di umidità residua inferiore o uguale al 5% in peso, preferibilmente compreso tra lo 0,5% in peso ed il 3% in peso, rispetto al peso totale di detto strato di biomassa algale essiccata.
La presente invenzione sarà ora illustrata in maggior dettaglio attraverso una forma illustrativa con riferimento alla Figura 1 sotto riportata.
Secondo una tipica attuazione del procedimento oggetto della presente invenzione, la sospensione acquosa della biomassa algale viene prodotta tramite coltivazione di microalghe, effettuata in acque reflue provenienti da scarichi industriali, oppure in acqua di mare. Ad esempio, la produzione di microalghe può essere convenientemente condotta combinando sistemi di coltivazione quali fotoreattori ed “open ponds†.
La sospensione acquosa di biomassa algale così ottenuta, viene concentrata tramite separazione gravitazionale, preferibilmente in presenza di un agente flocculante, ottenendo una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale (2).
L’acqua che si libera dalla concentrazione della sospensione acquosa di biomassa algale può essere in larga misura recuperata e riutilizzata nel suddetto procedimento come acqua nella produzione di detta sospensione acquosa di biomassa algale (i.e. come acqua di coltivazione delle alghe) (non rappresentato in Figura 1).
La sospensione acquosa concentrata di biomassa algale (2) viene alimentata, tramite una pompa di alimentazione (non rappresentata in Figura 1), ad una tramoggia (3) posta all’interno di una struttura sostanzialmente chiusa (1), detta struttura sostanzialmente chiusa comprendente una intelaiatura (6), pannelli laterali inclinati (copertura a capanna) (7) (inclinatura non rappresentata in Figura 1) , e supporti (8). Detti panelli sono, preferibilmente, in polietilene stabilizzato ai raggi ultravioletti. Detti pannelli possono essere apribili (non rappresentato in Figura 1).
A detta tramoggia (3) viene quindi alimentata una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale avente una concentrazione di biomassa algale secca preferibilmente compresa tra l’8% in peso ed il 20% in peso rispetto al peso totale della sospensione acquosa concentrata di biomassa algale.
La sospensione acquosa concentrata di biomassa algale, in uscita dalla tramoggia, viene depositata su un nastro trasportatore, preferibilmente in Mylar<®>della DuPont, così da ottenere uno strato di detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale di spessore preferibilmente compreso tra 0,2 cm e 0,6 cm.
L’aria viene immessa in detta struttura sostanzialmente chiusa (1), in controcorrente rispetto al nastro trasportatore (4), tramite il ventilatore (13) attraverso la condotta (14). Come detto sopra, l’aria può essere riscaldata utilizzando energia solare oppure, alternativamente, può essere pre-riscaldata utilizzando cascami di vapori provenienti da altre lavorazioni tramite lo scambiatore di calore (12).
Alternativamente, allo scopo di ridurre il consumo di energia elettrica, come rappresentato in Figura 1, detto ventilatore (13) può essere attivato utilizzando l’energia [rappresenta con linea tratteggiata (17)] derivante da un pannello solare (16). Detto pannello solare (16) può comprendere un dispositivo fotovoltaico in grado di raccogliere e convertire le radiazioni solari in energia elettrica.
All’interno di detta struttura sostanzialmente chiusa (1), l’aria viene portata ad una temperatura compresa tra 60°C e 90°C, utilizzando energia solare.
Alternativamente, allo scopo di ridurre il consumo di energia elettrica, il ventilatore (13) può essere fermato ed il circolo dell’aria all’interno di detta struttura sostanzialmente chiusa (1), può essere consentito dalla presenza di un camino (5).
Detto camino (5) serve, inoltre, allo scopo di eliminare il vapore acqueo derivante dall’essiccamento della sospensione acquosa concentrata di biomassa algale. Detto vapore acqueo esce, infatti, dal camino (5) come aria umida.
Come rappresentato in Figura 1, sopra detto nastro trasportatore (4) viene posta una rete metallica (15), detta rete avente, preferibilmente, maglie di dimensioni inferiori a 2 cm x 2 cm (h x l), ad una distanza preferibilmente compresa tra 1 cm e 4 cm rispetto a detto nastro trasportatore (4).
