BIOCLAD: Adaptive Biodigital Cladding System by Federico Borello

BIOCLAD Adaptive Biodigital Cladding System Tesi di Laurea Magistrale //Tutors Cesare Griffa Roberto Giordano //Consulenza Biologica Mario Tredici //Candidato Federico Borello

Politecnico di Torino_FacoltĂ di Architettura Laurea Magistrale in Architettura per il Progetto Sostenibile_2013/2014

Dedico il lavoro svolto in questa tesi ai miei genitori che mi hanno sempre supportato, sia emotivamente che economicamente, e grazie ai quali ho potuto svolgere al meglio il mio percorso accademico in questi anni. Ringrazio in modo particolare il mio relatore Cesare Griffa, per la fiducia e la disponibilitĂ dimostratami e gli stimoli datimi in questi anni, grazie al quale ho sviluppato un personale pensiero critico e definito un approccio personale ai temi della cultura architettonica contemporanea. Ringrazio il prof. Roberto Giordano per la disponibilitĂ e la volontĂ dimostratami in questi mesi di preparazione del lavoro di tesi e il prof. Mario Tredici per la disponibilitĂ e la consulenza sui temi micro biologici. Ringrazio tutti colori che hanno creduto in me, i miei compagni di viaggio, i miei amici, che sempre sono stati presenti e mi hanno stimolato a fare il meglio e a crescere.

_Indice

Introduzione _02 1. Biotecnologie Algali _07 1.1_Alghe e Microalghe 1.2_Condizioni Chimico / Fisiche 1.3_Coltivazione / Produzione 1.4_Quantificazione della Biomassa 1.5_Tecniche di Raccolta 2. Brief Progettuale 2.1_Integrazione Biotecnologie-Edificio 2.2_Requisiti / Performance 2.3_Fotobioreattore + Fotovoltaico 2.4_Brief di Progetto 3. Processo Progettuale 3.1_Definizione del Componente 3.2_Sistema Distributivo Primario: Periferico 3.3_Sistema Distributivo Secondario: Bypass 3.4_Sistema Strutturale 4. Strumenti di Fabbricazione Prototipo 4.1_Rhinoceros + Grasshopper 4.2_3D Printing 4.3_Vacuum Forming 4.4_Laser Cut 4.5_Arduino + Sensori 4.6_Assemblaggio Bibliografia / Sitografia / Immagini

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Lobaria Pulmonaria

_Introduzione La necessità di far fronte ad una crescente domanda di energia accompagnata da un aumento del prezzo del petrolio e la diffusa preoccupazione verso i cambiamenti climatici ed i loro effetti rappresentano due dei principali motori di ricerca e sviluppo di nuove tecnologie nel settore scientifico contemporaneo. A fronte di queste premesse, università, centri di ricerca e compagnie (mature e start-up), affrontano la sfida volta allo sviluppo di fonti alternative per la produzione di energia. Le alghe possono essere una possibile risposta alle esigenze di cambiamento che si stanno consolidando. Gli studi più datati si sono concentrati sulle tecniche di coltivazione ed ora riaffiorano grazie al rinnovato interesse promosso dalla sempre crescente richiesta di energia. Le alghe sono organismi fotosintetici che hanno il beneficio di crescere velocemente in un molteplice range di condizioni ambientali (mostrandosi pertanto adatte ad un impiego diffuso in vaste aree del pianeta), nutrendosi, mediante il più classico dei processi biochimici, del più discusso gas serra, l’anidride carbonica. La versatilità rapprensenta il fattore chiave di successo di tale risorsa: svariate sono le condizioni operative che ne consentono la crescita, innumerevoli sono le specie, ampie sono le caratteristiche, per composizione, della biomassa prodotta. Tale versatilità si rispecchia nella varietà di prodotti estraibili, la biomassa è infatti in grado di fornire carboidrati, lipidi, proteine,

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oltre a specifici metaboliti ed idrogeno, con una complessa distribuzione in funzione della specie impiegata. Ne consegue un ampio spettro di possibili applicazioni sia nella produzione di energia, che nella neutraceutica, nella farmaceutica e nell’agricoltura. L’ampiezza e la molteplicità delle specie esistenti, mediate attraverso l’ingegnerizzazione sia dei sistemi di classificazione che delle funzionalità delle famiglie algali, possono aprire la strada verso un significativo impiego della risorsa a fini produttivi ed energetici. E’ possibile ricorrere a diverse tecniche di trasformazione della biomassa e dei suoi componenti in differenti forme di energia. La singola cellula microalgale si presenta come una sorta di microbioraffineria, capace di una produzione estremamente differenziata se rapportata alla semplicità della sua struttura. Le microalghe, possiedono, infatti, la capacità di produrre lipidi, peculiarità che offre importanti opportunità per la produzione di energia nella forma di biocarburanti, spiegando le ragioni che hanno guidato la ricerca di settore verso le specie micro. E inoltre da evidenziare il potenziale insito nelle alghe di grandi dimensioni di costituire una risorsa sostenibile di energia. Se la versatilità rappresenta l’elemento vincente tra le proprietà delle alghe, introduce, d’altra parte, una estrema complessità e variabilità di processi e tecniche applicabili per la loro valorizzazione. D’altro lato la crescente densificazione urbana, fenomeno riccorrente a livello globale, e il crescente aumento degli standard energetici

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e di performance richiesti, spingono la ricerca verso la possibilità di un integrazione attiva nel processo metabolico dell’edifcio di sistemi biotecnologici in grado di svolgere funzioni sia di carattere energetico-prestazionale sull’involucro dell’edificio che funzioni ambientali di filtrazione e purificazione dell’aria e dell’acuq tramite l’assorbimento di anidride carbonican nitrati e fosfati e la produzione di ossigeno. Il lavoro qui presentato vuole indagare le peculiarità di tale tecnologia, evidenziandone potenzialità e criticità, e approfondire il complesso processo di integrazione alla scala architettonica e urbana delle biotecnologie algali, in una direzione di sostenibilità da un punto di vista energetico, performativo e ambientale. L’approfondimento dei processi biologici che regolano la coltivazione e produzione di biomasse algali grazie alla supervisione del prof. Mario Tredici (ordinario di microbiologia agraria presso il Dipartimento di Scienze delle Produzioni Agroalimentari e dell’ Ambiente all’università di Firenze) e la sperimentazione concreta riguardo il processo di integrazione alla scala architettonica sono stati step fondamentali per la definizione consapevole di una proposta progettuale. La collaborazione con lo Studio Griffa di Torino in particolare, coinvolto attivamente nella ricerca e progettazione di sistemi biotecnologici ad alghe con il supporto di Environment Park Spa per il Future Food District, parte centrale dell’incombente esposizione universale EXPO 2015, mi ha permesso di sperimentare

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attivamente la progettazione di sistemi di fotobioreattori ad alghe integrati alla scala architettonica. Il confronto diretto mi ha permesso di comprendere la complessità della gestione delle singole componenti del progetto ed elaborare una proposta personale in grado di racchiudere l’esperienza maturata in questi mesi. La proposta progettuale da me elaborata consiste nella definizione di un sistema tecnologico autonomo basato sull’integrazione delle specificità dei processi microbiologici delle cellule algali, e i benefici che da esse possono essere ottenuti, alla scala architettonica e urbana, tramite lo sviluppo di un rivestimento per involucri opachi. Il processo di definizione del progetto è avvenuto tramite un percorso a step: primo di questi è stata la definizione geometrica del componente tramite l’utilizzo di tecniche di modellazione parametrica, necessarie per il controllo di superfici NURBS complesse, patterns e gradienti tramite punti attrattori. Seconda fase è consistitita nella definizione del sistema idraulico necessario per la gestione e distribuzione della soluzione algale all’interno all’interno dell’intero sistema. Alla proposta progettuale è succeduta la fabbricazione di un prototipo in scala 1:5 di una serie di quattro componenti; questa è avvenuta tramite l’utilizzo di tecnologie di fabbricazione digitale a controllo numerico e non, come la stampa tridimensionale (STL), il taglio laser e la termo formatura sottovuoto. Il prototipo è stato inoltre dotato di una intelligenza artificiale grazie all’utilizzo di una piattaforma Arduino e

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allâ&#x20AC;&#x2122;applicazione di un sistema di sensoristica (temperatura e intensistĂ luminosa) in grado di simulare le effettive proprietĂ adattive del sistema tecnologico reale. Centrale risulta essere la volontĂ di interpretare il funzionamento sistemico dei processi biologici e integrarlo alla componente tecnologica del sistema, dotandolo della capacita di autosostenersi come avviene nei processi metabolici degli organismi naturali.

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Algal Bloom

BIOTECNOLOGIE ALGALI

1.1_Alghe e Microalghe La coltivazione di massa di alghe ha trovato le prime attenzioni della ricerca intorno agli anni quaranta del novecento, in particolare intorno alle specie micro [1]. E’, tuttavia del Carnagie Institution di Washington la prima e più classica pubblicazione del settore circa la sperimentazione di un impianto pilota dedicato alla coltivazione di Chlorella [2]. Gli sforzi della ricerca hanno trovato il loro iniziale motore nell’impiego di proteine e metaboliti estraibili, seppur delle criticità abbiano frenato una diffusione più estesa di tale risorsa, a partire dall’elevato costo di produzione della biomassa. Ne è derivata una restrizione del campo di applicazione a nicchie di mercato: la produzione di carotenoidi, quella del pigmento astaxantina, riservata all’allevamento dei salmoni per le sue proprietà di colorante, la produzione di alimenti, l’acquacoltura ed, in misura minore, la produzione di acidi grassi polinsaturi e proteine. D’altro canto, le alghe macro, hanno altrettando consolidato il loro posizionamento in alcune nicchie di mercato, prevalentemente in Asia dove è concentrata la coltivazione. La celeberrima alga Nori vanta una produzione di oltre 500.000t/anno in Giappone e Korea. L’interesse si è recentemente intensificato grazie alle nuove sfide energetiche ed ambientali ed alla crescente attenzione verso di queste. Sia l’emergere di tecniche di conversione dell’energia adeguate all’impiego efficiente di biomasse, sia l’attenzione verso

[1] E.W. Becker. Micro-algae as a source of protein. Biotechnology Advances, 25(2): (pp. 207–210), 2004 [2] J.S. Burlew. Algal culture. From Laboratory to Pilot Plant, Carnegie Inst.Washington Publ, 600

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BIOTECNOLOGIE ALGALI

nuove fonti di energia alternative a quelle fossili, ed ancora la caratteristica peculiare delle alghe di una crescita più celere rispetto ai competitors tradizionali, hanno rinnovato gli sforzi della ricerca circa l’impiego di tale risorsa. Ulteriore interesse è stato, infine, attratto dalla capacità delle alghe, in particolare micro, di produrre lipidi che, per alcune specie, si mostrano adatte alla sintesi di biocarburanti del tutto compatibili con le attuali infrastrutture ed impieghi a fini energetici, ma ad emissioni di gas serra nulle. Dalla letteratura emerge un’intensificazione degli sforzi della ricerca proprio in tale direzione, anche grazie alle indicazioni fornite dal Department of Energy statunitense. Particolare attenzione verso questa nuova fonte di energia deriva, inoltre, dalla emanazione negli USA dell’EISA, Energy Independence and Security Act (2007). La legge contenente la promozione dell’uso di carburanti da fonti rinnovabili col fine di ridurre la dipendenza dalle importazioni di fonti fossili intensificando, inoltre, l’attenzione e la rilevanza delle nuove fonti di energia non solo come essenziali per uno sviluppo economico sostenibile, ma anche quali fondamento per la sicurezza della nazione. E’ tuttavia improbabile che gli aggressivi target fissati dal dispositivo possano compiersi mediante la sola produzione di biofuels da raccolti tradizionali [3]. Ciò sta intensificando l’attenzione negli USA verso l’impiego di alghe a scopi energetici, orientando la ricerca principalmente verso la produzione di biodiesel. La necessità di competere direttamente con i

[3] K. Tyson, J. Bozell, R. Wallace, E. Petersen, and L. Moens. Biomass oil analysis: Research needs and recommendations. Technical report, National Renewable Energy Laboratory, 2004

BIOTECNOLOGIE ALGALI

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Botryococcus Braunii

% 0

100

Chlorella

% 0

100

Crypthecodinium Cohnii

% 0

100

Cylindrotheca

% 0

100

Dunaliella primolecta

% 0

100

Isochrysis

% 0

100

Monallanthus salina

% 0

Contenuto di lipidi di alcune specie di microalghe [4] [4] Y. Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv, (pp. 294â&#x20AC;&#x201C;306), 2007

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BIOTECNOLOGIE ALGALI

100

Nannochloris

% 0

100

Nannochloropsis

% 0

100

Neochloris oleoabundans

% 0

100

Nitzschia

% 0

100

Phaeodactylum tricornutum

% 0

100

Schizochytrium

% 0

100

Tetraselmis sueica

% 0

100

Contenuto di lipidi di alcune specie di microalghe [5] [5] Y. Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv, (pp. 294â&#x20AC;&#x201C;306), 2007

BIOTECNOLOGIE ALGALI

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England Minnesota California Texas

Hawaii

Israel

Missisipi

Porto Rico

Congo

_13

BIOTECNOLOGIE ALGALI

Biomass Community Location

Yield (t dry w. ha-1 year-1)

Hybrid Poplar

Minnesota

Water Hyacinth

Missisipi

Switchgrass

Texas

8 - 20

Sweet Sorghum

California

22 - 47

Coniferous Forest

England

Maize

Israel

Tree Plantation

Congo

Tropical Forest

West Indies

Sugar Cane

Hawaii-Java

64 - 87

Napier Grass

Porto Rico

85 - 106

ALGAE

8 - 11 11 - 33 (<150(

Different Locations 50 - 70

High Biomass Productivity [6] [6] Y. Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv, (pp. 294â&#x20AC;&#x201C;306), 2007

BIOTECNOLOGIE ALGALI

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England Minnesota California Texas

