IL POLO DELLE MICROALGHE - Microalghe, per il trattamento e la valorizzazione di reflui e sottoprodotti agro-zootecnici e caseari Bioeconomy ...
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IL POLO DELLE MICROALGHE
Microalghe, per il trattamento e la
valorizzazione di reflui e sottoprodotti agro-
zootecnici e caseari
Venerdì, 25 febbraio 2021
Bioeconomy dialogues, Rivolta d’Adda (CR)
Katia Parati
Istituto Spallanzani
Parternariato
Istituto Sperimentale Italiano “Lazzaro Spallanzani” (IS) (Capofila)
Politecnico di Milano (POLIMI), Polo Territoriale di Cremona (Partner)
Università degli Studi di Milano Bicocca – DISAT (UNIMIB) (Partner)
Centro di Ricerca per le Produz. Foraggere e Lattiero Casearie (CREA-ZA) (Partner)
Provincia di Cremona (PROV-CR) (Partner)
Ente Regionale per i Servizi all'Agricoltura e alle Foreste (ERSAF) (Partner)
Camera di Commercio Industria Artigianato e Agricoltura di Cremona (CCIAA) Cofinanziatore
Collaborazioni: Partner:
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021
L’eccesso di Azoto: un problema di abbondanza
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021
L’eccesso di Azoto: un problema di abbondanza
Flussi globali di azoto in mangimi e granaglie
Milioni di ton…
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021
L’eccesso di Azoto: un problema di abbondanza
Impatti delle attività umane sul pianeta
Steffen et al., 2015 Science
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021
L’eccesso di Azoto: un problema di abbondanza
Emission NH3 ….
NH4+, NO3-, P, K, ecc.
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021
La Direttiva Nitrati
ORIGINE DELL’IDEA PROGETTUALE
• “European Nitrated Directives” (91/676/CEE) Regione Lombardia
• «Environmental Regulations» (DL 152/2006 e 205/2010).
classificazione del 60% del
territorio lombardo come “zona
vulnerabile”
Provincia di Cremona
classificazione del 56% del
territorio provinciale come “zona
vulnerabile”
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021
ORIGINE DELL’IDEA PROGETTUALE
Provincia di Cremona
-15,5% delle aziende iscritte ad ATECO (contro
il 6% della media Regione Lombardia) e 1.613
aziende che allevano 967.000 capi suini,
278.000 bovini e 1800 capi bufalini
-La digestione anaerobica ha trovato sul
territorio ampissima diffusione grazie al
programma di incentivazione dell'energia da
biogas con la presenza di più di 150 impianti a
biogas (più di un terzo di quelli Lombardia)
- Il lattiero-caseario della provincia è uno dei
settori industriali più rilevanti (10% dell’intera
produzione nazionale), leader regionale
nell’export di prodotti lattiero-caseari
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021
REFLUI (Es. Liquame, digestato, acque di lavaggio caseifici…)
SCARTI CASEARI (Es. scotta, latticello, latte di filatura…)
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021
Tecniche di rimozione dell’N
Processi chimico/fisici
– Strippaggio
– Evaporazione
– Filtrazione a membrana
– Precipitazione
Processi biologici
– Nitrificazione/denitrificazione
– fitodepurazione
– Processi innovativi (DENO2, PARNIT/Anammox, algae)
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Trattamento con alghe:Vantaggi
- Trattamento estensivo che sfrutta energia solare
- Alta efficienza fotosintetica (>20% PAR) Waste water
- Alta produttività
- Interazione alghe/batteri treatment
- Recupero nutrienti, rimozione del COD
- Altri effetti:
▪ Disinfezione
▪ Rimozione microcontaminanti
▪ Rimozione metalli
OPEN POND:
58-68% di biomassa algale
23-30% di batteri
sul totale dei solidi sospesi
Munoz & Guieysse (2006) Solimeno et al (2017)
Water research, 40(15), 2799-2815
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Obiettivo del progetto
Realizzazione di un centro di sperimentazione (IL POLO DELLE MICROALGHE) per:
▪lo sviluppo di tecnologie innovative basate
sull’impiego di microalghe e di progetti
imprenditoriali finalizzati alla mitigazione
dell’impatto dei reflui e sottoprodotti di
origine zootecnica e agro-alimentare sul
territorio
▪ trasformazione degli scarti in nuovi
prodotti (biomassa microalgale) da
valorizzare in differenti settori già
consolidati (cosmetico, mangimistico,
energetico, agricolo) in un’ottica di
economia circolare.