Al termine dell’essiccazione, si ottiene uno strato sottile di biomassa algale essiccata, avente uno spessore preferibilmente compreso tra 0,02 cm e 0,06 cm, che si stacca dal nastro trasportatore (4), naturalmente, oppure tramite un raschiatore (non rappresentato in Figura 1) che può essere posto al termine del nastro trasportatore (4), dal lato opposto alla tramoggia (3), frammentandosi in pezzi (“foglie†). Detti pezzi (“foglie†) vengono successivamente raccolte in una tramoggia di scarico (9). Detti pezzi (“foglie†) possono essere direttamente inviati ad ulteriori trattamenti quali, ad esempio, estrazione di lipidi, produzione di biodiesel o green diesel, produzione di bio-olio o di “bio-crude†, produzione di energia, oppure possono essere raccolti in sacchi (non rappresentati in Figura 1) che vengono inviati allo stoccaggio. Detti sacchi possono essere stoccati per periodi lunghi (dell’ordine di mesi).
Come detto sopra, la biomassa algale essiccata ottenuta in accordo con il procedimento della presente invenzione, può essere sottoposta ad ulteriori trattamenti.
Ad esempio, detta biomassa algale essiccata può essere sottoposta ad estrazione dei lipidi. Detta estrazione, può essere effettuata tramite procedimenti noti nell’arte quali, ad esempio, estrazione meccanica; estrazione in presenza di solventi organici (ad esempio, idrocarburi C6-C8, alcoli, o loro miscele, ecc.), operando in fase liquida, oppure operando in condizioni supercritiche (ad esempio, in presenza di biossido di carbonio, propano, o loro miscele, ecc.).
I lipidi estratti possono essere sottoposti a transesterificazione in presenza di un alcool avente da 1 a 4 atomi di carbonio, preferibilmente metanolo, etanolo, e di un catalizzatore, preferibilmente di un catalizzatore acido, al fine di produrre glicerolo ed esteri alchilici, in particolare esteri metilici o esteri etilici (biodiesel).
Alternativamente, i lipidi estratti possono essere sottoposti ad idrogenazione/deossigenazione in presenza di idrogeno e di un catalizzatore al fine di produrre green diesel. Processi di idrogenazione/deossigenazione sono noti nell’arte e sono descritti, ad esempio, nella domanda di brevetto europeo EP 1,728,844.
Alternativamente, detta biomassa algale essiccata può essere utilizzata per la produzione di bio-olio o di “bio-crude†che può essere effettuata tramite trattamenti termici quali, ad esempio, liquefazione o pirolisi.
Infine, detta biomassa algale essiccata può essere utilizzata nella produzione di energia che può essere effettuata tramite trattamenti termici quali, ad esempio, combustione o gassificazione.
Allo scopo di meglio comprendere la presente invenzione e per mettere in pratica la stessa, di seguito si riportano alcuni esempi illustrativi e non limitativi della stessa.
ESEMPIO 1
Essiccazione della biomassa algale
Allo scopo, Ã ̈ stata utilizzata una sospensione acquosa di biomassa algale ottenuta dal ceppo algale di Scenedesmus sp. cresciuto nel mezzo di coltura M4N riportato in letteratura per la coltivazione di microalghe.
La sospensione acquosa à ̈ stata sottoposta a determinazione della concentrazione di biomassa algale che à ̈ risultata essere pari a 0,92 g/l.
Detta sospensione acquosa di biomassa algale à ̈ stata quindi centrifugata in una centrifuga a dischi (della Alfa Laval) ottenendo una sospensione acquosa di biomassa algale avente una concentrazione di biomassa algale secca pari a 10 g/litro.
Successivamente, detta sospensione acquosa di biomassa algale à ̈ stata sottoposta nuovamente a centrifugazione in una centrifuga a rotore (della Sorvall) fino ad ottenere una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale avente una concentrazione di biomassa algale secca pari al 18% in peso rispetto al peso totale di detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale.
Un campione di detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale à ̈ stato versato su un vassoio di dimensioni pari a 50 cm x 50 cm, rivestito con un film di poliestere (Mylar<®>della DuPont), così da ottenere uno strato di sospensione acquosa concentrata di biomassa algale avente 0,5 cm di spessore.