Hawaii

Israel

Missisipi

Porto Rico

Congo

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BIOTECNOLOGIE ALGALI

Biomass Community

Location

Efficiency

Hybrid Poplar

Minnesota

0.3 - 0.4

Water Hyacinth

Missisipi

0.3 - 0.9

Switchgrass

Texas

0.2 - 0.6

Sweet Sorghum

California

0.6 - 1.0

Coniferous Forest

England

1.8

Maize

Israel

0.8

Tree Plantation

Congo

1.0

Tropical Forest

West Indies

1.6

Sugar Cane

Hawaii-Java

1.8 - 2.6

Napier Grass

Porto Rico

2.2 - 2.8

ALGAE

Different Locations 1.5 - 2.5

Photosythetic Efficiency [7] [7] Y. Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv, (pp. 294â&#x20AC;&#x201C;306), 2007

BIOTECNOLOGIE ALGALI

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prodotti petroliferi destinati all’autotrazione limita, tuttavia, lo sviluppo della tecnologia verso un impiego industriale (almeno nella fase pilota o dimostrativa). Occorre osservare, inoltre che, seppur al momento prevalga tale filone di ricerca, non sono da trascurare le molteplici altre destinazioni d’uso della biomassa algale, in particolare la produzione di energia elettrica. Nel report National Algal Biofuel Roadmap [8] lo stesso DoE segnala i fattori chiave di successo dell’impiego di microalghe a fini energetici. Gli elementi che identificano tale versatilità sono: un’ alta produttività per unità di area coltivata di biomassa e di lipidi convertibili a biocarburanti. Mentre l’efficienza della conversione della luce solare nella fotosintesi è nelle comuni biomasse inferiore all’1% [9], nel caso delle microalghe sono sperimentati valori fino al 5%, con punte ottenibili del 7% nella coltivazione in fotobioreattori nei quali è possibile il controllo dei fenomeni inibitori della crescita. Ne consegue una più efficiente ulitizzazione del territorio cui si somma una più intensa produzione di biofuel per superficie coltivata, dipendente dalla combinazione di superiori produttività e contenuti di lipidi rispetto alla biomassa tradizionale. La non competitività rispetto al mercato alimentare in quanto l’intensificazione

[8] Eere. National algal biofuels technology roadmap. Technical report, Energy Efficiency Renewable Energy Office - U.S. Department of Energy, 2009. Draft [9] P. McKendry. Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. Bioresource Technology, (pp. 37–46), 2002

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BIOTECNOLOGIE ALGALI

Cellule algali

BIOTECNOLOGIE ALGALI

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dell’impiego di raccolti tradizionali per la conversione a bioetanolo ha recentemente provocato l’impennata dei costi delle materie prime destinate ad usi alimentari rendendo tali tecniche insostenibili. Considerando, inoltre, l’impatto sugli ecosistemi della riconversione di biomi quali foreste, praterie, torbiere, savane a coltivazioni a fini energetici, è opportuno tenere conto del costo, in termini di emissioni, che questa implica: in particolare è stato calcolato un paradossale Biofuel Carbon Debt per le colture che prevedano la conversione dei terreni agricoli [10]. Tale preoccupante elemento di competitività rispetto alle fonti tradizionali di alimenti è ovviato dalle microalghe, organismi capaci di crescere in un ampio range di condizioni operative ed ambienti, compresi quelli inadatti alle tipiche coltivazioni agricole. L’utilizzo di terreni altrimenti non produttivi e non coltivabili;[11] unitamente all’esigenza di non risultare competitivi con il mercato alimentare, le alghe si prestano alla coltivazione in territori altrimenti desertici, deserti e/o comunque improduttivi, nonchè in mare aperto. Tale elemento, oltre che rappresentare una qualità positiva nella coltivazione intensiva di alghe a fini energetici, risulta per altro funzionale alla sostenibilità sia ambientale, che economica di eventuali impianti dedicati. Simili unità produttive avrebbero, infatti, sia impronte sul territorio significative (nell’ordine di centinaia/ migliaia di ettari), sia requisiti di investimento importanti che, possono risultare tollerabili

[10] J. Fargione, J. Hill, D. Tilman, S. Polasky, and P. Hawthorne. Land clearing and the biofuel carbon debt. Science, (p. 1235), 2008 [11] Eere. National algal biofuels technology roadmap. Technical report, Energy Efficiency Renewable Energy Office - U.S. Department of Energy, 2009. Draft

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Lago Chad, Nord Africa

BIOTECNOLOGIE ALGALI

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solo ricorrendo ad aree altrimenti inutilizzate ed inutilizzabili. L’utilizzo di una ampia qualità di acque l’estrema variabilità delle specie algali rende la loro coltivazione possibile in molteplici ambienti acquatici, dalle acque dolci, a quelle salate, ai reflui urbani e zootecnici. Tale caratteristica semplifica il problema della gestione dell’acque (consentendone un meno complesso riciclo) e riduce l’impatto sui sistemi acquatici e sulla disponibilità di risorse idriche. La compatibilità con l’esistente infrastruttura dei combustibili destinati al trasporto (raffinazione, distribuzione e utilizzo finale). Infatti, il biofuel ottenibile dalla trasformazione dei lipidi estratti dalle microalghe, presenta proprietà del tutto analoghe al tradizionale diesel di origine fossile, il che lo rende facilmente miscelabile e/o sostituibile in tutte le fasi di processamento ed impiego finora consolidate.[11] La produzione combinata di energia e coproducts ad alto valore aggiunto. L’impiego consolidato delle alghe è nell’ambito della estrazione di metaboliti ovvero nella produzione di prodotti per la neutraceutica e l’acquacoltura. Alcune particolari specie, si prestano alla produzione di tali risorse che possono trovare sempre maggiori impieghi benefici sul mercato. La biomassa algale è, ulteriormente, destinabile alla alimentazione umana ed animale ed i suoi residui possono

[11] Eere. National algal biofuels technology roadmap. Technical report, Energy Efficiency Renewable Energy Office - U.S. Department of Energy, 2009. Draft

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trovare spazio quali biofertilizzanti, il che offre un ulteriore contributo alla sostenibilità dell’impiego di biomassa algale. L’estrazione di metaboliti e co-products, per il loro elevato valore aggiunto (con prezzi fino ai 10.000$/ Kg), può costituire una via per l’abbattimento dei costi di produzione in una iniziale fase di sviluppo della tecnologia. Il contenimento delle emissioni di CO2 come tutte le biomasse, anche le alghe impiegano anidride carbonica per i processi biochimici tipici della fotosintesi; il gas viene immagazzinato dalle celle algali e successivamente rilasciato nella loro conversione ad energia, con l’effetto di un ciclo ad emissioni virtualmente nulle. La CO2 ha, inoltre, un effetto migliorativo sulla produttività della biomassa, pertanto le coltivazioni possono costituire una ragionevole soluzione di abbattimento delle emissioni prodotte da impianti a combustibili fossili.[11] L’integrabilità in altri processi, quali impianti di trattamento delle acque, di allevamento intensivo e di produzione di energia elettrica. L’integrazione della coltivazione in altri processi può apportare benefici in termini di efficienza energetica ed impatto ambientale sia a questi che alla coltivazione e conversione dell’energia da alghe. Soluzioni integrate possono, infine, agevolare lo sviluppo delle tecnologie e dei sistemi che ne rendano economico ed efficace l’impiego.

[11] Eere. National algal biofuels technology roadmap. Technical report, Energy Efficiency Renewable Energy Office - U.S. Department of Energy, 2009. Draft

BIOTECNOLOGIE ALGALI

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Tuttavia, le culture di microalghe non sono superiori alle piante più complesse in termini di efficienza fotosintetica e produttività. Le microalghe presentano diversi vantaggi rispetto alle piante come fonti di biocarburanti di seconda generazione, ma non hanno maggiori capacità di catturare la radiazione solare ed efficienza nella conversione né possiedono migliori meccanismi di fotoprotezione. Le microalghe mancano di pesanti strutture di supporto e organi di ancoraggio e, a differenza della maggior parte delle piante, le colture raggiungono una copertura completa del territorio in un anno. Tuttavia, attualmente, tali caratteri stiche non si traducono in un reale vantaggio in termini di produzione di biomassa per unità di superficie territoriale occupata. I vantaggi reali delle microalghe sulle piante risiedono nella loro flessibilità metabolica, che offre la possibilità di modifica dei loro percorsi biochimici (ad esempio, verso proteine , carboidrati o sintesi in olio) e la loro composizione cellulare variando le condizioni di coltura [12]. Possono essere coltivate in una condizione limitata di nutrienti e quindi consentono l’uso di fertilizzanti con un’efficienza quasi del 100%. La coltivazione di massa di microalghe (con ceppi e tecnologie adatte) non si basa necessariamente su molecole chimiche per controllare gli agenti patogeni e i predatori, e può essere effettuata in soluzione fisiologica o acqua di mare su terreni non arabili. Quest’ultima caratteristica potrebbe diventare critica quando l’industria agricola sceglierà la prossima generazione di

[12] Dismukes GC, Carrieri D, Bennette N, Ananyev GM, Posewitz MC. Aquatic phototrophs: efficient alternatives to landbased crops for biofuels. Curr. Opin. Biotech. 19(3), (pp. 235–240), 2008

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BIOTECNOLOGIE ALGALI

colture per affrontare il drammatico problema dell’aumento della produzione alimentare nel quadro decrescente di disponibilità di risorse (ad esempio, i combustibili fossili, i suoli fertili e l’acqua) e il cambiamento climatico. Ultimo ma non meno importante, le microalghe possono raggiungere rese in olio per ettaro molto più elevate di colture tradizionali [13]. Coltivazione

Resa in olio

Area

(L/ha)(%alghe) (Mha) Grano

172 (0,29)

1540

Semi di soia

446 (0,76)

594

Colza

1190

223

Jatropha

1892 (3,22)

140

Cocco

2689 (4,58)

Palma

5950 (10,14)

Microalghe (70% p/p olio)

136.900 (233,2%)

Microalghe (30% p/p olio)

58.700 (100%)

4-5

[13] Rodolfi L, Chini Zittelli G, Bassi N et al. Microalgae for oil: strain selection, induction of lipid synthesis and outdoor mass cultivation in a lowcost photobioreactor. Biotechnol. Bioeng. 102(1), (pp. 100–112), 2009

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FOOD / HEALTH

Proteins

Aminoacids Lipid Vitamins

Carbohydrates

FOOD / HEALTH

Circular Ponds Lagoons Photo Bio Reactors Raceway Ponds Proteins

Aminoacids Lipid Vitamins

Carbohydrates

Arthrospira Chlorella Dunaliella Haematococcus Aphazinomenon Circular Ponds Lagoons Haematococcus

Circular Ponds Nutrients Deprivation

Dunaliella

Arthrospira Lagoons

Various Species Raceway Ponds

Circular Ponds Nutrients Deprivation BIOFUEL

Arthrospira

Oil Extraction Lagoons

Dunaliella

Schyzochitrium

MICROALGAE Various Species

Circular Ponds

Arthrospira

Fermenters

Haematococcus

Various Species

Photo Bio Reactors

BIOACTIVE MOLECULES

Photo Bio Reactors Raceway Ponds

Crypthecodinium

Dunaliella

Sugar Separation BIOFERTILIZERS

Lagoons

Haematococcus

VariousChlorella Species

Polyunsaturated Fatty Acids: - Docosahexaenoic Acid (DHA) - Arachidonic Acid (ARA) Hydrocarbon Carotenoids

Arthrospira Chlorella Dunaliella Haematococcus Aphazinomenon

MICROALGAE Haematococcus

Photo Bio Reactors

Circular Ponds

Arthrospira

Dunaliella Sugar Separation

Raceway Ponds

Chlorella

Oil Extraction

IOFUEL

Photo Bio Reactors

Raceway Ponds

Crypthecodinium

Lagoons

BIOREMEDIATION

Polyunsaturated Fatty Acids: Phycobiliproteins

- Docosahexaenoic Acid (DHA) - Arachidonic Acid (ARA)

Omega 3

Hydrocarbon

Carotenoids

CHEMICALS

Phycobiliproteins

Photo Bio Reactors

Cylinders Schyzochitrium

CHEMICALS

Omega 3

Fermenters

BIOFERTILIZERS

CO2 BIOFIXATION BIOACTIVE MOLECULES

Cylinders

POLYSACCHARIDES

BIOREMEDIATION CO2 BIOFIXATION POLYSACCHARIDES

Research Commercial Products

Research

Culture Techniques

Commercial

Microalgae Species

Products

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BIOTECNOLOGIE ALGALI

Macro Themes Culture Techniques Microalgae Species Macro Themes

_Fotosintesi Il processo fotosintetico rappresenta il motore principale delle reazioni microbiologiche delle cellule algali, necessario per la trasformazione dell’energia solare in energia chimica tramite un processo di riduzione. Il termine fotosintesi significa letteralmente “costruire tramite la luce” [14]. In questo processo, sostanze inorganiche povere di energia come la CO2, l’acqua e sali minerali, vengono convertiti in componenti ricchi di energia e ossigeno viene rilasciato sotto forma di bioprodotto. L’energia solare assorbita dai pigmenti fotosintetici viene convertita nell’energia chimica della biomassa. L’equazione generale delle reazione è la seguente: CO2 + H2O + luce solare → [CH2O] + O2 + calore dove [CH2O] rappresenta la molecola di un carboidrato nominale (la sesta parte del D-glucosio), il primo prodotto della fotosintesi. I prodotti iniziali della fissazione della CO2, gli zuccheri, vengono convertiti in una varietà di prodotti secondari, per esempio strutturali (cellulosa) o polimeri immagazzinatori di energia (lipidi) e molecole funzionali (enzimi, DNA, RNA, pigmenti, fosfolipidi) che sono necessari per la crescita della cellula. La fotosintesi può essere anche vista come una reazione di riduzione nella quale gli elettroni vengono trasferiti dall’acqua alla CO2 (l’acqua si

[14] Hall DO, Rao KK (Eds). Photosynthesis (6th Edition). Cambridge University Press, Cambridge, UK, (p. 214), 1999

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ossida mentre la CO2 si riduce). Fino a quando il trasferimento degli elettroni avviene contro il gradiente elettrochimico, la reazione Ă¨ di tipo endotermico e richiede una fonte di energia (la luce) affinchĂ¨ possa procedere. Le molecole di clorofilla sono il sito delle reazioni fotochimiche iniziali e funzionano sia come assorbitori di luce che, in stato di eccitazione, come fonte di energia. Clorofille speciali assorbono la luce ed espellono fortemente riducendo gli elettroni che sono stati trasferiti da elettroni trasportatori ad un accettante finale, lâ&#x20AC;&#x2122;NADP. [15]