▪
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Bioraffineria
Attività 2: Implementazione del Polo
CO2 cosmesi
Sottoprodotti Processi di
lattiero-caseari trasformazione mangimi
Mat organico, Azoto, fosforo e sali Attività 3: Ricerca Sviluppo
tecnologico e ottimizzazione energetico
impiantistica
Biomassa microalgale
Reflui bioplastiche
zootecnici Processi di
trasformazione
biofertilizzanti
Attività 6:
comunicazione
Attività 4: Formazione Effluente Attività 5: Servizi
e Osservatorio
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Implementazione del Polo
Sistemi automatizzati per controllo
temperatura, pH, luce…
Identificazione di pretrattamenti che
rendano i reflui adatti alla coltivazione delle
micraoalghe (separazione solido/liquido,
flocculazione..)
Centrifugazione Sistemi di pre-concentrazione
Liofilizzatore
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Implementazione del POLO
Cascade Raceway Thin layer Raceway open pond 2 Flat panel
2 scivoli inclinati, 10 X 1 m A = 4 m2 (V =0,9 m3) 100 cm x 100 cm x 10 cm
Multilayer Photobioreactor 20 Cylindric PBR
500 Litri V =200 litri
Lunghezza: 5 m Diametro: 30 cm
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021
Inaugurazione Parco Bioreattori, settembre 2019 Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021
Test alla scala pilota – Impianto sperimentale
Average daily Temp °C Average daily irradiance W/m2
35 400
30 350
25 300
250
20
I (W/m2)
T (°C)
200
15
150
10 100
5 50
0 0
15/4 29/4 13/5 27/5 10/6 24/6 8/7 22/7 5/8 19/8 2/9 16/9 30/9 14/10
data
Raceway Campagna sperimentale
A = 3,8 m2 (V =0,9 m3), • 2016: digestato diluito (1:5 → 1:3)
• Mulino • 2017: refluo zootecnico
• Controllo pH con CO2 • 2018: digestato non diluito
• Alimentazione continua Valutazione di:
• Nutrienti, COD
• Crescita algale
Azienda suinicola
(20.000 capi)
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Test alla scala pilota – digestato diluito (2016) e tal quale (2018)
Produttività:
8.2 ± 8.5 gDM/(m2∙d) @2016
6.2 ± 0.9 gDM/(m2∙d) @2018
Chlorella, Scenedesmus, Chrococcus,
Stigeoclonium
Efficienze di rimozione:
• NH4+-N: 95 ± 12 [%]
• N: 52 ± 13 [%]
• PO43--P: 80 ± 21 [%]
• CODs: 45 ± 35 [%]
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Ricerca
Coltivazione di A. platensis (spirulina) su sottoprodotti lattiero
caseari
In collaborazione con caseificio Il Cigno, di
Agnadello (CR)
Prova di coltivazione di Arthrospira platensis
(spirulina) su scotta salata: prova alla scala
pilota (semi-batch)
Crescita costante
Parametro Caratteristiche Caratteristiche
Scotta effluente
pH 5,5 9
COD (g/L) 50 0,5
Rimozione Ntot: 76% N-NO3 (mg/L)Biostimolanti
Attività biostimolante delle microalghe
• con estratti acquosi da microalghe (5 g/L) coltivate su
medium standard e su reflui lattiero caseari sono stati
effettuati:
• TEST DI GERMINABILITA’ in vitro usando semi di crescione
•TEST DI BIOSTIMOLAZIONE in serra (spray fogliare in presenza
e assenza di concime) su specie orticole: basilico, lattuga, ravanello,
rucola
• TEST DI BIOSTIMOLAZIONE in pieno campo (spray fogliare in