Il vassoio à ̈ stato quindi ricoperto con una griglia in metallo avente maglie di dimensioni pari a 0,8 cm x 0,8 cm (h x l) posta ad una distanza pari a 2 cm rispetto a detto strato di sospensione acquosa concentrata di biomassa algale ed à ̈ stato posto in una stufa ventilata operando alle seguenti condizioni:
- temperatura aria: 65°C;
- tempo di permanenza: 4 ore;
- velocità di flusso aria: 20 Nm<3>/h.
Al termine dell’essiccamento, il vassoio à ̈ stato estratto dalla stufa: lo strato di biomassa algale essiccata si presentava in forma di “foglie†staccate dal film di poliestere. Dette “foglie†sono state raccolte e sottoposte ad analisi termogravimetrica, operando a 120°C, allo scopo di determinare il contenuto di umidità residua che à ̈ risultato essere inferiore all’1,5% in peso rispetto al peso totale di detto strato di biomassa algale essiccata.
ESEMPIO 2
Estrazione con solvente
Un campione di biomassa algale essiccata come descritto nell’Esempio 1 à ̈ stato sottoposto ad estrazione con solvente (campione 1).
A scopo comparativo, un campione di biomassa algale ottenuto come descritto nell’Esempio 1 ma essiccato tramite liofilizzazione (“freeze drying†), a -50°C, per circa 20 ore, à ̈ stato sottoposto ad estrazione con solvente (campione 2).
A tale scopo, entrambi i campioni, sono stati sottoposti ad estrazione in una apparecchiatura Soxhlet, utilizzando n-ottano come solvente di estrazione, operando alle seguenti condizioni:
- rapporto n-ottano/biomassa algale essiccata: 25 peso/peso;
- temperatura: 125°C;
- tempo: 20 cicli di 15 minuti.
Al termine dell’estrazione, l’ottano contenente la frazione estratta dalla biomassa algale à ̈ stato sottoposto a distillazione sotto vuoto, a 53°C, ottenendo una quantità di “bio-crude†(% in peso rispetto al peso totale della biomassa algale essiccata sottoposta ad estrazione) pari a:
- campione 1 (invenzione): 13,5% in peso;
- campione 2 (comparativo): 13,0% in peso.
I dati sopra riportati dimostrano, quindi, che operando secondo il procedimento della presente invenzione si ottiene una biomassa algale essiccata che consente di ottenere una resa di estrazione di “bio-crude†pari a quella ottenuta dalla biomassa algale essiccata tramite liofilizzazione.
ESEMPIO 3
Essiccazione della biomassa algale
Allo scopo, Ã ̈ stata utilizzata una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale del ceppo algale Nannochloropsis sp. (Instant Algae<®>prodotta dalla Reed Mariculture).
Detta sospensione acquosa concentrata à ̈ stata diluita con acqua deionizzata allo scopo di ottenere una concentrazione di biomassa algale pari a 0,200 g/l.
Detta sospensione acquosa di biomassa algale à ̈ stata posta in un sedimentatore e lasciata sedimentare per 2 ore, dopo aver aggiunto, sotto forte agitazione (500 rpm), 10 mg/l di poliacrilammide. Dal fondo del sedimentatore, à ̈ stata prelevata la fase solida comprendente una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale avente una concentrazione di biomassa algale secca pari a 33 g/litro.
Successivamente, detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale à ̈ stata sottoposta a filtrazione sotto vuoto ed à ̈ stata ottenuta una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale avente una concentrazione di biomassa algale secca pari al 10% in peso rispetto al peso totale della sospensione acquosa concentrata di biomassa algale.
Un campione di detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale à ̈ stato versato su un vassoio di dimensioni pari a 50 cm x 50 cm, rivestito con un film di polipropilene corrugato, così da ottenere uno strato di sospensione acquosa concentrata di biomassa algale avente 0,3 cm di spessore.
Il vassoio à ̈ stato quindi ricoperto con una griglia in metallo avente maglie di dimensioni pari a 0,8 cm x 0,8 cm (h x l) posta ad una distanza pari a 2 cm rispetto a detto strato di sospensione acquosa di biomassa algale ed à ̈ stato posto in una stufa ventilata operando alle seguenti condizioni:
- temperatura aria: 75°C;
- tempo di permanenza: 2 ore;
- velocità di flusso aria: 30 Nm<3>/h.