[15] M.Tredici. Photobiology of microalgae mass cultures: understanding the tools for the next green revolution. Biofuels. 1(1), (pp. 143 - 162), 2010

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1.2_Condizioni Chimico/Fisiche I parametri più importanti che regolano la crescita delle alghe sono i nutrienti, la luce, il pH, la turbolenza, la salinità e la temperatura. I parametri ottimali nonché gli intervalli tollerati sono dipendenti dalle singole specie. Inoltre, vari elementi possono essere interdipendenti e un parametro che è ottimale per un insieme di condizioni non è necessariamente ottimale per un altro. _Nutrienti. Le colture algali devono essere arricchite con sostanze nutritive per compensare le carenze dell’acqua marina. I macronutrienti che vengono somministrati comprendono nitrati, fosfati (in un rapporto approssimativo di 6:1), e silicati. Soluzioni nutritive disponibili in commercio possono ridurre la preparazione del lavoro. La complessità e il costo dei mezzi di coltura sopra spesso esclude un loro utilizzo per le operazioni di coltura su larga scala. Mezzi di arricchimento alternativi che sono adatti per la produzione di massa di micro-alghe in sistemi estensivi su larga scala contengono solo i nutrienti più essenziali e sono composti agricoli anziché fertilizzanti da uso in laboratorio.[16]

[16] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.10), 1996

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Temperatura (°C) 16

27 18

Salinità (g.l) 12

40 20

Intensità Luminosa (Lux)

1000

10000 2500

Fotoperiodo (luce:ombra, ore)

5000

24 16

pH 7

9 8.2

Range condizioni di crescita ottimali

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8.7

_Luce. Come per tutte le piante, le microalghe sfruttano il processo di fotosintesi, cioè assimilano carbonio per la conversione in materia organica. La luce è la fonte di energia che alimenta questa reazione e per questo motivo l’intensità, la qualità spettrale e il fotoperiodo devono essere considerati. L’intensità della luce gioca un ruolo importante, ma i requisiti variano notevolmente con la profondità della coltura e la densità della massa algale: a profondità e concentrazioni cellulari elevate l’intensità luminosa deve essere aumentata per penetrare attraverso la cultura (es: 1000 lux sono adatti per beute, mentre 5.000-10.000 sono necessari per i volumi più grandi). La fonte luminosa può essere naturale o artificiale. Una troppo alta intensità luminosa (ad esempio la luce diretta del sole o un contenitore di piccole dimensioni vicino alla luce artificiale) può provocare la foto-inibizione e quindi l’arresto del processo fotosintetico. Inoltre, si deve evitare il surriscaldamento a causa dell’illuminazione sia naturale che artificiale. Tubi fluorescenti o apparecchi a LED che emettono luce nello spettro del blu o del rosso sono preferiti in quanto questi sono le porzioni più attive dello spettro di luce per la fotosintesi, mentre la durata dell’illuminazione artificiale dovrebbe essere di 16 ore di luce al giorno, anche se la crescita del fitoplancton avviene normalmente sotto un’illuminazione costante.[17]

[17] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.13), 1996

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_pH. L’intervallo di pH per la maggior parte delle specie algali coltivate è compreso tra 7 e 9, con il range ottimale compresa tra 8,2-8,7. Il completo collasso della coltura può essere causato dalla rottura di molti processi cellulari e derivare l’incapacità di mantenere un pH accettabile. Quest’ultimo si ottiene tramite l’aerazione della coltura. Nel caso di una densità elevata della coltura algale, l’aggiunta di anidride carbonica permette di correggere un aumento del pH, che può raggiungere valori limite fino a pH 9 durante la crescita delle alghe.[18] _Aerazione/Miscelazione. La miscelazione è necessaria per evitare la sedimentazione delle alghe, per garantire che tutte le cellule della popolazione siano ugualmente esposte alla luce e ai nutrienti e per evitare la stratificazione termica (come avviene ad esempio nelle colture all’aperto) e per migliorare lo scambio di gas tra il terreno di coltura e l’aria. Quest’ultima è di primaria importanza in quanto l’aria rappresenta la fonte di carbonio per la fotosintesi sotto forma di anidride carbonica. In colture molto dense, la CO2 proveniente dall’aria provoca il gorgoglio della massa liquida provocando la riduzione della crescita delle alghe, di conseguenza anidride carbonica pura può essere somministrata per completare il processo di

[18] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (pp. 13-14), 1996

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aerazione (ad esempio ad un tasso di 1% del volume di aria ). Inoltre la CO2 tampona l’acqua contro variazioni di pH a seguito del saldo CO2/ HCO3-. A seconda della scala del sistema di coltura, la miscelazione si ottiene mescolando ogni giorno a mano (provette, erlenmeyers), aerando (borse, serbatoi) o con ruote a pale e jetpumps (stagni). Tuttavia, va notato che non tutte le specie algali possono tollerare agitazioni molto energiche. _Temperatura. Le specie più comunemente coltivate di microalghe tollerano temperature comprese tra 16 e 27 ° C, mentre a temperature inferiori a 16 ° C si rallentano, e a quelle superiori a 35 ° C sono letali per un gran numero di specie. Se necessario, le colture algali possono essere raffreddate da un flusso di acqua fredda sulla superficie del recipiente di coltura o controllando la temperatura dell’aria con frigoriferi o unità di condizionamento. _Salinità. La maggior parte delle specie crescono meglio in una salinità leggermente inferiore a quella del loro habitat naturale, che si può ottenere diluendo acqua di mare con acqua di rubinetto. Ogni specie possiede un proprio livello di salinità ottimale.[19]

[19] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.14), 1996

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“Bubbling” della coltura

_33

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_Fasi di crescita. La crescita di una cultura axenica di microalghe è caratterizzata da cinque fasi: _Fase di latenza o induzione. Questa fase, durante la quale si verifica un piccolo aumento nella densità cellulare, è relativamente lunga quando la coltura algale viene trasferita da una piastrina ad una coltura liquida. Colture inoculate con crescita esponenziale di alghe hanno fasi di latenza breve, che può seriamente ridurre il tempo richiesto per la crescita. Il ritardo di quest’ultima è attribuita alla adattamento fisiologico del metabolismo cellulare alla crescita, come l’aumento dei livelli di enzimi e metaboliti coinvolti nella divisione cellulare e fissazione del carbonio.[20] _Fase esponenziale. Nella seconda fase la densità cellulare aumenta in funzione del tempo seguendo un andamento logaritmico: Ct = C0 . emt con Ct e C0 che rappresentano la concentrazione cellulare allo specifico momento t e 0, rispettivamente, e m che rappresenta lo specifico fattore di crescita. Quest’ultimo è principalmente dipendente dalla specie algale, dall’intensità luminosa e dalla temperatura.

[20] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (pp.14-15), 1996

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log del numero di cellule

5 2

1 età della coltura _1 Fase di latenza o induzione _2 Fase esponenziale _3 Fase di declino del fattore di crescita _4 Fase stazionaria _5 Fase di “crash”

5 fasi di crescita di una coltura xenica

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_Fase di declino del fattore di crescita. La divisione cellulare inizia a rallentare quando i nutrienti, la luce, il pH, l’anidride carbonica e altre fattori chimici e fisici iniziano a limitare la crescita. _Fase stazionaria. Nella quarta fase il fattore limitante e quello di crescita sono in equilibrio, condizione che provoca una densità cellulare relativamente costante _Fase di “crash”. Durante la fase finale, la qualità dell’acqua deteriora e i nutrienti sono portati ad un livello di incapacità di sostenimento della crescita. La densità cellulare decresce rapidamente e la coltura può raggiungere il collasso. Generalmente le colture raggiungono il crash a causa di molteplici fattori, tra cui l’esaurimento di un nutriente, la deficienza di ossigeno, il surriscaldamento, una variazione del pH o la contaminazione. La chiave per una produzione algale ottimale è il mantenimento della soluzione nella fase esponenziale della crescita. Inoltre, i valori nutrizionali delle alge prodotte risultano inferiori una volta che il processo di crescit raggiunge la terza fase, questo a causa di una riduzione della digeribilità, e dalla possibile produzione di metaboliti tossici.[21] _Contaminazione e trattamento dell’acqua.

[21] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (pp. 14-15), 1996

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La contaminazione con batteri, protozoi o altre specie di alghe è un problema rilevante in particolare per colture monospecifiche di microalghe. Le più comuni fonti di contaminazione includono il liquido di coltura (acqua e nutrienti), l’aria, i contenitori e la coltura iniziale. L’acqua usata per la coltura algale dovrebbe essere libera di organismi che possano competere con le alghe unicellulari, come per esempio altre specie di phytoplankton, zooplankton o batteri. La sterilizzazione dell’acqua che sia essa tramite processo fisico, tramite filtrazione, autoclave, pastorizzazione o irradiazione a raggi UV, o tramite processo chimico, clorinazione, acidificazione o ozonizazione, è ad ogni modo necessaria. [22] La preparazione del recipiente è uno step fondamentale per garantire una corretta evoluzione del processo di crescita della coltura algale: _ lavaggio con detergente _sciacquaggio con acqua calda _lavaggio con acido muriatico a 30% di concentrazione _sciacquaggio ulteriore con acqua calda _asciugatura

[22] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.16), 1996

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1.3_Coltivazione / Produzione Nonostante la molteplicità di speci algali presenti in natura, quattro sono quelle maggiormente coltivate e prodotte a livello commerciale: - Chlorella - Arthrospira - Dunaliella - Haematococcus Queste possono essere coltivate utilizzando una vasta varietà di tecniche che spazia da precise tecniche di controllo in laboratorio a sistemi meno prevedibili tramite vasche di raccolta esterne. Le tecniche di coltura possono essere così differenziate: _ Indoor / Outdoor. Le colture indoor permettono un maggiore controllo sull’illuminazione, sulla temperatura, sul livello dei nutrienti, sulla contaminazione con organismi predatori e invasivi, al contrario dele colture outdoor che rendono molto difficoltosa la crescita di una coltura specifica per un periodo esteso nel tempo. _ Open / Closed. Sistemi di coltura aperti come laghi o vasche (indoor o outdoor) sono più facilmente contaminabili di sistemi chiusi come tubi, sacche, damigiane o boccette.[23] _ Axenic / Xenic. Le colture axeniche evitano

[23] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.18), 1996

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la contaminazione della soluzione algale con organismi estranei come batteri ma richiedono un’accurata sterilizzazione dei dispositivi a contatto con la soluzione; questo di conseguenza rende il processo non adatto per operazioni di tipo commerciale. _Batch, Continue, Semi-Continue. Queste sono le tre principali tecniche di coltura del phytoplankton. _Colture in Batch. La consiste in una singola inoculazione di cellule in un contenitore di acqua fertilizzata seguita da un periodo di crescita di diversi giorni e in seguito la raccolta quando la massa algale raggiunge o si avvicina alla massima densità. In base alla concentrazione algale, il volume da inoculare, che generalmente corrisponde con il volume dello step precedente del processo, ammonta al 2 - 10% del volume finale della coltura. I sistemi di batch colture sono ampiamente applicati per la loro semplicità e flessibilità, consentendo di cambiare specie e rimediare difetti del sistema rapidamente. Sebbene venga spesso considerato come il metodo più affidabile, la batch colture non è necessariamente il metodo più efficiente.[24] Quest’ultime vengono raccolte appena prima dell’inizio della fase stazionaria e deve quindi sempre essere mantenute per un periodo di tempo oltre il tasso di crescita specifico

[24] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.19), 1996

_39

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Tecnica di coltura

Vantaggi

Svantaggi

Indoors

Alta controllabilità e previdibilità

Costo elevato

Outdoors

Costo contenuto

Scarsa controllabilità e prevedibilità

Closed

Priva di contaminazione

Costo elevato

Open

Costo contenuto

Rischio elevato di contaminazione

Xenic

Alta prevedibilità, bassa inclinazione all’arresto del processo di crescita

Costo elevato e lavorazione complessa

Axenic

Costo contenuto

Inclinazione all’arresto del processo di crescita

Continue

Efficienza, permette una consistente fornitura di cellule ad alta qualità, automazione, massi livelli produttivi per periodi estesi

Lavorazione complessa, solitamente destinata ad una coltura limitata in quantità, costo elevato dei dispositivi utilizzati

Semi - Continue

Semplicità, efficienza

Qualità non costante

Batch

Sistema più semplice

Scarsa efficienza, scarsa qualità

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Formazioni algali costiere

massimo. Inoltre, la qualità delle cellule raccolte può essere meno prevedibile rispetto ai sistemi continui e può per esempio, variare il periodo del raccolto (ora del giorno, fase di crescita esatta). Un altro svantaggio è la necessità di evitare la contaminazione durante l’inoculo iniziale e la prima fase della crescita. Poiché la densità del fitoplancton desiderato è bassa e la concentrazione di nutrienti è alta, qualsiasi contaminante con un tasso di crescita più rapida è in grado di bloccare la crescità della cultura. Le batch culture richiedono anche un lavoro continuo per raccogliere, pulire, sterilizzare, riempire, e inoculare i contenitori.[25] _Colture continue. Il metodo di coltura continua, cioè una cultura in cui una fornitura di acqua fertilizzata viene continuamente pompata in una camera di crescita e la coltura in eccesso è simultaneamente espulsa, consente il mantenimento di colture molto vicino al tasso di crescita massimo. Due categorie di colture continue possono essere distinte: _coltura turbidostatica, in cui la concentrazione algale è mantenuta ad un livello prestabilito diluendo la coltura con materiale fresco mediante un sistema automatico. _coltura chemostatica, in cui viene introdotto un flusso di materiale fresco nella coltura ad un

[25] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.23), 1996

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Fotobioreattori Colture in Batch Raceway Ponds