presenza e assenza di concime) su specie di interesse industriale:
pomodoro, patata, orzo, canapa
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Biostimolanti
Test di biostimolazione: effetti
Livello agronomico: Livello metabolico:
• Aumento produttività • Aumento del contenuto in:
‐ carboidrati
• Miglior assorbimento di N ‐ clorofille e caroteni
‐ polifenoli
‐ oli essenziali
• Aumento della superficie fogliare
‐ prolina
e della biomassa radicale
• Miglior risposta agli stress
(aumento della produzione di metaboliti
coinvolti nei meccanismi di riparo)
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Saggio alimentare su
giovanili di Storione (Acipenser baeri)
Raccolta e Preparazione Prova
Produzione biomassa mangimi (10% alimentare su
liofilizzazione
microalgale (da di microalga) giovani storioni
medium sintetico
standard (MS), da
SCOTTA, refluo Collaborazioni esterne al Polo: AIA (Veronesi), Università di
zootecnico Almeria (Spagna) e Università di Milano
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Valorizzazione
Mangimistica della biomassa
4. Feeding trials and growth performance of sturgeon
Monofactorial random design 9 treatments (diets) tested in triplicate
• Fish 432 A. baerii (IBW 12.8 ± 0.4 g)
randomly divided in 27 groups
• Experimental facilities 27 circular tanks
(Volume 130 L)
RAS T 18.9 ± 0.6°C.
salinity 1± 0.02‰.
DO 9.6 ±1.2mg/l.
pH 8.1 ± 0.1.
light–dark cycle 12:12
• Experimental protocol
• Fish/tank: 16
• Feed ratio: 3% g/w
• Feeding period: 6 weeks (6 days per week)
• Diets offered in two daily meals
• Fish were tank/group weighted every week
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 20215. Feeding trials and growth performance
The following parameters were calculated per group over 40 days of feeding trial:
Feed intake during the trial
Specific growth rate (SGR): 100 x [(ln final body weight – ln initial body weight)/days]
Feed conversion ratio (FCR): Feed intake/weight gain
Fish Survival (%) Diet IBW (g) FBW (g)
Feed
SGR (%) FCR
SURVIVAL
Intake (g) %
M2- Control (algae free) 12,8 44,2 346,2 3,09 0,69 100
M3- Nannochloropsis, raw clean 13,3 46,5 346,5 3,13 0,75 85,4
M4- Nannochloropsis, raw pig 12,3 43,9 327,0 3,18 0,69 95,8
M5- Nannochloropsis, hydrol. clean 12,8 43,0 319,0 3,03 0,73 95,8
M6- Nannochloropsis hydrol. pig 13,4 48,2 354,7 3,20 0,65 95,8
M7- Scenedesmus, raw clean 12,5 40,8 320,1 2,96 0,71 97,9
M8- Scenedesmus, raw pig 12,7 40,5 319,8 2,90 0,72 100,0
M9- Scenedesmus, hydrol. clean 12,3 39,9 322,7 2,95 0,74 97,9
M10- Scenedesmus, hydrol. pig 12,6 40,2 329,5 2,90 0,75 97,9
M11-Arthrospira, clean 13 43.4 334.4 3 0,80 87.5
M12-Arthrospira, whey 12.7 42,1 324.1 26
3,1 ottobre
0,76 2018
97,9
M13-Scenedesmus/Chroococcus, pig 13.0 43,5 341,5 3,03 0,7 97,9Mangimistica
All the experimental diets tested resulted to be able to ensure a balanced and
complete level of nutrients, suitable for the growth of sturgeon juveniles, conferring
high nutritional quality level of their fillet analogous to the control group fed by fish
meal/oil-based diet.