Al termine dell’essiccamento, il vassoio à ̈ stato estratto dalla stufa: lo strato di biomassa algale essiccata si presentava in forma di “foglie†staccate dal film di polipropilene. Dette “foglie†sono state raccolte e sottoposte ad analisi termogravimetrica, operando a 120°C, allo scopo di determinare il contenuto di umidità residua che à ̈ risultato essere inferiore al 3% in peso rispetto al peso totale di detto strato di biomassa algale essiccata.

Claims (39)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per l’essiccazione di biomassa algale comprendente: - produrre una sospensione acquosa di biomassa algale; - concentrare detta sospensione acquosa di biomassa algale così da ottenere una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale; - depositare su una superficie idrofobica uno strato di detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale, così da ottenere uno strato avente uno spessore inferiore o uguale ad 1 cm; - porre detto strato in contatto con aria calda, detta aria calda essendo ad una temperatura compresa tra 40°C e 110°C così da ottenere uno strato di biomassa algale essiccata.
  2. 2. Procedimento per l’essiccazione di biomassa algale all’interno di una struttura sostanzialmente chiusa, detta struttura sostanzialmente chiusa includente almeno una superficie idrofobica, comprendente: - produrre una sospensione acquosa di biomassa algale; - concentrare detta sospensione acquosa di biomassa algale così da ottenere una sospensione acquosa concentrata di biomassa algale; - depositare su una superficie idrofobica uno strato di detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale, così da ottenere uno strato avente uno spessore inferiore o uguale ad 1 cm; - porre detto strato in contatto con aria calda, detta aria calda essendo ad una temperatura compresa tra 40°C e 110°C così da ottenere uno strato di biomassa algale essiccata.
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto strato ha uno spessore compreso tra 0,2 cm e 0,6 cm.
  4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta aria calda à ̈ ad una temperatura compresa tra 60°C e 90°C.
  5. 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta sospensione acquosa di biomassa algale deriva dalla coltivazione di alghe unicellulari (microalghe), effettuata in acque reflue provenienti da acque di scarico industriale e/o civile.
  6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detta sospensione acquosa di biomassa algale deriva dalla coltivazione di alghe unicellulari (microalghe), effettuata in acqua di mare.
  7. 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la concentrazione della sospensione acquosa di biomassa algale à ̈ attuata tramite: - separazione gravitazionale tramite sedimentatori e/o ispessitori tipicamente impiegati negli impianti di trattamento acque; - flottazione; - separazione gravimetrica tramite cicloni o spirali; - centrifugazione; - filtrazione tramite membrane per ultra- o micro-filtrazione, oppure filtrazione sottovuoto; - trattamento mediante filtro presse o nastro-presse.
  8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta sospensione acquosa di biomassa algale à ̈ sottoposta ad un trattamento di flocculazione attuato tramite: - bioflocculazione; - aggiunta di almeno un agente flocculante a detta sospensione acquosa di biomassa algale.
  9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui detto agente flocculante à ̈ scelto tra: sali metallici quali cloruro di ferro, solfato di alluminio, solfato di ferro; polielettroliti cationici quali polietilene immine, poliacrilammidi; chitosano; o loro miscele.
  10. 10. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale ha una concentrazione di biomassa algale secca compresa tra il 5% in peso ed il 25% in peso rispetto al peso totale della sospensione acquosa concentrata di biomassa algale.
  11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale ha una concentrazione di biomassa algale secca compresa tra l’8% in peso ed il 20% in peso rispetto al peso totale della sospensione acquosa concentrata di biomassa algale.
  12. 12. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale ha una concentrazione di acqua compresa tra il 75% in peso ed il 95% in peso rispetto al peso totale della sospensione acquosa concentrata di biomassa algale.
  13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, in cui detta sospensione acquosa concentrata di biomassa algale ha una concentrazione di acqua compresa tra l†̃80% in peso ed il 92% in peso rispetto al peso totale della sospensione acquosa concentrata di biomassa algale.
  14. 14. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta superficie idrofobica comprende almeno un polimero idrofobico avente un punto di fusione superiore o uguale a 110°C.
  15. 15. Procedimento secondo la rivendicazione 14, in cui detto polimero idrofobico ha un punto di fusione compreso tra 120°C e 380°C.