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tasso costante e predeterminato. Quest’ultimo aggiunge un nutriente essenziale limitante (nitrato) a tasso fisso, in modo tale da mantenere il tasso di crescita costante e non la densità cellulare. Gli svantaggi del sistema continuo sono un costo relativamente elevato e una medesima complessità. I requisiti di l’illuminazione e temperatura costanti limitano i sistemi continui al chiuso e consentendo solo scale di produzione relativamente limitate. Tuttavia, le colture continue hanno il vantaggio di produrre alghe di qualità più prevedibile. Inoltre, esse sono suscettibili di controllo e automazione tecnologica, che a sua volta aumenta l’affidabilità del sistema riducendo la necessità di manodopera.[26] _Colture semi-continue. La tecnica semi-continua si basa sull’utilizzo di grandi serbatoi e una parziale raccolta periodica, seguita da immediati rabbocchi del volume iniziale e l’integrazione con nutrienti per raggiungere il livello originale di arricchimento. La coltura viene lasciata crescere nuovamente, raccolta in parte e così via. Le colture semicontinue possono essere chiuse o all’aperto, ma hanno una durata solitamente imprevedibile. I concorrenti, predatori e / o contaminanti e metaboliti si accumulano, rendendo la cultura non idonea per un uso ulteriore nel ciclo successivo. Poiché la coltura non viene raccolta completamente, il metodo semi-continuo

[26] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.26), 1996

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produce più alghe rispetto al metodo batch per una data dimensione del serbatoio. _Colture in open ponds. Stagni all’aperto di grandi dimensioni dotati sia di fondo naturale che rivestiti di cemento, polietilene o fogli di PVC sono stati utilizzati con successo per la produzione algale. Il sistema nutritivo per le colture all’aperto si basa su quello utilizzato in casa, ma fertilizzanti agricoli vengono utilizzati al posto dei reagenti di laboratorio. Tuttavia, la fertilizzazione delle colture algali di massa in stagni estuari e lagune chiusi non è risultata essere auspicabile in quanto i fertilizzanti sono costosi e inducono crescite algali fluttuanti, costituite da picchi di produzione seguiti da totali crash della crescita. Per contro, le coltivazioni naturali sono mantenute ad una densità cellulare ragionevole tutto l’anno e gli stagni sono lavati con acqua oceanica quando necessario. Le profondità della coltura sono in genere 0,25 -1 m. Colture derivate da produzione indoor possono servire da inoculo per le culture monospecifiche. In alternativa, una crescita di fitoplancton può essere indotta in acqua dalla quale tutto lo zooplancton è stato rimosso tramite filtrazione a sabbia.[27] La produzione di alghe in stagni all’aria aperta è relativamente poco costosa, ma è adatta solo per poche specie e a rapida crescita a causa di problemi con la contaminazione da predatori, parassiti e specie “infestanti” di alghe. Inoltre, la produzione esterna è spesso caratterizzata

[27] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.27), 1996 [28] Y. Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv, (pp. 294–306), 2007

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da crash della crescita imprevedibili causati da cambiamenti del tempo, luce del sole o qualità dell’acqua. _Fotobioreattori. I Fotobioreattori consistono di un set di contenitori di materiali trasparenti tra cui vetro, cloruro di polivinile (PVC), polietilene (PE), policarbonato (PC), acrilico (Plexiglas, PMMA), e silicato [29]. Una certa quantità di materiale deve essere impiegato per mantenere la stabilità meccanica e per accogliere la pressione idrostatica. I collettori solari saranno orientati N/S e possibilmente inclinati per massimizzare la cattura delle radiazioni solari, ma sono possibili generalmente diverse configurazioni in funzione del luogo, orizzontali, verticali ed elicoidali. La biomassa viene movimentata da pompe meccaniche o da pompe ad aria compressa, meno versatili, ma più delicate verso la biomassa stessa. L’ossigeno generato dalla fotosintesi (10g m3//min nei picchi di irradiazione) [28] deve essere rimosso o causa fotoossidazione compromettendo la produttività; sii ritiene ragionevole mediamente un percorso max di 80m prima che la biomassa torni a questa zona di rimozione di O2 [30]. Un sistema ad aria compressa è adeguato a tale scopo: l’aria è immessa alla base del tubo di risalita lungo il quale si ha la separazione dell’ossigeno prodotto dalla fotosintesi. I gas sono liberati in testa al tubo, in corrispondenza del quale avviene, generalmente, il prelievo della biomassa prodotta [31]. Alla base del

[29] E.W. Becker. Microalgae: biotechnology microbiology. Cambridge Univ Pr, 1994

and

[30] FG Acién Fernández, JM Fernández Sevilla, JA Sánchez Pérez, E. Molina Grima, and Y. Chisti. Airliftdriven external-loop tubular photobioreactors for outdoor production of microalgae: assessment of design and performance Chemical Engineering Science, 2721–2732, 2001. [31] A.M. Kunjapur and R.B. Eldridge. Photobioreactor Design for Commercial Biofuel Production from Microalgae. Industrial & Engineering Chemistry Research, (pp. 4661–4670)

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tubo di discesa del brodo di coltivazione viene immessa la CO2 in controcorrente utile alla crescita algale, con una efficienza di utilizzazione attorno all’80% [32]. La maggior parte dei fotobioreattori sono in fase prototipale e le produttività ad una scale commerciale sono molto variabili: In realtà, nessun’azienda possiede attualmente una tecnologia matura da immettere sul mercato per poter competere con i carburanti fossili. Nonostante questo, molti progetti sono stati implementati e migliorati [33] e non è da escludere che in seguito ad un’adeguata ricerca e sviluppo questi sistemi possano essere industrializzati ed usati per la produzione di biocarburante.[34]

[32] E.W. Becker. Microalgae: biotechnology microbiology. Cambridge Univ Pr, 1994.

and

[33] Lehr F, Posten C. Closed photobioreactors as tools for biofuel production. Curr. Opin. Biotech. 20(3), (pp. 280– 285), 2009. [34] Mario Tredici. Photobiology of microalgae mass cultures: understanding the tools for the next green revolution. Biofuels. 1(1), (pp. 143 - 162), 2010.

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Biomassa Algale

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1.4_Quantificazione della Biomassa Esistono diversi modi per valutare la quantità di biomassa algale presente nella coltura; questa può avvenire sia contando il numero di cellule che attraverso la determinazione del volume, della densità ottica o del peso. Le cellule possono essere contate sia con un contatore elettronico di particelle che direttamente al microscopio, utilizzando un ematocitometro. La presenza di particelle contaminanti nella stessa gamma di dimensioni delle alghe e l’incapacità delle cellule di separarsi dopo la divisione cellulare può essere una fonte di conteggi errati. Il conteggio tramite microscopio ha il vantaggio di consentire il controllo della qualità delle colture. Un rapporto tra la densità ottica e la concentrazione cellulare può essere stabilito utilizzando uno spettrometro. Tuttavia, possono verificarsi variazioni dovute al fatto che la concentrazione di clorofilla nella cellula algale varia a seconda delle condizioni di coltura e quindi influenza questa relazione. In questo modo, una coltura in condizioni di scarsa illuminazione sarà relativamente più pigmentata e finirà per determinare valori più elevati per densità ottica.[35] Il volume cellulare viene misurato invece tramite centrifugazione di campioni e misurando successivamente la pasta concentrata. Misurare il peso secco di una cultura è uno dei modi più diretti per stimare la produzione di

[35] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.27), 1996

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biomassa. Per questo, le cellule di un campione rappresentativo della cultura sono separate dal mezzo di coltura tramite centrifugazione o filtrazione su un filtro in fibra di vetro. Le cellule delle alghe sono lavate con formiato di ammonio isotonico (0,5 M) per rimuovere i sali senza causare l’ustione delle cellule. Il formiato di ammonio non lascia residui in quanto si decompone e si volatilizza durante il processo di essiccazione (ad esempio 2 ore a 100° C). I risultati possono essere espressi come peso secco per volume o, quando combinato con una determinazione della concentrazione della cellula, per cellula algale. Per ogni particolare specie algale, il peso a secco della cellula può variare notevolmente secondo le condizioni di sforzo e di cultura. La densità delle colture algali raccolti generalmente varia tra 80 e 250 mg di peso a secco per litro.[36]

[36] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.27), 1996

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1.5_Tecniche di Raccolta Il recupero delle microalghe dal brodo di coltivazione costituisce un aspetto cardine nel processo di produzione di energia, considerato l’impatto che questo ha sia sui costi energetici che su quelli economici (fino al 30% del costo totale di produzione della biomassa).[37] La complessità di questo processo sta sia nelle concentrazioni estremamente basse delle celle algali (di solito nel range di 0.3 - 5 g/l), sia nelle ridotte dimensioni di quest’ultime (da 2 a 40 m) La raccolta deve essere ottimizzata in funzione della specie algale impiegata, della densità, delle dimensioni cellulari e della tipologia di prodotto che si vuole estrarre dalla coltivazione. _Flocculazione. La flocculazione è uno step preparatorio a successive tecniche di concentrazione della biomassa: consente di aggregare le particelle microalgali mediante l’introduzione di agenti chimici cationici con azione flocculante. Può concentrare la biomassa fino al 3%. Alcuni esempi sono dati da FeCl3, Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3, sali metallici multivalenti tipicamente impiegati nella flocculazione di biomassa nel trattamento delle acque. Il solfato poliferrico (PFS) è un flocculante migliore rispetto agli agenti tradizionali: i sali metallici prepolimerizzati sono efficaci e più efficienti su un ampio spettro di pH. Il chitosano, un biopolimero biodegradabile,

[37] Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, (p.29), 1996

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nonchè un polielettrolita cationico, è ritenuto capace di coagulare particelle sospese cariche negativamente mediante un meccanismo fisico detto bridging: variando il pH del brodo di coltivazione fino a portarlo a 7 (è richiesto un acido!) si ottiene una flocculazione tanto efficace da rimuovere il 90% della torbidità dovuta alla presenza di microalghe. Il chitosano è poco costoso (circa 2$/Kg) ed è possibile, in funzione della concentrazione iniziale dell’alga da trattare, con un solo Kg processare da 50 a 500 m3 di acqua [38]. In generale il chitosano, come altri flocculanti polimerici, perde la sua capacità già per basse forze ioniche (0.1kmol/ m3): risulta, pertanto inefficace, in presenza di salinità (oltre i 5Kg/m3; l’acqua di mare ha salinità pari a 37kg/m3) [40]. _Flottazione. La flottazione tramite l’immisione di aria in una opportuna vasca di trattamento evita l’impiego di agenti flocculanti. Alcune specie presentano la capacità di flottare spontaneamente quando accumulano lipidi [40]. _Sedimentazione e Centrifugazione. La sedimentazione per gravità è ideale per ampi volumi trattati e basse concentrazioni di biomassa, tuttavia ha dimensioni minime di applicabilità che non sono adeguate alle dimensioni delle microalghe (una eccezione può essere rappresentata dalla Spirulina che ha una lunga forma a spirale fino a 100m). La

[38] R. Divakaran and VN Sivasankara Pillai. Flocculation of algae using chitosan. Journal of Applied Phycology, (pp. 419–422), 2002 [39] E. Molina Grima, E.H. Belarbi, F.G. Acién Fernández, A. Robles Medina, and Y. Chisti. Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options and economics. Biotechnology Advances, (pp. 491–515), 2003 [40] L. Brennan and P. Owende. Biofuels from microalgae. A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009

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BIOREFINERY

Heat, electricity

Energy

Special substances: pigments, dyes, flavors, aromatic,essences,enzymes,hormones, etc.

Inorganics

Raw biomass, wastewater, CO2

Complex Substances

Aquaculture

Conversion

Primary Refinery

Proteins

Fats

Products and residues from conversion processes

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Carbohydrates

Industry

soluzione al problema può essere offerta da una preventiva flocculazione. La centrifugazione, seppur relativamente onerosa in termini energetici, è un metodo ad elevata efficienza e capacità di concentrazione. E’ richiesto circa 1kWh/m3 con concentrazioni nell’ordine del 10 -15%. Si può ottenere una efficienza di raccolto superiore al 95% a 13.000g; l’applicabilità e le condizioni operative ottimali dipendono dalla specie trattata [41]. L’odierno livello di sviluppo delle tecnologie di centrifugazione rendono questo approccio proibitivo a livello economico per la maggior parte delle bioraffinerie su larga scala. _Filtrazione. Analogamente alla sedimentazione per gravità, la filtrazione non è adeguata per la separazione di particelle di dimensioni nell’ordine delle decine di micrometri disperse in volumi elevati. Sono adatte a tale tecnica microalghe di dimensioni relativamente elevate quali Coelastrum proboscideum e Spirulina platensis, mentre risultano inadeguate quelle che approcciano dimensioni analoghe ai batteri, tra cui Scenedesmus, Dunaliella e Chlorella. Anche in tal caso la flocculazione per mezzo dell’aggiunta di agenti chimici può essere risolutiva. Filtri a pressione o a vuoto possono essere impiegati con costi energetici e fattori di concentrazione analoghi alla centrifugazione [43]. La micro ed ultrafiltrazione, mediante l’impiego di opportune membrane e sovrappressioni, possono ovviare a tale limitazione, tuttavia

[42] M. Heasman, J. Diemar, W. O’connor, T. Sushames, and L. Foulkes. Development of extended shelf-life microalgae concentrate diets harvested by centrifugation for bivalve molluscs-a summary. Aquaculture Research, (pp. 637–659), 2000 [43] E. Molina Grima, E.H. Belarbi, F.G. Acién Fernández, A. Robles Medina, and Y. Chisti. Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options and economics. Biotechnology Advances, (pp. 491–515), 2003

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Algae

Anaerobic Digestion

Fluids

Pyrolisis

Gasification

Fermentation

Liquid or Vapor Fuel

Hydrogen / Methane

Catalytic Upgrading

Transportation Fuels

Liquid Hydrogen Fuels Hydrogen Methane Ethanol

Schema delle potenziali conversioni delle biomasse algali

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Ethanol

sia i costi della sostituzione della membrana che del processamento dell’acqua, possono rendere tale soluzione più costosa rispetto alla centrifugazione [44]. _Disidratazione ed Estrazione. Il processo di asciugatura è necessario per ottenere elevate concentrazioni di biomassa che si aggirano dal 5 - 15% di contenuto solido. L’essiccamento al sole è la soluzione più economica, ma anche più lunga e può avvenire tramite l’esposizione diretta al sole, con opportune coperture in caso di precipitazioni, oppure per convezione, mantenendo sempre sotto controllo la temperatura e il grado di umidità. Sono stati anche utilizzati essiccatori meccanici ma i costi salgono vertiginosamente con l’incremento della temperatura / o l’aumento del tempo. Ultimato il processo di disidratazione, il materiale solido estratto è pronto per essere sottoposto a trattamenti di conversione biochimica o termochimica al fine di ottenere prodotti differenziati per stato di aggregazione e settore di utilizzo, come gas, carburanti liquidi, proteine, lipidi e pigmenti.

