Microrganismi come fonte di energia e per il trattamento dei rifiuti
Gli ecosistemi microbici hanno molti usi importanti per la società umana, come ad esempio la degradazione delle sostanze contaminanti che inquinano acqua, aria o suolo. Essi possono inoltre trasformare i materiali di scarto in preziose risorse rinnovabili, che includono bioenergia, biomateriali e prodotti di alto valore. Questo significa che diversi ecosistemi microbici possono essere combinati in bioraffinerie o bioprocessi integrati. Qui possono essere prodotte differenti forme di bioenergia o biomateriali e possono essere trattate simultaneamente fonti multiple di inquinamento. Tuttavia, vi è un alto livello di incertezza a causa del grande numero di variabili coinvolte. Questo è il motivo per cui è necessario un quadro sistematico per progettare e far funzionare questi processi. Il progetto DOP-ECOS (Optimal design and operation of microbial ecosystems for bioenergy production and waste treatment) si è concentrato sui bioprocessi che combinano un fotobioreattore con un digestore anaerobico. Il primo usa le microalghe per catturare la luce solare e trasformarla in biomassa, mentre il secondo trasforma la biomassa in biogas e recupera le sostanze nutritive. I partner del progetto hanno sviluppato nuovi algoritmi per la stima, ottimizzazione e controllo efficienti e affidabili dei processi biotecnologici e per ridurre la quantità di incertezza. Un’enfasi particolare è stata posta sulla stima di appartenenza a un insieme, una tecnica per determinare tutti i possibili valori di parametro di un modello e un nuovo quadro algoritmico, chiamato branch-and-lift. Questi metodi e strumenti avanzati basati sull’ottimizzazione sono stati usati per creare modelli all’avanguardia per ottimizzare le prestazioni del fotobioreattore e del digestore anaerobico. I ricercatori hanno sviluppato modelli della crescita delle microalghe e li hanno integrati in modelli multifisici per prevedere produttività su larga scala in un impianto per l’acquacoltura e in modelli fluidodinamici computazionali che descrivevano le condizioni del flusso. I modelli sono stati usati per identificare i principali colli di bottiglia e le possibilità di miglioramento nei sistemi di coltura su larga scala per testare l’ipotesi relativa all’uso di specie di microalghe geneticamente modificate. Essi potrebbero essere anche usati per determinare la posizione migliore per una fattoria di microalghe sulla base di sistemi informativi geografici (GIS). DOP-ECOS è stato il primo progetto di questo tipo ad applicare una metodologia sistematica basata su modelli alla progettazione e alle strategie di funzionamento di sistemi microbici integrati. Questi risultati aprono la strada a nuove possibilità per applicare la tecnologia di ottimizzazione alle relative sfide industriali, come ad esempio alla biotecnologia.
Parole chiave
Ecosistemi microbici, bioprocessi, bioraffinerie DOP-ECOS, fotobioreattore, digestore anaerobico, stima appartenenza insieme, modelli multifisici, fluidodinamica computazionale
