Biocarburanti per aviazione prodotti da microalghe tramite hydrothermal liquefaction (HTL)

To achieve the goal of replacing fossil fuels and achieving carbon neutrality in the aviation sector, the use of third-generation biofuels produced by microalgae is proposed. Microalgae are suitable because they have a high growth rate, give a large accumulation of lipids and can capture CO2 during growth. The entire process is analyzed starting from the different growth modes of microalgae, the cultivation systems (open systems and photobioreactors), cultivation parameters and harvesting methods (physical, chemical, biological and magnetic). Before the conversion processes, biomass pre-treatment methods are proposed (cell disruption, ash and protein removal) which serve to increase the conversion yield into bio-oil. The conversion of biomass into aviation biofuel is carried out by hydrothermal liquefaction (HTL) which allows the conversion of the entire biomass (lipids, carbohydrates, proteins) into bio-oil. The HTL process is energy efficient because it allows the treatment of still wet biomass, eliminating the preliminary, highly energetic drying steps. The HTL process occurs at high pressures and temperatures and exploits the properties of subcritical water that allow it to act as a non-polar organic solvent, promoting the solubility of non-polar organic compounds, facilitating the conversion process. The bio-oil obtained from the HTL has a higher content of heteroatoms (oxygen and nitrogen) than the standards, so its quality must be improved both through the use of highly selectivity heterogeneous catalysts and through a subsequent hydrotreatment process carried out at high temperatures and under H2 pressures. It is important that the biofuel produced has a composition and properties that are compatible with current aviation fuel standards (such as those dictated by ASTM, American Society for Testing and Materials).

Per raggiungere l’obiettivo di sostituire i carburanti provenienti da fonti fossili e avere emissioni neutre di carbonio nel settore dell’aviazione viene proposto l’utilizzo dei biocarburanti di terza generazione prodotti da microalghe. Le microalghe risultano adatte poiché hanno velocità di crescita elevata, danno un grande accumulo di lipidi e possono catturare CO2 durante la crescita. Viene analizzato l’intero processo partendo dalle differenti modalità di crescita delle microalghe, i sistemi (aperti e fotobioreattori) e i parametri di coltivazione e i metodi di raccolta (fisici, chimici, biologici e magnetici). Prima dei processi di conversione vengo proposti dei metodi di pretrattamento della biomassa (disgregazione cellulare, rimozione delle ceneri e delle proteine) che servono per aumentare la resa di conversione in bio-olio. La conversione della biomassa in biocarburante per aviazione viene effettuata tramite l’hydrothermal liquefaction (HTL) che permette la conversione dell’intera biomassa (lipidi, carboidrati, proteine) in bio-olio. Il processo HTL si rivela conveniente dal punto di vista energetico in quanto permette il trattamento della biomassa ancora umida, eliminando i preliminari step di essicazione molto energetici. Il processo HTL avviene ad alte pressioni e temperature e sfruttando le proprietà dell’acqua subcritica che le permettono di agire da solvente organico non polare favorendo la solubilità dei composti non polari organici, facilitando il processo di conversione. Il bio-olio ottenuto dall’HTL presenta un contenuto maggiore rispetto agli standard di eteroatomi (ossigeno e azoto), quindi deve esserne migliorata la qualità sia tramite l’utilizzo di catalizzatori eterogenei ad alta selettività sia attraverso un successivo processo di idrotrattamento effettuato ad alte temperature e sotto pressioni di H2. È importante che il biocarburante prodotto abbia una composizione e delle proprietà che siano compatibili con gli standard attuali dei carburanti per aviazione (come quelli dettati dall’ASTM, American Society for Testing and Materials).