[44] L. Brennan and P. Owende. Biofuels from microalgae. A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009

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SCHOTT Photobioreactors

BRIEF PROGETTUALE

Think a building that can breath and sweat and think and grow and change,” – Neri Oxman, Founder and Director of the Mediated Matter design research group at MIT Media Lab.

“Adaptation is the evolutionary process whereby a population becomes better suited to its habitat. This process takes place over many generations, and is one of the basic phenomena of biology.” – On the Origin of Species, Charles Darwin

“Using bio-chemical processes in the façade of a building to create shade and energy is a really innovative concept. It might well become a sustainable solution for energy production in urban areas” Jan Wurm, Arup’s Europe Research Leader

2.1_Integrazione Biotecnologie-Edificio Definite le peculiarità che caratterizzano le microalghe sia dal punto di vista dei prodotti estraibili che dal punto di vista energeticopeformativo è possibile studiare come il processo di crescita di quest’ultime possa essere integrato tecnologicamente all’interno del processo metabolico dell’edificio. I benefici dovuti all’utilizzo di sistemi di coltivazione integrati all’involucro edilizio possono essere molteplici, in modo specifico se questi assumono la funzione di rivestimenti di facciata. L’utilizzo degli elementi verticali dell’edficio rappresenta la condizione ottimale, sia in termini di spazio disponibile che di esposizione, per l’integrazione di fotobioreattori. L’utilizzo di quest’ultimi, sotto forma di componenti appositamente progettati, con funzione di rivestimento o di schermatura garantisce una perfetta integrazione della tecnologia con l’edificio, connotando il progetto architettonico sia dal punto di vista formale che performativo. Progetto pilota dell’emergente sensibilità verso i temi delle biotecnologie e della loro integrazione è rappresentato dal Biq House di Amburgo [45] progettato dal gruppo internazionale ARUP, insieme ai tedeschi SSC Strategic Science Consultants e allo studio austriaco Splitterwerk Architects, il primo progetto al mondo di facciata finalizzato alla coltivazione di microalghe per generare calore e biomassa come risorsa di energia rinnovabile. Grazie alla funzionalità ibrida della sua

[45] www.arup.com. Solar Leaf - bioreactor facade. Amburgo, 2013, luglio 2014

BRIEF PROGETTUALE

_60

facciata, questo edificio combina vari processi di produzione di energia rigenerativa per creare un sistema di circolazione sostenibile: solare termico, energia geotermica, biomassa e una cella a combustibile insieme formano tre fonti energetiche immagazzinabili sotto forma di calore, elettricità e biogas. La facciata svolge tutte le funzioni previste da un convenzionale rivestimento: essa non solo agisce come isolante termico ed acustico, ma anche come schermo solare. 130 pannelli costituiti da due vetri strutturali accoppiati come in un pannello fotovoltaico ricoprono la facciata dell’edificio. Nel contenitore stesso, le microalghe vengono coltivate in un mezzo di coltura acquoso che permette di eseguire la fotosintesi, assorbendo la luce naturale, e successivamente produrre biomassa tramite l’assorbimento di biossido di carbonio, azoto, fosforo e nutrienti. Essi sono in grado di immagazzinare anidride carbonica e produrre biogas nella cella a combustibile nell’edificio in gradi di generare 4.500 kWh all’anno. Inoltre, la funzione di solare termico, dovuta al preriscaldamento della massa liquida presente all’interno dei fotobioreattori, consente di produrre calore per circa 32 MW all’anno, calore che può essere sia utilizzato direttamente in casa a scopi sanitari o immesso nella rete elettrica locale, o, in alternativa, stoccata temporaneamente nel sottosuolo.[46] Il BIQ ha un concetto di energia globale: trae tutta l’energia necessaria per generare elettricità e calore da fonti rinnovabili, i combustibili fossili

[46] www.arup.com. Solar Leaf - bioreactor facade. Amburgo, 2013, luglio 2014

_61

BRIEF PROGETTUALE

Sistema tecnologico di facciata BIQ House [47] [47] www.syndebio.com. BIQ - The Algae House by SPLITTERWERK. Bartlett School of Architecture,London, 2014, luglio 2014

BRIEF PROGETTUALE

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_1 Solar Leaf, apertura esterna _2 Mensole di ancoraggio per il trasferimento dei carichi alla struttura primaria dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio _3 Afflusso e deflusso del liquido _4 Controtelaio in acciao laminato con sezione ad U _5 Perno di ancoraggio per consentire la rotazione _6 Carter metallico di rivestimento _7 Alimentazione ad aria compressa, controllata tramite valvole magnetiche

Sistema tecnologico di facciata BIQ House [48] [48] www.syndebio.com. BIQ - The Algae House by SPLITTERWERK. Bartlett School of Architecture,London, 2014, luglio 2014

_63

BRIEF PROGETTUALE

non vengono chiamati in causa. La totalità dell’energia richiesta dai processi metabolici dell’edificio viene garantita dall’utilizzo della biomassa algale raccolta dalla propria facciata. Inoltre, la facciata funziona da catalizzatore di energia assorbendo la luce che non viene utilizzata dal processo fotosintetico delle alghe e generando calore, come in una unità solare termico, viene poi sia utilizzato direttamente per acqua calda sanitaria e riscaldamento, oppure può essere immagazzinata nel terreno mediante sonde geotermiche con funzione di scambiatori di calore, tramite scavi di 80 metri di profondità riempite con soluzione salina. Questo sistema di energia altamente sostenibile è quindi in grado di creare un ciclo di energia solare termica, di energia geotermica, una caldaia a condensazione, di calore locale, e la raccolta di biomassa, tramite l’utilizzo della facciata bio-reattiva.[49]

[49] www.arup.com. Solar Leaf - bioreactor facade. Amburgo, 2013, luglio 2014

BRIEF PROGETTUALE

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Facciata Fotobioreattiva Biomassa

Riscaldamento CO2

Biogas

Celle a Combustibile

Centrale Elettrica Acqua Calda Sanitaria

ElettricitĂ

Biomassa / Biogas

Teleriscaldamento

Corrente Elettrica

Schema del processo di produzione e gestione dellâ&#x20AC;&#x2122;energia

_65

BRIEF PROGETTUALE

Calore

CO2

2.2_Requisiti / Performance L’esperienza concreta del Biq House di Amburgo mette in luce quelle che possono essere definiti i punti di forza di un sistema tecnologico intelligente, in grado di adattarsi alle condizioni ambientali in cui esso si trova, secondo le dinamiche e le tempistiche dei processi biologici. L’adozione di un sistema tecnologico di questo tipo consente il conseguimento delle seguenti performance: - la funzione di massa termica dovuta alla presenza di una soluzione liquida in movimento (causato dal moto convettivo del fluido all’interno dei fotobioreattori), con capacità di accumulare calore durante il giorno rilasciandolo durante la notte nel periodo invernale e viceversa durante il periodo estivo ; - la funzione ombreggiante dovuta alla densità della biomassa algale prodotta all’interno della soluzione; - la funzione di isolamento acustico dovuta alla presenza di una consistente massa d’acqua e materiale organico in sospensione all’interno di essa; - la funzione di purificazione dell’aria tramite il processo di trasformazione dell’energia della fotosintesi innescato dalla presenza della radiazione luminosa a contatto con la soluzione algale, costituita dalla trasformazione di

BRIEF PROGETTUALE

_66

anidride carbonica in ossigeno; - la funzione purificatrice delle acque grigie grazie all’azione chimica di nitrati e fosfati. - la funzione di produzione di biomassa all’interno dei fotobioreattori dovuta alla crescita periodica dei microorganismi, utilizzabile come bioraffineria per l’estrazione e la produzione di numerosi sottoprodotti, come precedentemente approfondito. Affinchè le potenzialità prestazionali delle microalghe vengano sfruttate e ottimizzate per un’applicazione di tipo tecnologico alla scala architettonica, occorre far si che l’energia incorporata per la produzione del materiale organico sia inferiore alla sua redditività in termini energetici. Il computo energetico di un sistema di fotobioreattori verticali è stato effettuato nel 2011 mettendo a confronto l’energia prodotta con l’energia utilizzata per attivare il processo (NER, Net Energy Ratio) di tale sistema, geolocalizzato a Firenze, nel campo sperimentale del Dipartimento di Scienze delle Produzioni Agroalimentari e dell’Ambiente, e geolocalizzato in Tunisia. Il confronto ha permesso di evidenziare la differenza di domanda energetica del sistema a diverse latitudini e condizioni ambientali.[50] I risultati ottenuti permettono di definire come la Net Energy Ratio dell’impianto localizzato in Tunisia sia superiore rispetto a quello

[50] Mario Tredici. Cibo ed Energia dalle Microalghe. Accademia dei Georgofili 24 Maggio 2012.

_67

BRIEF PROGETTUALE

Florence - Italy

Tunis - Tunisia

(GJ . ha . yr)

E.E materials

504

Photobioreactor

409

0,36

409

0,27

Piping + fittings

0,04

0,03

machinery

0,01

buildings

0,01

other

24,6

0,02

24,6

0,02

Fertilizers

204

388

175

0,15

334

0,22

P-P205

21,72

0,02

0,03

K20

6,6

0,01

12,58

0,01

Operation Energy

443

604

mixing

160

0,14

228

0,15

cooling

134

0,12

174

0,12

medium pumping

0,01

harvesting

0,00

centrifugation

113

0,10

162

0,11

labor

0,00

plant decommissioning

12,8

0,01

14,8

0,01

OUTPUT

661

100

1260

100

INPUT

1151

100

1496

100

Net Energy Ratio (NER)

0,57

0,84

BRIEF PROGETTUALE

_68

Rapporto ERoEI (Energy Returned on Energy Invested) e % [51] [51] www.europe.theolidrum.com/euan mearns, luglio 2014.

_69

BRIEF PROGETTUALE

localizzato a Firenze, dovuta ad un dispendio energetico più elevato sia per le operazioni meccaniche di mixaggio e raffreddamento della coltura sia ad un uso circa due volte superiore di fertilizzanti. Il parametro della Net Energy Ratio risulta essere molto importante in quanto determina la sostenibilità in termini energetici (e di conseguenza economici) dell’utilizzo di una data tecnologia (Energy Output / Energy Input); l’esperimento condotto definisce come il ciclo integrale di coltivazione di microalghe in fotobioreattori verticali e la loro successiva estrazione abbia una NER di circa 1, ciò dimostra un rapporto bilanciato tra l’energia di input e l’energia di output, a differenza di altre fonti di energia come l’energia idrica, eolica o il petrolio. Il grafico [51] dimostra come un rapporto minimo di 5:1 debba verificarsi affinchè una risorsa possa essere considerata sostenibile dal punto di vista energetico, rapporto non attualmente verificato nell’impianto verticale di fotobioreattori. 2.3_Fotobioreattore + Fotovoltaico Strategie di integrazione di sistemi tecnologici possono essere attuate al fine di ridurre il dispendio di energia elettrica necessaria per l’alimentazione dei processi aerazione, mixaggio, termoregolazione, raccolta e essicazione, necessari per il corretto funzionamento del sistema, come l’integrazione della tecnologia fotovoltaica.

BRIEF PROGETTUALE

_70

Petrolio

10 - 30 (qualitĂ variabile dei carburanti fossili)

Sabbie Bituminose

1.5

Potenza Idrica

45 - 90

Carbone

25 (in funzione della disponibilitĂ )

Nucleare

5 - 20 (ipotesi)

Vento

4 - 50

Solare

1 - 10

Etanolo del mais

Alghe in PBR

NER delle principali fonti di energia

_71

BRIEF PROGETTUALE

L’efficienza fotosintetica delle colture algali oscilla in un range dal 1.5 - 3.0 %, testimoniando il fatto che la maggior parte della radiazione solare che intercetta la coltivazione non viene assorbita, questo perchè solo una frazione dello spettro della radiazione solare ha il contenuto energetico appropriato per essere usato dalla fotosintesi. Questa viene chiamata radiazione fotosintetica attiva (PAR) è costituita da fotoni con una lunghezza d’onda compresa in un range da 400nm (fotoni blu) a 700nm (fotoni rossi). La frazione di PAR nella radiazione solare varia dal 43 al 48% in funzione dell’angolo di incidenza e delle condizioni atmosferiche, di conseguenza più della metà della radiazione solare che raggiunge il globo terrestre risulta essere inutile per la fotosintesi [52]. Questo ci permette di definire come la restante porzione dello spettro luminoso possa essere utilizzata, contemporaneamente al processo di fotosintesi, per la produzione di energia elettrica tramite tecnologia fotovoltaica, utile all’alimentazione dei sistemi elettrici di aerazione, mixaggio, termoregolazione, raccolta e essicazione, necessari per il corretto funzionamento del sistema. Gli esperimenti condotti dalla facoltà di Biotecnologie Agrarie di Firenze, guidati dal prof.Mario Tredici, dimostrano come l’integrazione tra fotobioreattore e fotovoltaico sia possibili ed efficiente come spiegato nell’esempio seguente: - assorbimento giornaliero di un fotobioreattore

[52] Mario Tredici. Cibo ed Energia dalle Microalghe. Accademia dei Georgofili 24 Maggio 2012.

BRIEF PROGETTUALE

_72

nel periodo estivo circa 20.000 kj/m2; - conversione in energia chimica da parte della coltura algale circa 400 kj (2% Efficienza fotosintetica); - posizionamento di fronte al fotobioreattore di un elemento fotovoltaico in modo che intercetti oltre il 50% dei fotoni (10.000kj); - l’elemento fotovoltaico converte l’energia solare assorbita in energia elettrica con un efficienza del 15% che genera 1.500 kj/ m2 di energia elettrica, sufficiente a fornire tutta l’energia richiesta per il mixaggio, la termoregolazione, la raccolta e l’essicazione della biomassa prodotta. Gli esperimenti effettuati a Firenze dimostrano che oltre il 50% dei fotoni possono essere catturati senza provocare un decremento della produttività; è permesso così uno sfruttamento completo dello spettro della radiazione solare per la produzione combinata di energia elettrica e dell’energia chimica necessaria per l’attivazione del processo fotosintetico.[53]

[53] Mario Tredici. Cibo ed Energia dalle Microalghe. Accademia dei Georgofili 24 Maggio 2012.