The best Final Body Weight (FBW) was found in sturgeon fed on hydrolyzed
N.gaditana grown on Organic Medium and the difference with the control resulted
statistically significant.
Dietary inclusion of microalgae induced an increase on microvilli length and
absorption surface.
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Valorizzazione– CH4
Biogas
Semplice da integrare
Si perde il vantaggio sulla rimozione dell’N • Pretrattamenti (costi/benefici)
Basso valore aggiunto e bassa resa di metano • Co-digestione
(100-200 Nm3_CH4/ton_DM)
+ +
Obiettivo: Ottimizzare rapporto C/N
della miscela
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021I servizi
CONSULENZA E PROGETTAZIONE RICERCA E SVILUPPO
• Realizzazione di impianti di microalghe • Sviluppo di disegni sperimentali
integrati ad attività agro-zootecniche o • Realizzazione di test di crescita algale
industriali in scala laboratorio e in scala pilota.
• Analisi di mercato e studi di fattibilità • Prove sperimentali di valorizzazione
• Consulenza amministrativa e redazione delle microalghe nei settori della
di business plan cosmesi, della mangimistica, del
• Progettazione di impianti di microalghe tessile, delle bioplastiche e dei fito-
• Monitoraggio dei parametri di crescita stimolanti
FORMAZIONE E COMUNICAZIONE
• Formazione del personale di enti e aziende che operano nel settore
• Pacchetti didattici di carattere tecnico-applicativo o divulgativo e laboratoriale per
scuole, parchi naturali, fattorie didattiche
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021I servizi ANALISI CHIMICHE
CARATTERIZZAZIONE DELLE ALGHE
PER LA
• Preparazione dei campioni (liofilizzazione e
macinatura)
MONITORAGGIO DELLA CRESCITA ALGALE
• Determinazione della concentrazione e della • Analisi del contenuto in proteine, lipidi,
purezza delle cellule algali in coltura carboidrati, ceneri, acqua
• Analisi composti azotati, fosfati, Domanda • Determinazione del profilo amminoacidico e
Chimica di Ossigeno (COD) e Domanda degli acidi grassi
Biochimica di Ossigeno (BOD)
• Determinazione del contenuto in pigmenti
• Determinazione dell’Ossigeno Disciolto (OD), fotosintetici
del pH e della T°C
• Determinazione di micronutrienti
• Analisi respirometrica e dell’efficienza
fotosintetica della coltura microalgale (PAM) • Determinazione di metalli pesanti
• Rilevazione di microcistine
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021I servizi ANALISI GENETICHE
• Analisi trascrittomica completa
del microbiota presente
ANALISI MICROBIOLOGICHE
all’interno della coltura
• Determinazioni quantitative: Carica • Caratterizzazione specie-
batterica totale; Enterobacteriaceae; specifica di microalghe e batteri
lieviti e muffe; Pseudomonas spp.; • Analisi quanti-qualitativa in real
Sporigeni aerobi totali; Sporigeni time PCR per Archea, AOB,
anaerobi solfitoriduttori; Escherichia cianobatteri
coli; Stafilococchi coagulasi positivi; • Messa a punto di protocolli per
Bacillus cereus
eventuali esigenze specifiche
• Determinazione qualitative
(presenza/assenza) di patogeni;
Salmonella spp.; Listeria
ALTRI SERVIZI
monocytogenes. • Fornitura di inoculi
• Crioconservazione e stoccaggio di ceppi algali
• Test di citotossicità
Bioeconomy Dialogues, 25 febbraio 2021Parati Katia
Valeria Mezzanotte
Elena Ficara
Aldo Tava
Grazie per l’attenzione !
katia.parati@istitutospallanzani.it Ilaria Casadei
Barbara Pisaroni Donatella Melani
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