  16. 16. Procedimento secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui detto polimero idrofobico à ̈ scelto tra: poliolefine, quali, polipropilene, polietilene; poliesteri, quale polietilentereftalato; polimeri alogenati, quali polivinilcloruro, politetrafluoroetilene; polistireni; polisulfoni, o loro miscele.
  17. 17. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta superficie idrofobica ha uno spessore compreso tra 0,2 mm e 5 mm.
  18. 18. Procedimento secondo la rivendicazione 17, in cui detta superficie idrofobica ha uno spessore compreso tra 0,5 mm e 3 mm.
  19. 19. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta superficie idrofobica à ̈ un nastro trasportatore.
  20. 20. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 18, in cui detta superficie idrofobica à ̈ applicata su un nastro trasportatore.
  21. 21. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto nastro trasportatore si muove ad una velocità compresa tra 0,1 m/min e 130 m/min.
  22. 22. Procedimento secondo la rivendicazione 21, in cui detto nastro trasportatore si muove ad una velocità compresa: - tra 90 m/min e 120 m/min, nel caso in cui si operi in modalità discontinua; - tra 0,2 m/min e 1 m/min, nel caso in cui si operi in modalità continua.
  23. 23. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta aria calda à ̈ scaldata utilizzando energia solare, oppure cascami di vapori provenienti da altre lavorazioni.
  24. 24. Procedimento secondo la rivendicazione 23, in cui detta aria calda à ̈ scaldata utilizzando energia solare.
  25. 25. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto strato di sospensione acquosa concentrata di biomassa algale à ̈ posto in contatto con aria calda per un tempo compreso tra 30 minuti e 10 ore.
  26. 26. Procedimento secondo la rivendicazione 25, in cui detto strato di sospensione acquosa concentrata di biomassa algale à ̈ posto in contatto con aria calda per un tempo compreso tra 1 ora e 6 ore.
  27. 27. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta aria calda à ̈ aria anidra.
  28. 28. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui una griglia in metallo, una rete in materiale polimerico, o un foglio di carta, sono posti ad una distanza, rispetto a detta superficie idrofobica, inferiore o uguale a 5 cm.
  29. 29. Procedimento secondo la rivendicazione 28, in cui detta distanza à ̈ compresa tra 1 cm e 4 cm.
  30. 30. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 29, in cui detta struttura sostanzialmente chiusa à ̈ provvista di pannelli laterali inclinati (copertura a capanna), oppure di almeno un pannello superiore (copertura piatta) e di almeno un detto panello laterale.
  31. 31. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 30, in cui detta aria calda si muove all’interno di detta struttura sostanzialmente chiusa ad una velocità di flusso compresa tra 0,2 m/min e 10 m/min.
  32. 32. Procedimento secondo la rivendicazione 31, in cui detta aria calda si muove all’interno di detta struttura sostanzialmente chiusa ad una velocità di flusso compresa tra 0,3 m/min e 4 m/min.
  33. 33. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 32, in cui detta aria calda si muove all’interno di detta struttura sostanzialmente chiusa ad una velocità di flusso compresa tra 15 Nm<3>/h e 250 Nm<3>/h.
  34. 34. Procedimento secondo la rivendicazione 33, in cui detta aria calda si muove all’interno di detta struttura sostanzialmente chiusa ad una velocità di flusso compresa tra 18 Nm<3>/h e 240 Nm<3>/h.
  35. 35. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto strato di biomassa algale essiccato ha uno spessore inferiore uguale a 0,1 cm.
  36. 36. Procedimento secondo la rivendicazione 35, in cui detto strato di biomassa algale essiccato ha uno spessore compreso tra 0,02 cm e 0,06 cm.
  37. 37. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto strato di biomassa algale essiccata ha un contenuto di umidità residua inferiore o uguale al 5% in peso rispetto al peso totale di detto strato di biomassa algale essiccata.
  38. 38. Procedimento secondo la rivendicazione 37, in cui detto strato di biomassa algale essiccata ha un contenuto di umidità residua compreso tra lo 0,5% in peso ed il 3% in peso rispetto al peso totale di detto strato di biomassa algale essiccata.
  39. 39. Uso della biomassa algale essiccata ottenuta in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti nella produzione di: - lipidi; - biodiesel o green diesel; - bio-olio o “bio-crude†; - energia.
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