_73

BRIEF PROGETTUALE

2.4_Brief di Progetto Definito il contesto scientifico e culturale di intervento è possibile identificare gli elementi chiavi del processo progettuale aventi funzioni di brief preliminare. Il progetto si colloca all’interno dell’ambito tecnologico dei sistemi di cladding per involucri opachi alla scala architettonica e urbana; dotato di autonomia di utilizzo grazie alla modularità del componente consente la definizione di sistemi di tiling e quindi la definizione di pattern geometrici superficiali. Il sistema consente la coltivazione di microorganismi algali all’interno delle camere di crescita identificate dalla struttura dei singoli componenti, dalla cui biomassa possono essere estratte proteine per l’industria alimentare, omega 3 e amminoacidi per l’industria nutraceutica, molecole per l’industria cosmetica e farmaceutica, bioplastiche e biocarburanti come l’etanolo e il biodiesel. La necessità di sistemi di manutenzione e gestione del sistema di componenti alimentati tramite corrente elettrica ha previsto l’integrazione della tecnologia fotovoltaica amorfa a film sottili in grado di compensare il dispendio energetico di funzionamento senza compromettere l’efficienza fotosintetica degli organismi presenti all’interno dei componenti. Le peculiarità del sistema garantiscono così le performance precedentemente elencate di ombreggiamento, isolamento acustico, purificazione dell’aria, purificazione dell’acqua e produzione di biomassa in un sistema

BRIEF PROGETTUALE

_74

autonomo e adattivo grazie allâ&#x20AC;&#x2122;intelligenza artificiale e alle proprietĂ biologiche. Il sistema tecnologico si avvale inotre di uno specifico disegno architettonico che connota la geometria del singolo componente e la sua ripetezione, definendone il carattere distinitivo e la sua massima integrazione al sistema edificio.

_75

BRIEF PROGETTUALE

_76

PROCESSO PROGETTUALE

3.1_Definizione del Componente La conoscienza dei processi biologici e delle strutture metaboliche tipiche degli organismi naturali, ha permesso di identificare una gerarchia di processi intelligenti di trasformazione dell’ energia, di trasporto delle sostanze nutritive, di difesa dagli agenti patogeni ecc. che uniti a sistema permettono a quest’ultimo di incorporare un intelligenza distribuita in grado di autoalimentarsi e garantire efficienza e sostenibilità alla totalità del processo. Primo importante step è consistito nella definizione di un componente, elemento primario e sede locale dell’intelligenza del sistema. Esso assume la funzione di camera di crescita all’interno del quale ospitare la popolazione microbatterica algale che troverà le condizioni ottimali per la riproduzione, la crescita e ne faciliterà la successiva estrazione e raccolta. Il componente risulta essere così costituito dalle seguenti parti: • core strutturale in alluminio estruso assemblato a telaio per garantire rigidità al componente, dotato di sistema di ancoraggio integrato; • shell di chiusura in PET (polietilene tereftalato) semitrasparente termoformato con funzione di copertura della camera, avvitato al core centrale lateralmente per

_79

PROCESSO PROGETTUALE

consentire facilità di ispezione e montaggio; • flow controllers caratterizzato da un sistema equilibrato di portata di input / output per la vascolarizzazione della camera di crescita dotato di strutture interne alla camera per garantire il mixaggio della soluzione, evitare la stratificazione termica e ripartire la portata di ingresso per un corretto riempimento e svuotamento dell’intero sistema; • cellule fotovoltaiche amorfe collocate sulla parte frontale del componente; • sistema nervoso di sensoristica per il monitoraggio dell’attività biologica (produzione ossigeno, temperatura della soluzione, radizione luminosa incidente) e la raccolta dati in real time. • elettrovalvole per la gestione del flusso di input e di output, per la ridistribuzione del liquido in funzione dei dati raccolti dal sistema di sensoristica.

PROCESSO PROGETTUALE

_80

5 6

_81

PROCESSO PROGETTUALE

1 - Celle fotovoltaiche amorfe 2 - Sistema sensoristico: CO2, temperatura, radiazione solare 4

3 - Shell di copertura 4 - Sistema distributivo secondario: Bypass 5 - Sistema distributivo primario: Periferico

6 - Flow controller 7 - Core strutturale 8 - Elementi strutturali di aggancio alla superficie opaca 9 - Shell di chiusura

Esploso del Componente PROCESSO PROGETTUALE

_82

_Core Il corpo centrale identifica la componente strutturale del modulo architettonico, caratterizzata da una struttura a telaio in alluminio ad alte prestazioni, materiale in grado di garantire la rigidità necessaria alla struttura mantenendo un’ottima duttilità, necessaria nei processi di lavorazione per il raggiungimento di geometrie complesse. La struttura chiusa a telaio W, incorpora lateralmente il sistema di fissaggio alla superficie opaca caratterizzato da quattro elementi dotati di una piastra avvitabile; il sistema risulta essere ottimizzato per l’accorpamento di due elementi ogni piastra, al fine di ridurre al minimo l’utilizzo di materiale e ottimizzare il sistema di montaggio, smontaggio ed eventuale manutenzione del sistema. Il sistema integrato di core e agganci consente al componente di mantenere una propria autonomia strutturale e per questo consente ottima libertà nel posizionamento e al tempo stesso la rigidità necessaria per sopperire al proprio peso specifico e al carico dovuto al volume del liquido al suo interno di circa 0,08 m3. La struttura presenta inoltre quattro aperture all’estremità, aventi funzione di input e di output per il passaggio della soluzione algale che avverrà tramite un apposito sistema idraulico.

_83

PROCESSO PROGETTUALE

Scheda Tecnica 2618A www.smithshp.com

PROCESSO PROGETTUALE

_84

Aperture di INPUT

Core Strutturale Piastra di aggancio

Aperture di OUTPUT

VISTA FRONTALE

Schema funzionale core strutturale

_85

PROCESSO PROGETTUALE

VISTE LATERALI

Schema funzionale core strutturale

PROCESSO PROGETTUALE

_86

Render core strutturale

_87

PROCESSO PROGETTUALE

_Shell La funzione di copertura del componente è affidata ad un guscio in materiale plastico trasparente avente la duplice funzione di definizione della camera di crescita del materiale organico e di sede dell’impianto fotovoltaico e del sistema sensoristico. La complessità geometrica del guscio e il delicato ruolo che esso svolge all’interno del progetto del componente e dell’intero sistema ha portato all’identificazione di un materiale in grado essere sottoposto ad un processo di lavorazione a controllo numerico di termoformatura e fresatura. La ricerca del materiale idoneo si è evoluta tramite la sperimentazione con materiali plastici di diversa consistenza e composizione chimica (plastici e bioplastici), sottoponendoli a cicli di termosaldatura e termoformatura, al fine di identificarne tolleranze di lavorabilità e peculiarità. I materiali testati sono stati i seguenti: • • • •

PVC (polivinilcloruro); Poliuretano; PLA (acido polilattico); PET (polietilene tetraflato);

La volontà di optare per materiali biodegradibili e a basso impatto ambientale e l’ottima riposta in termini di resistenza meccanica e degradabilità cuasata da raggi UV, ha permesso di identificare nel PET il materiale idoneo per la lavorazione specifica dello shell.

PROCESSO PROGETTUALE

_88

Scheda Tecnica ERTALYTE www.quadrantepp.com

_89

PROCESSO PROGETTUALE

Quest’ultimo risulta definito da due monoscocche costituite da due parti laterali aventi la duplice funzione di partziale copertura delle tubazioni del sistema idraulico e di alleggerimento del componente tramite un gradiente di forature ottenibile tramite un processo di fresatura. Si è ritenuto necesssario ipotizzare tecniche di fabbricazione robot assistite avendo come obiettivo la massima precisione e automazione del processo di fabbricazione, che può essere così riassunto: • definizione della matrice di stampo tramite fresatura; • termoformatura di un foglio in PET dello spessore di 4mm; • fresatura delle microforature e finitura superficiale; Il sistema di assemblaggio dei due gusci simmetrici rispetto al core centrale è costituito dall’incastro tramite nastri in PET appositamente studiati e successivo avvitamento al fine di garantire coesione e rigidita alla totalità delle componenti che definiscono il modulo. La camera di crescita definita dall’accoppiamento delle tre componenti del modulo viene mantenuta stagna grazie all’utilizzo di guarnizioni tra il core centrale e gli shell in modo contrastare eventuali assestamenti dovuti alle differenti dilatazioni termiche dei materiali impiegati.

PROCESSO PROGETTUALE

_90

MILLING_Mould Preparation

STEP_1

THERMOFORMING_Module Formation

STEP_2

STEP_3

STEP_4

Schema del processo di fabbricazione

_91

PROCESSO PROGETTUALE

ASSEMBLING_Module Assembly

SCORING_Gradient Milling

_Flow Controllers Il sistema di vascolarizzazione del modulo prevede l’utilizzo di otto aperture collocate alle estremità del core strutturale, rispettivamente quattro di input e quattro di output. La corretta vascolarizzazione della camera di crescita con la soluzione algale prevede la necessità di mantenere la soluzione in continua agitazione per garantire sia il continuo mixaggio, e quindi evitare la sedimentazione della biomassa organica sulle pareti della camera, sia per garantire un buona omogeneizzazione termica ed evitare la stratificazione; quest’ultima potrebbe essere causa di surriscaldamento o congelamento precoce della soluzione con conseguente crash del processo di crescita. Le strutture a lamelle interne alla camera assolvono inoltre l’importante funzione di organizzazione del flusso e ripartizione della portata di ingresso; la parte centrale, più ampia, rapprensenta l’area di crescita, mentre le aree laterali assumono la funzione di “troppo pieno”. Le strutture a lamella rallentano il flusso in ingresso grazie alla strozzatura nel parte inferiore consentendo alla camera di riempirsi, mentre i troppo pieni raccolgono la soluzione in eccesso e la riportano verso le aperture di output. La portata iniziale di ingresso viene così mantenuta all’uscita, ma il rallentamento del flusso consente il riempimento della camera e il mantenimento dell’equilibrio del sistema.

PROCESSO PROGETTUALE

_92

Sistema Distributivo Secondario: Bypass

Sistema Distributivo Primario: Periferico

Flow Controllers

Elettrovalvole

SEZIONE VERTICALE

Schema delle funzioni allâ&#x20AC;&#x2122;interno del componente

_93

PROCESSO PROGETTUALE

INPUT Flowrate = X

Flow Controllers

OUTPUT Flowrate = X

SEZIONE VERTICALE

Schema dei flussi all’interno della camera di crescita

PROCESSO PROGETTUALE

_94

_Cellule Fotovoltaiche Amorfe Come precedentemente analizzato, il processo fotosintetico di crescita delle microalghe, alimentato dall’energia solare e dalla sua trasformazione in energia chimica, comporta l’assorbimento di una porzione limitata dello spettro luminoso (400 - 700 nm), la cui porzione rimanente può essere utilizzata per la conversione dell’energia solare in energia elettrica tramite tecnologia fotovoltaica. La necessità di una massima integrazione all’interno del componente e le specifiche geometriche di quest’ultimo hanno portato all’impiego di una tecnologia a silicio amorfo avente un’ottima integrabilità grazie alla produzione di film sottili adesivi applicabili su qualsiasi tipo di superficie, al peso contenuto e una produttività media del 12,5%, grazie alla quale è possibile contribuire alla forniture di energia elettrica necessaria al sistema per alimentarsi e sostenersi. Lo shell del componente funge da superficie di appoggio di due celle fotovoltaiche di 210 x 100 mm, fissate tramite l’apposito film adesivo; i due cavi di uscita dai pannelli, rispettivamente della corrente continua e della messa a terra andranno a collegare in serie i moduli presenti sulla medesima colonna, ciascuna dotata di un inverter dedicato e successivamente in parallelo ogni colonna di componenti.

