Nel presente studio è stata fatta una modellazione virtuale per avere una panoramica completa di quello che è il sistema completo per la coltivazione, raccolta e successiva valorizzazione delle microalghe all’interno di un fotobioreattore a membrana. In generale i sistemi di coltivazione possono essere aperti o chiusi \cite{Aghaalipour_2020}, quelli aperti hanno dei costi minori ma sono maggiormente soggetti a svantaggi come evaporazione dell’acqua contaminazione da parte di altri microorganismi, scarso passaggio della luce, invece, nei sistemi chiusi ovvero i fotobioreattori i costi sono più alti però allo stesso modo presentano molti vantaggi, riducono la contaminazione, prevengono l’evaporazione ed inoltre è possibile monitorare costantemente i parametri di crescita delle microalghe\cite{Severo_2019}. Infatti, ad oggi numerosi studi dimostrano che per produrre biofuel ed altri prodotti ad alto valore, in modo da poter compensare quelli che sono i costi del processo sia energetici che per le apparecchiature, l’unico modo è l’utilizzo di sistemi chiusi i quali permettono di avere una biomassa microalgale di maggiore qualità.
Modellazione
La modellazione come anticipato riguarda l'intero apparato di sperimentazione per la crescita di microalghe all'interno di un fotobioreattore a membrana \cite{Senatore_2021}. La modellazione è stata fatta con CATIA, un software di progettazione 3D usato nell’ingegneria industriale. Sono stati modellati tutti i componenti dell'apparato sperimentale. In primis è stato modellato il fotobioreattore nel quale avvengono le fasi di crescita e raccolta. In particolare, tra le varie tipologie di fotobioreattori è stato scelto un fotobioreattore a colonna verticale in Plexiglas. Per quanto riguarda la membrana è stata inserita una membrana dinamica autoformante composta da fogli di Dacron \cite{Millanar_Marfa_2021} \cite{Abdulkarem_2021}, la quale viene inserita all’interno del fotobioreattore dopo l’acclimatazione delle microalghe. Poi abbiamo la colonna di assorbimento anch’essa in plexiglas, la cui funzione è quella di avere un liquido ricco di CO2 e aria. Nella colonna di assorbimento dall’alto viene immessa l’acqua prelevata all’interno del fotobioreattore e dal basso attraverso due diffusori viene immessa la miscela di CO2 e aria così da raggiungere un liquido concentrato di anidride carbonica e aria, che verrà poi reimmesso nel fotobioreattore per favorire la crescita delle microalghe\cite{Valeh_e_Sheyda_2021}. La quantità di anidride carbonica e aria necessaria viene fornita da una bombola di anidride carbonica pura e da un compressore, i quali a loro volta sono collegati a dei flussimetri per regolare la portata. Per il ricircolo dell’acqua dal fotobioreattore alla colonna e dalla colonna di nuovo al fotobioreattore viene usata una pompa peristaltica. Invece un’altra pompa peristaltica viene utilizzata per prelevare il permeato dalla membrana e pomparlo nel contenitore, sul quale poi vengono effettuate le analisi necessarie per monitorare i parametri di crescita. Infine, abbiamo le lampade LED che vengono posizionate intorno al fotobioreattore in modo da garantire una corretta e adeguata penetrazione della luce all’interno del fotobioreattore necessaria per la crescita delle microalghe. Dopo la fase di coltivazione e crescita le microalghe vengono raccolte attraverso una filtrazione a membrana, attraverso il quale si va a rimuovere un enorme quantità di acqua per aumentare la concentrazione della biomassa\cite{Drexler_2014} \cite{Zarra_2019}. Infine, dopo essere stata raccolta, vengono estratti i preziosi bioprodotti contenuti nella biomassa (oli, proteine, pigmenti ecc.)\cite{Murena_2019} \cite{Comia_2019}, i quali saranno utilizzati per produrre biofuel ed altri prodotti in campo farmaceutico, agricolo, cosmetico ecc. \cite{Oliva_2021} \cite{Nestic__2020} Un problema legato a questa tecnologia è il fouling delle membrane, ovvero un’incrostazione della membrana che porta ad un dispendio energetico maggiore da parte del sistema e ad una quantità eccessiva di membrane da sostituire che aumenterebbe i costi Capitali ed energetici\cite{Sohn_2021} \cite{Oliva_2019}. Già si sta lavorando anche a questo problema, infatti, alcuni studi dimostrano che attraverso nuovi materiali per la membrana e specifici metodi di filtrazione si può ridurre fortemente questo fenomeno \cite{Pervez_2020} \cite{Abdallah_2020}.