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PROCESSO PROGETTUALE

PowerFLEX™ BIPV - 82/90/100W

The Most Powerful Rooftops on the Planet

A COMPANY OF

Designed specially for rooftops Integrates with roofing surface · · · ·

No mounting hardware No roof penetrations No wind load Low profile

Flexible module · Fits many roof types · Durable, non-breakable

Light weight · 3.6 kg/m2 (0.74 lb/ft 2) with adhesive

More energy per roof

More power per roof with lower BOS & installation costs

High efficiency CIGS

· 10.4% to 12.7% aperture efficiency · 50% more efficient than flexible a-Si

This is your roof

High performance

· Performs in all light conditions · Shade tolerant

Covers entire roof area

· Lays flat. No tilt required · Minimum module spacing required

Lower installed system costs

This is your roof with tilted solar panels

Large format module · 82-100 Watts · 2.0m x 0.49m dimensions · 30% to 40% savings in BOS & installation costs

How PowerFLEX™ BIPV compares Location: Munich

Fixed Area Installation

This is your roof with PowerFlex™ BIPV

PowerFLEX BIPV 54%

Power Generated (kW)

86% 41% 29% PowerFLEX BIPV 62%

Energy Produced (kWh)

95% 51% 37% PowerFLEX BIPV

Cost of Installation & BOS

PowerFLEX™ BIPV

164% 125% 189% 189%

a-Si laminate (flat) CIGS (tubes)

c-Si (tilted) CdTe (tilted)

More surface area covered plus higher performance equals more power and energy to you

Scheda Tecnica PowerFLEX BIPV www.globalsolar.com

PROCESSO PROGETTUALE

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PowerFLEX™ BIPV 82/90/100W Electrical Specifications Capacity rating

P max

100 W

90 W

82 W

Tolerance of Pmax

+10 / -7%

Module aperture area efficiency

12.7%

11.4%

10.4%

Rated voltage

V mpp

17.8 V

16.5 V

15.5 V

Rated current

Impp

5.6 A

5.4 A

5.3 A

Open circuit voltage

V oc

23.3 V

22.0 V

20.9 V

Short circuit current

Isc

6.4 A

6.3 A

6.2 A

Note 1: Standard Test Conditions (STC): Cell Temperature at 25°C; Solar irradiance intensity of 1000 W/m2; AM1.5 solar reference spectrum (ASTM E892) Note 2: Average efficiency is calculated using the 0.79 m2 aperture area of the module Note 3: Electrical parameters are +/-10% unless stated otherwise

Temperature Coefficients

Low-Light Performance

Maximum power

P max

-0.43 % / °C

Intensity

Maximum voltage

V max

-0.38 % / °C

1000 W/m2

Open circuit voltage

V oc

-0.33 % / °C

500 W/m2

99%

Short circuit current

Isc

-0.03 % / °C

200 W/m2

91%

Note: Relative to Standard Test Conditions (STC): Solar irradiance intensity of 1000 W/m2; AM1.5 solar reference spectrum (ASTM E892)

Mechanical Specifications Dimensions

2017 x 494 x <3 mm (79.3 x 19.4 x <0.12 in)

Weight

3.0 kg without adhesive (3.0 kg/m2 )

Relative Efficiency 100%

Note: Relative to Standard Test Conditions (STC): Cell Temperature at 25°C; AM1.5 solar reference spectrum (ASTM E892)

3.5 kg with adhesive (3.5 kg/m2 ) Junction Box - Top Mounted

TE Connectivity SOLARLOKTM Micro Junction Box

Cables

4 mm2 dual rated with SOLARLOKTM connectors

Junction Box - Bottom Mounted

MC-JM/FM (MC4 Connectors)

Front Sheet

Non-stick E T F E

Solar Cells

36 CIGS cells (210 x 100 mm)

Adhesive

ADCO HelioBondTM PVA 600BT butyl mastic

Hot Spot Protection

Bypass diodes at each cell; 1 at junction box

Materials

Lead free and exempt from RoHS requirements

Maximum Series Fuse Rating

10 Amp

Color Options

Black (B) or White (W) backsheet behind cells

Operating Conditions Temperature Range

-40°C to + 85°C

Maximum System Voltage

1000VDC IEC, 600VDC UL

Certifications and Warranty* EN 61646, EN 61730, UL 1703 Materials and workmanship - 5 years Power output - 25 years (90% @ 10 yrs; 80% @ 25 yrs) Limited Warranty

Also available in 4.0m x 0.5m or 6.0m x 0.5m modules

*Contact GSE for complete warranty terms Global Solar ® is a leading manufacturer of Copper Indium Gallium diSelenide (CIGS) thin-film solar on a flexible substrate. With a plant in Tucson (Arizona, USA), Global Solar ® operates with a total of 40MW of production capacity. An average cell efficiency above 12.5% makes the company the world leader in CIGS efficiency on flexible substrate in large scale production. Sold worldwide in multiple applications, including flexible laminates, solar shingles, glass modules and portable chargers.

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A COMPANY OF

Scheda Tecnica PowerFLEX BIPV www.globalsolar.com

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PROCESSO PROGETTUALE

Doc No. 1000397 rev D

Cella fotovoltaica amorfa 210 x 100 mm

Layout adesivo di fissaggio

GND

Corrente

PROSPETTO FRONTALE

Schema di posizionamento di due celle fotovoltaiche amorfe a film sottile

PROCESSO PROGETTUALE

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Collegamento in parallelo

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PROCESSO PROGETTUALE

Collegamento in serie

_Sistema Nervoso Lo shell superiore del componente assume ulteriormente la funzione di sede del sistema di sensoristica che determina l’intelligenza locale del sistema. Come un sistema nervoso esso ha la funzione di mappare e monitorare le condizioni ambientali e le funzioni metaboliche degli organismi all’interno del componente e definire un feedback tra di essi con lo scopo di ottimizzare la crescita e quindi la produttività sia in termini energetici che di performance. Tre tipologie di sensori sono stati installati sulla superficie esterna del modulo: • Sensore di temperatura • Sensore di CO2 • Sensore di luminosità Il sensore di temperatura assolve una duplice funzione di monitoraggio e controllo dei valori termici della soluzione algale all’interno del componente; la mappatura dei dati termici ambientali permette al sistema di innescarsi o spegnersi in caso di surriscaldamento della soluzione o di rischio di congelamento, tramite un processo automatizzato in real time. Sono state fissati ange di temperature ottimali e di conseguenza temperature limite che provocano lo spegnimento del sistema. Il sensore di CO2 determina l’attività biologica dei micro organismi all’interno della camera di crescita, quantificando il fissaggio di molecole di anidride carbonica e la conseguente loro trasformazione in molecole di ossigeno.

PROCESSO PROGETTUALE

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Il sensore di luminosità funziona da feedback per il sistema di elettrovalvole connesso al sistema idraulico; il mappaggio locale della quantità di radiazione luminosa incidente sulla superficie del componente permette di autoregolare l’apertura e la chiusura di elettrovalvole aventi la funzione di ridistribuire la soluzione algale nelle aree della superficie opaca aventi radiazione maggiore e quindi una potenziale maggior produttività, come verrà illustrato in seguito. La dotazione di un sistema di sensoristica in grado di valutare in real time le condizioni ambientali e utilizzarle, sotto forma di dati numerici, come input per reazioni meccaniche e conseguentemente biologiche, consente di propagare l’intelligenza autonoma del singolo componente ad un sistema di componenti, definendo un sistema di intelligenza distribuita. La capacità di autogestione e autodefinizione data dal sistema di sensori ed elettrovalvole si unisce alla naturale capacità biologica dei microrganismi presenti all’interno dei componenti di adattarsi alle condizioni ambientali espletando processi metabolici di crescita e di produzione di ossigeno, costituendo una sistema coerente e performante.

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PROCESSO PROGETTUALE

Sensore di Temperatura

Sensore di CO2

Sensore di LuminositĂ

PROSPETTO FRONTALE

Schema del sistema nervoso di sensoristica

PROCESSO PROGETTUALE

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INPUT

Data Mapping

Data Management

Schema del processo di elebaorazione dei dati ambientali

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PROCESSO PROGETTUALE

OUTPUT

_Elettrovalvole Il componente Ă¨ dotato di un sistema di elettrovalvole in grado di riorganizzare il flusso della soluzione algale in funzione dei dati recepiti dal sistema nervoso di sensori; le elettrovalvole rimangono aperte in condizioni normali e tramite un impulso elettrico chiudono il passaggio della soluzione nel sistema di circolazione periferico forzandone il passaggio nel sistema di bypass o viceversa, mantenendo costante la portata di ingresso e di uscita di ogni singolo componente e di conseguenza il corretto defluire della soluzione. La reattivitĂ del sistema e la capacitĂ adattiva permettono di massimizzare la produttivitĂ grazie alla massima ricezione di radiazione solare utile per alimentare i processi di crescita delle microalghe.

Elettrovalvola a 3 vie 220v per il controllo dei flussi di ingresso e di uscita, www.acquaxcasa.com, 2014.

PROCESSO PROGETTUALE

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Elettrovalvole

Blocco del sistema distributivo secondario di bypass e alimentazione del sistema distributivo primario periferico

SEZIONE VERTICALE

Schema di funzionamento delle elettrovalvole

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PROCESSO PROGETTUALE

Blocco del sistema distributivo primario periferico e alimentazione del sistema distributivo secondario di bypass

SEZIONE VERTICALE

Schema di funzionamento delle elettrovalvole

PROCESSO PROGETTUALE

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PROCESSO PROGETTUALE

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3.2_Sistema Distributivo Primario: Periferico Definite le caratteristiche morfologiche e funzionali del singolo componente e gli obiettivi dell’utilizzo di tale tecnologia, è necessario identificare le caratteristiche di un sistema basato sull’aggregazione di pù componenti. Affinchè i benefici di tale tecnologia possano essere apprezzati sia in termini di performance riguardanti l’involucro opaco, sia in termini di coltivazione e produzione di microalghe, un sistema efficiente di distribuzione deve essere progettato in modo tale da garantire la portata necessaria per l’attivazione e l’autostenimento dell’intero processo. La progettazione del sistema idraulico distributivo ha portato alla definizione di due livelli di distribuzione del fluido, periferico e di bypass. Il sistema distributivo primario, definito periferico”, assume il ruolo di distributore del fluido dal singolo componente ai componenti adiacenti mediante un sistema di due tubi in ingresso e due tubi in uscita che, sfruttando la gravità, garantiscono un rapporto equilibrato in termini di portata, e quindi la corretta transizione del liquido all’interno del componente. Le tubazioni, in policarbonato trasparente hanno la dimensione stimata di 1 pollice, necessaria per mantenere una portata sufficiente all’attivazione e alimentazione del sistema.

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PROCESSO PROGETTUALE

Schema di funzionamento del sistema distributivo primario

PROCESSO PROGETTUALE

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3.3_Sistema Distributivo Secondario: Bypass Il secondo livello di distribuzione del liquido nasce dalla necessità di avere un controllo puntuale dell’intero processo e quindi la possibilità di organizzare il flusso all’interno dei componenti in modo indipendente. La dotazione di ogni compomente di ulteriori due aperture in aggiunta a quelle dedicate al sistema periferico, rispettivamente in entrata e in uscita, consente di poter bypassare i moduli adiacenti, accedendo direttamente alla serie successive. Grazie alla presenza delle elettrovalvole, controllate dai dati di input provenienti dal sistema sensoristico, è possibile una deviazione del flusso in uscita e in entrata , che consente la definizione di aree a minore o maggiore densità di liquido o aree completamente vuote, mantenendo inalterato l’equilibrio dato dal rapporto tra portata di ingresso e portata di uscita. L’automazione di tale processo accoppiato al sistema di distribuzione periferica definisce un ottimo grado di adattabilità dell’intero processo ai fini di ottimizzazione delle performance.

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PROCESSO PROGETTUALE

Schema di funzionamento del sistema distributivo primario

PROCESSO PROGETTUALE

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Definito il funzionamento dei due livelli di distribuzione della soluzione algale all’interno del sistema di componenti, è ora necessaria l’identificazione del sistema di pompaggio della soluzione e l’area di raccolta e stoccaggio della biomassa algale. Affinchè il sistema possa essere attivato è necessario l’impiego di pompe idrauliche in grado di pompare la soluzione portandola agli ingressi dei componenti. Le principali tipologie indagate sono state le seguenti: • pompa a elica • pompa a vite • pompa peristaltica La pompa ad elica garantisce portate variabili e prevalenze elevate ma risulta essere traumatica per il materiale organico mentre la tipologia a vite garantisce anch’essa portate variabili ma ha una potenza non sufficiente in caso di prevalenze elevate. La ricerca della tipologia di pompa più adatta per questo tipo di applicazione ha portato, all’identificazione della tipologia peristaltica ad immersione, ottima in caso di prevalenze elevate, portate variabili e non invasiva per il materiale organico. La vasca di raccolta verrà invece collocata in posizione retrostante al sistema di componenti o ad un livello inferiore, interrato, nell’intercapedine tra il componente opaco e il sistema stesso. Questa assume un ruolo importante all’interno del ciclo produttivo, in quanto definisce una fase di transizione della soluzione e la fase terminale del processo che

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PROCESSO PROGETTUALE

Elettrovalvole

Piping System

Pompa peristaltica

Shell

Core strutturale con sistema di aggancio integrato

Schema dei livelli del sistema di cladding

PROCESSO PROGETTUALE

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precede la raccolta della biomassa. Data la necessità delle microalghe di crescere in un range di temperature limitate, relativamente temperate, la vasca di raccolta può assumere anche la funzione di sede refrigerante della soluzione; refrigerando la vasca è possibile scambiare il calore accumulato dalla soluzione durante la fase di transizione nei componenti riportando la temperatura in un range accettabile per la crescita e successivamente immetterla nuovamente all’interno del circuito tramite le pompe idrostatiche.

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PROCESSO PROGETTUALE

3.4_Sistema Strutturale Il sistema strutturale di ancoraggio al componente opaco prevede lâ&#x20AC;&#x2122;impiego di elementi puntali metallici a piastra, rispettivamente quatro per ogni componente, avvitati su profili metallici posizionati verticalmente sulla superficie di appoggio. Il modulo strutturale a piastra si compone di una doppia sede per il fissaggio di due componenti ognuno al fine di ottimizzare il numero di elementi in sede di fabbricazione ed esecuzione e dimezzare il numero di montanti per lâ&#x20AC;&#x2122;ancoraggio.

PROCESSO PROGETTUALE

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Agganci

Sede aggancio componente 1

Sede aggancio componente 2

PROSPETTO FRONTALE

Viti di ancoraggio Piastra in acciao 5mm

PROSPETTO LATERALE

Componente opaco

Core strutturale

Profili metallici di aggancio

PROSPETTO LATERALE

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PROCESSO PROGETTUALE

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PROCESSO PROGETTUALE

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STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

4.1_Rhinoceros + Grasshopper Terminata la fase di definizione e progettazione del sistema è stato importante procedere alla fabbricazione di un modello in scala di una serie di componenti in grado di simulare i processi fluidodinamici e di reattività data dai sensori. Il processo di prototipazione si è articolato in fasi, seguendo i diversi approcci, di transizione dal modello digitale a quello fisico interattivo: • ottimizzazione e discretizzazione delle geometrie digitali tramite tecniche di modellazione parametrica per la preparazione alla fabbricazione tramite tecnologia stereolitografica a FFD (Fuse Filament Deposition). • stampa tridimensionale (FFD) tramite Rep Rap Prusa i3 degli elementi che definiscono il componente • vacuum forming dei gusci di copertura del componente con fogli di PETG da 0,7mm • definizione circuito e programmazione sistema di intelligenza artificiale tramite PCB (Programmable Control Board), sensore di temperatura e fotoresistore con funzione di mappatura in real time dei dati ambientali • assemblaggio

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STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

Centrale importanza all’interno del processo di definizione del modello è stato l’impiego di tecniche di modellazione parametrica; l’utilizzo di script appositamente elaborati ha permesso di controllare in modo puntuale le peculiarità geometriche di ogni parte costituente il modello e definire un sistema coerente di informazioni e relazioni. Il software principalmente utilizzato è stato Rhinoceros, specifico per la gestione delle geometrie NURBS (Non Uniformal Rational B-Splines), ottime per la definizione di superfici complesse e per la successiva fabbricazione tramite strumenti a controllo numerico CNC data l’ampia gamma di formati di esportazione dei modelli. Il controllo dei dati geometrici e la gestione delle specificità quali, gradienti e superfici minime che costituiscono lo shell, è stato istituito grazie ad un plug in di Rhinoceros, Grasshopper, specifico per la modellazione parametrica tramite un sistema di programmazione visuale (visual scripting). Quest’ultimo ha permesso di programmare, tramite la definizione dei parametri costituenti, un processo che permettesse il controllo di ogni elemento costituente il modello e di conseguenza la possibilità di variare in tempo reale la sua conformazione. L’utilizzo di tecniche di modellazione parametrica ha assunto un ruolo fondamentale all’interno dell’intero processo, dalle fasi iniziali di concept, alla modellazione fino alla preparazione dei modelli per la fabbricazione tramite stampa tridimensionale e taglio laser.

STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

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STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

Algoritmo generativo di Grasshopper per il controllo delle geometrie

STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

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4.2_3D Printing La complessità del modello geometrico ha portato necessariamente all’utilizzo di tecniche di prototipazione rapida a controllo numerico per la loro fabbricazione; la stampa tridimensionale ha permesso la fabbricazione della matrice dello shell e del core centrale strutturale. Il modello digitale, elaborato tramite l’utiizzo di superfici NURBS è stato inizialmente sottoposto ad un controllo accurato finalizzato alla conversione in mesh per l’esportazione in formato stereolitografico (STL), richiesto dalle macchine a controllo numerico. L’elaborazione del file STL è stata seguita da un controllo del modello e da numerose simulazioni di stampa; questo processo ha permesso di avere feedback continui sul modello reale e conseguenti modifiche dei parametri e delle strategie da adottare per la gestione ottimizzata del modello digitale. Il componente è stato scomposto nei suoi elementi costituenti e fabbricato per parti. Il materiale utilizzato per la stampa è stato il PLA (acido polilattico), un biopolimero plastico avente una temperatura di fusione tra i 195 220 °C, dall’ottima resistenza meccanica e buona elasticità oltre alla biodegrabilità. Il modello tridimensionale ottenuto è stato successivamente utilizzato come matrice per il processo di termoformatura sottovuoto (vacuum forming).

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STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

STEP_1

STEP_2

Processo di fabbricazione tramite 3d printing

STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

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STEP_1

STEP_2

Processo di fabbricazione tramite 3d printing

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STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

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STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

4.3_Vacuum Forming Terminata la fase di stampa tridimensionale della matrice si è proceduto alla preparazione del materiale per il processo di termoformatura sottovuoto. Il materiale impiegato è stato PETG trasparente in fogli da 0,7mm di spessore, adeguato per il dettaglio del modello da raggiungere, con una temperatura di lavoro di circa 100°C.

MATRICE DI STAMPO

STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

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4.4_Laser Cut Preparazione della plancia di ancoraggio in plexiglass da 8 mm tramite taglio laser e scoring del testo di presentazione.

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STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

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4.5_Arduino + Sensori La dotazione del modello della capacità di mappare i dati ambientali e tradurli in stimoli nervosi per specifiche reazioni meccaniche è stata effettuata tramite l’utilizzo di una pattaforma hardware PCB (Programmable Control Board), nel caso specifico si è optato per un Arduino MEGA. Quest’ultimo è composto da un processore e da una serie di pin analogici e digitali; questi permettono di ottenere dati di input tramite la lettura di sensori o periferiche esterne e, tramite la programmazione con l’apposito software, trasfomarli in reazioni specifiche di output. In questo caso particolare i pin di ingresso permettono di elaborare i dati provenienti da due sensori, rispettivamente di temperatura (TMP36) e di luminosità (LDR) e tradurli in reazioni visibili sul modello analogico grazie ad un display LCD e due LED. Ecco gli elementi costituenti del circuito: • • • • • • • • • •

1 x Arduino MEGA ATmega2560 1 x Breadboard Jump Wires 1 x Sensore di temperatura TMP36 1 x Fotoresistore LDR 1 x Potenziometro 10k 1 x Condensatore 10nf 2 x LED 1 x Resistenza 10k 1 LCD Display

La codifica dei dati è stata effettuata tramite uno sketch elaborato con il software Arduino

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(linguaggio Processing), strumento di controllo di tutte le piattaforme hardware Arduino, necessaria per l’interpretazione dei dati da parte del processore dedicato. Di seguito il codice completo utilizzato: /* Proto_BIOCLAD: Adaptive Biodigital Cladding System M.Arch Final Thesis 2014 Code by Federico Borello */ #include <LiquidCrystal.h> int lightPin = 5; int lightLEDPin = 9; int tempPin = 7; int tempLEDPin = 8; long previousMillis = 0; long intervalTemp = 500; LiquidCrystal lcd (12, 11, 5, 4, 3, 2); void setup() { Serial.begin (9600); lcd.begin (16, 2); lcd.setCursor (0, 0); lcd.print (“ Proto_BIOCLAD “); delay (5000); lcd.clear(); pinMode (tempLEDPin, OUTPUT); pinMode (lightLEDPin, OUTPUT);

STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

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} void loop() { lightMapping(); unsigned long currentMillis = millis(); if (currentMillis - previousMillis > intervalTemp) { previousMillis = currentMillis;

}

tempMapping();

void tempMapping() { float temp; temp = analogRead (tempPin); temp = temp * 0.48828125; if (temp > 26) { digitalWrite (tempLEDPin, HIGH); lcd.setCursor (0, 2); lcd.print (“Temp [C] =”); lcd.print (temp);

} else if (temp > 23) { digitalWrite (tempLEDPin, LOW); lcd.setCursor (0, 2); lcd.print (“Temp [C] =”); lcd.print (temp); } else

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STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

{

}

digitalWrite (tempLEDPin,HIGH); lcd.setCursor (0,2); lcd.print (“Temp [C] =”); lcd.print (temp);

void lightMapping() { float lightData; float rmpData; lightData = analogRead (lightPin); rmpData = map (lightData, 0, 1023, 0, 100);

}

if (rmpData > 70) { digitalWrite (lightLEDPin, LOW); lcd.setCursor (0, 0); lcd.print (“IntL [%] = “); lcd.print (rmpData); } else { digitalWrite (lightLEDPin, HIGH); lcd.setCursor (0, 0); lcd.print (“IntL [%] = “); lcd.print (rmpData); }

STRUMENTI DI FABBRICAZIONE PROTOTIPO

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Schema elettrico di connessione dello schermo LCD

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Schema elettrico dei sensori di temperatura, LDR e LED

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4.6_Assemblaggio La fase conclusiva di assemblaggio è consistita nel fissaggio dei compoenenti alla plancia in plexiglass e nell’assemblaggio delle singole parti del modello. Il core strutturale è stato fissato tramite viti M3 (3 mm) in acciaio agli elementi puntuali di ancoraggio; questi sono stati avvitati tramite viti M1 (1 mm) alla plancia il plexiglass. Gli shell in PETG termoformati sono stati fissati al core centrale tramite incollaggio a caldo. I sensori rispettivamente di temperatura e intensità luminosa sono stati posizionati sulla parte superiore dello shell del componente in posizione più bassa, adottato come elemento di simulazione del comportamento di mappaggio dei dati ambientali. Due LED sono stati impiegati come segnali di allerta in caso di uscita dai range ottimali di intensità luminosa e temperatura rilevati dai sensori per la crescita dei microorganismi algali.

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_Bibliografia / Sitografia • Eere. National algal biofuels technology roadmap. Technical report, Energy Efficiency Renewable Energy Office - U.S. Department of Energy, 2009. • Y. Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, 294–306, 2007. • Y.K. Lee. Microalgal mass culture systems and methods: Their limitation and potential. Journal of applied phycology, 307–315, 2001. • E.W. Becker. Microalgae: biotechnology and microbiology. Cambridge Univ Pr, 1994. • A.M. Kunjapur and R.B. Eldridge. Photobioreactor Design for Commercial Biofuel Production from Microalgae. Industrial & Engineering Chemistry Research, pages 4661–4670. • E.W. Becker. Micro-algae as a source of protein. Biotechnology Advances, 25(2):207– 210, 2004. • FG Acién Fernández, JM Fernández Sevilla, JA Sánchez Pérez, E. Molina Grima, and Y. Chisti. Airlift driven external-loop tubular photobioreactors for outdoor production of microalgae: assessment of design and performance. Chemical Engineering Science, 2721–2732, 2001.

_148

• A.M. Kunjapur and R.B. Eldridge. Photobioreactor Design for Commercial Biofuel Production from Microalgae. Industrial & Engineering Chemistry Research, pages 4661–4670. • P. McKendry. Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. Bioresource Technology, 37–46, 2002. • K. Tyson, J. Bozell, R. Wallace, E. Petersen, and L. Moens. Biomass oil analysis: Research needs and recommendations. Technical report, National Renewable Energy Laboratory, 2004. • J.S. Burlew. Algal culture. From Laboratory to Pilot Plant, Carnegie Inst.Washington Publ, 600. • J. Fargione, J. Hill, D. Tilman, S. Polasky, and P. Hawthorne. Land clearing and the biofuel carbon debt. Science, 1235, 2008. • R. Divakaran and VN Sivasankara Pillai. Flocculation of algae using chitosan. Journal of Applied Phycology, 419–422, 2002. • E. Molina Grima, E.H. Belarbi, F.G. Acién Fernández, A. Robles Medina, and Y. Chisti. Recovery of microalgal biomass and metabolites: process options and economics. Biotechnology Advances, 491– 515, 2003.

_149

• L. Brennan and P. Owende. Biofuels from microalgae. A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009. • M. Heasman, J. Diemar, W. O’connor, T. Sushames, and L. Foulkes. Development of extended shelf-life microalgae concentrate diets harvested by centrifugation for bivalve molluscs-a summary. Aquaculture Research, 637–659, 2000. • Patrick Lavens and Patrick Sorgeloos. Laboratory of Aquaculture and Artemia Reference Center, University of Ghent, Belgium. Manual on the production and use of live food for aquaculture. Rome, 1996. • C.Posten. TATuP - Zeitschrift des ITAS zur Technikfolgenabschätzung. Design and Performance Parameters of Photobioreactors. Karlsruhe, Germany, 2012. • www.arup.com. Solar Leaf - bioreactor facade. Amburgo, 2013. • www.syndebio.com. BIQ - The Algae House by SPLITTERWERK. Bartlett School of Architecture, London, 2014. • www.theoildrum.com.The Oil Drum | A Net Energy Parable: Why is ERoEI Important. 2006

_150

• w w w. e u ro p e . t h e o l i d r u m . c o m / e u a n mearns, 2014. • Dismukes GC, Carrieri D, Bennette N, Ananyev GM, Posewitz MC. Aquatic phototrophs: efficient alternatives to land based crops for biofuels. Curr. Opin. Biotech. 19(3), 235–240 (2008). • Rodolfi L, Chini Zittelli G, Bassi N et al. Microalgae for oil: strain selection, induction of lipid synthesis and outdoor mass cultivation in a low cost photobioreactor. Biotechnol. Bioeng. 102(1), 100–112 (2009). • Hall DO, Rao KK (Eds). Photosynthesis (6th Edition). Cambridge University Press, Cambridge, UK, 214 (1999). • Lehr F, Posten C. Closed photobioreactors as tools for biofuel production. Curr. Opin. Biotech. 20(3), 280–285 (2009). • Mario Tredici. Photobiology of microalgae mass cultures: understanding the tools for the next green revolution. Biofuels. 1(1), 143 - 162. (2010). • Mario Tredici. Cibo ed Energia dalle Microalghe. Accademia dei Georgofili 24 Maggio 2012. • Cesare Griffa. Smart Creatures. Progettazione parametrica per architetture sostenibili. EDILSTAMPA, 2012

_151

• Salgascano MIT Studio, MIT School of Architecture, www. bott2013studio. wordpress.com • MIT City Farm, www.mitcityfarm.com • MIT SENSEable City Lab, www.senseable. mit.edu • Biodigital Architecture, biodigitalarchitecture.com

www.

• IAAC Institute for Advanced Architecture Catalonia, www.iaac.net • Architectural Association School of Architecture DRL, www. drl.aaschool.ac.uk

_152

_Immagini • Lobaria Pulmonaria http://en.wikipedia. org/wiki/Lobaria_pulmonaria • Cyanobacteria Gloom http://mikeatclarku. blogspot.it/2012/10/my-summerinternship-at-massachusetts.html • Algae Microscope http://www.qualitashealth.com/about-us/media-2/ • Lake Chad http://www.thelovelyplanet.net/ lake-chad-seeks-attention/ • Algae algae/

Oil

http://www.oilseedcrops.org/

• Algae Bloom http://www.noaanews.noaa. gov/stories2013/20130702_lakeeriehabs. html • Photobioreactors http://www.evworld.com/ ARTICLE.CFM?STORYID=1558 • Batch http://hatchery.hpl.umces.edu/index. php/algae/culture-techniques/ • Raceway Ponds http://fis.com/ fis/worldnews/worldnews. asp?l=e&id=39847&ndb=1 • Biomass http://www.iaacblog.com/ maa2013-2014-when-energy-becomes-

_153

form/2013/11/algae-bio-powering-cells/ • SCHOTT Photobioreactors http:// www.schott.com/english/news/press. html?NID=4212 • BIQ-House Overall Facade Photo © Colt International, Arup Deutschland, SSC GmbH • BIQ-House Frontal SPLITTERWERK • BIQ-House Algae SPLITTERWERK

View

Photo

Growth

Photo

• BIQ-2 Photo © SPLITTERWERK • BIQ-House Algae Fluids 1 Photo © Colt International, Arup Deutschland, SSC GmbH • BIQ-House Algae Fluids 2 Photo © Colt International, Arup Deutschland, SSC GmbH • BIQ-Algae Facade Technical Apparatus • BIQ-House Panels © SPLITTERWERK • Elettrovalvola a 3 vie 220v www.acquaxcasa. com

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