Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. Newsletter 4 Progetto Biocolor: La produzione delle colture unicellulari fotosintetiche Nell’ambito del progetto BIOCOLOR, finanziato dal PSR Sicilia 2007/2013 - Misura 214 “Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale” sono state sviluppate azioni che avevano per oggetto la produzione di microalghe. In particolare, l’azione WP2: “Progettazione, realizzazione e collaudo di un impianto a scala pilota precompetitiva per la produzione di colture unicellulari fotosintetiche ricche in coloranti” ha permesso tra le altre finalità anche di ricostruire il quadro scientifico e tecnologico della coltivazione di questi organismi. Un mondo affascinante quello di questi microorganismi e che merita di essere descritto. Il mondo delle microalghe Le microalghe, anche note come fitoplancton, sono organismi microscopici unicellulari che vivono singolarmente o in colonie (catene o altri tipi di aggregati), in acque dolci e salate. A seconda della specie, le loro dimensioni individuali possono variare da pochi micrometri a qualche centinaia (millesimi di Fitoplancton: da fito=pianta e plancton (dal greco πλαγκτόν, ossia vagabondo, errante) è la categoria ecologica che comprende il complesso di organismi acquatici galleggianti che, non essendo in grado di dirigere attivamente il loro movimento, vengono trasportati passivamente dalle correnti e dal moto ondoso. millimetro, 10-6 m). La loro attività fotosintetica è fondamentale per la vita sulla Terra, in quanto si stima che producano il 30-50% dell’ossigeno atmosferico, assorbendo contemporaneamente anidride carbonica, il maggiore gas ad effetto serra, per poter crescere e sintetizzare nuova sostanza organica (biomassa). La biodiversità delle microalghe è enorme e rappresenta una risorsa poco studiata e sfruttata; Microalghe al microscopio solamente 35.000 specie sono state descritte rispetto a quelle esistenti, stimate essere fra 200.000 e 800.000, secondo i dati della Wageningen University. Questi microrganismi producono comunemente numerosissimi composti bioattivi come Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. polisaccaridi, amido, proteine, acidi grassi, carotenoidi, antiossidanti, enzimi, polimeri, peptidi, tossine e steroli; costituiscono potenzialmente una rilevante fonte di geni per percorsi di biosintesi particolari, a volte unici. Semplificando si può dire che le microalghe più utili appartengono a 5 o 6 classi principali, Le specie maggiormente diffuse distinguibili per la loro morfologia, la loro pigmentazione, il loro ciclo biologico e la loro struttura cellulare. Le microalghe fungono da fonte energetica primaria per buona parte degli ecosistemi marini, in quanto costituiscono il nutrimento di numerosi animali, dal microscopico zooplancton ai molluschi e crostacei filtratori. Tali organismi rappresentano il successivo anello della catena alimentare e sono poi a loro volta predati. Al fitoplancton è stata attribuita addirittura la metà di tutta l’attività fotosintetica della Terra e, di conseguenza, la produzione di buona parte della nuova biomassa (sostanza organica), con conversione dell’energia della radiazione solare in energia chimica che sta alla base delle reti trofiche. Da rimarcare la velocità di crescita di determinate specie microalgali, che le pongono ai vertici La catena alimentare delle specie marine della fotosintetici. produttività tra gli organismi Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. La vita delle microalghe e la fotosintesi La struttura delle microalghe è sostanzialmente funzionale alla fotosintesi, priva di ulteriori apparati oltre la cellula, il che consente loro di adattarsi facilmente a diversi ecosistemi, sperimentando un ampio range di salinità, temperatura e pH. Le cellule procariote (cyanobacteria) sono prive degli organi cellulari come il nucleo, mentre le eucariote ne sono dotate. In natura microalghe e cianobatteri sono i produttori primari nelle acque, una componente importante del “biofilm”, entrano in molte simbiosi, colonizzano rocce, suoli desertici, ghiacci polari ed alpini, e sono presenti nel suolo agrario e forestale. Gli ambienti di elezione delle microalghe sono i corpi d’acqua, sia dolce che di mare, salmastra o ipersalina dove costituiscono il fitoplancton e parte del fitobentos; sono cioè il primo anello della catena alimentare. Le microalghe, compresi i cianobatteri che con le microalghe condividono il metabolismo bioenergetico (la fotosintesi ossigenica), ma ne differiscono per la struttura cellulare (eucariotica nelle prime, procariotica nei secondi), sono direttamente responsabili di poco meno del 50% della fotosintesi sulla terra. Tuttavia, se si considera che, secondo la teoria dell’endosimbiosi, i cianobatteri sotto forma di cloroplasti sono presenti nelle microalghe, così come nelle macroalghe e nei vegetali inferiori e superiori, in realtà tutta la fotosintesi ossigenica sulla terra è opera di questi antichi microrganismi procariotici. La fotosintesi dei cianobatteri ha luogo nella loro membrana tilacoidea, in modo analogo a quello che avviene nei cloroplasti delle alghe, dei muschi, delle felci e delle piante con semi. Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. La clorofilla a è presente nella maggior parte degli organismi fotosintetici e svolge un ruolo fondamentale nel processo fotosintetico. Essa partecipa direttamente alle reazioni in presenza di luce, consentendo la conversione dell’energia solare in energia chimica. Ma la clorofilla a non è il solo pigmento, nel cloroplasto, importante per la fotosintesi. Altri pigmenti possono assorbire luce e trasferire l’energia alla clorofilla a, in modo da far avviare successivamente le reazioni in presenza di luce. Questi pigmenti vengono definiti accessori. Tra questi il più importante risulta essere la clorofilla b. Si tratta di pigmenti molto simili tra loro, le cui differenze sono legate sostanzialmente al colore: la prima ha una colorazione blu-verde; la seconda giallo-verde. Gli spettri di assorbimento della luce nelle due clorofille differiscono: nella clorofilla a l’assorbimento nella zona del rosso è compreso fra 680 e 640 nm, con un massimo di a 662 nm; nella clorofilla b è spostato fra 655 e Il nanomètro, simbolo nm, è un'unità di misura di lunghezza, corrispondente a -9 10 metri (cioè un miliardesimo di metro, pari ad un milionesimo di millimetro). 630 nm, con un massimo a 642 nm. L’assorbimento, nella zona dell’azzurro, inizia a 480 nm nella clorofilla b e per la clorofilla a a 445 nm. Altre clorofilla sono la clorofilla c, che è presente nelle alghe brune, nelle dinoflagellate e nelle diatomee, e la clorofilla d, presente quasi esclusivamente nelle alghe rosse. Il cloroplasto contiene inoltre altri pigmenti accessori che supportano, all’interno della cellula, il processo di fotosintesi. Tra questi ricordiamo il gruppo dei pigmenti chiamati carotenoidi che, a differenza della clorofilla, hanno colorazioni che vanno dal giallo all’arancio. I carotenoidi, localizzati anch’essi sulla membrana dei tilacoidi, sono coinvolti in una funzione di fotoprotezione delle clorofille. Sono composti notevolmente più stabili delle clorofille, le quali hanno un tempo di degradazione assai rapido. Hanno la funzione di estendere l’assorbimento della luce a regioni dello Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. spettro non coperte in modo adeguato dalle clorofille (da 440 a 470 nm, blu-violetto), per trasmettere poi l’energia alla clorofilla a. I carotenoidi sono divisi in due classi: i caroteni e le xantofille. Le xantofille sono presenti soprattutto nelle alghe verdi e nelle alghe brune. La principale xantofilla delle diatomee, in particolare, e delle alghe brune, in generale, è chiamata fucoxantina e caratterizza gli organismi con il classico colore tendente al marrone. Un ultimo gruppo di pigmenti, oltre alle clorofille e ai carotenoidi, sono le ficobiline che si ritrovano esclusivamente nelle alghe rosse e nei cianobatteri. In particolare, la ficoeritrina colora di rosso le alghe rosse, mentre la ficocianina fa apparire blu-verdi i cianobatteri. Le ficobiline sono i pigmenti accessori che consentono l’assorbimento della luce alle lunghezze d’onda blu e verdi nelle acque profonde. Gli impieghi delle microalghe nell’alimentazione umana La pasta microalgale secca, in polvere o in compresse, di alcune specie (es. Chlorella) contiene elevate quantità di carboidrati semplici e complessi, oltre a numerosi altri composti. Tipici delle microalghe sono i beta glucani, in grado di potenziare la risposta del nostro sistma immunitario. In altre specie (es. Arthrospira) è preponderante il contenuto in proteine, che le rende un integratore indicato in stati di debilitazione organica o per gli sportivi. Dentifrici, lozioni, unguenti e alginati assimilabili in creme attraverso la pelle sono alcuni dei prodotti con sostanze di derivazione microalgale più comunemente commercializzati dalle industrie farmaceutiche, principalmente in Giappone. Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. In campo medico vengono sfruttate le loro proprietà antibatteriche, antivirali e antitumorali. Le microalghe contengono quantità interessanti di vitamine, tra cui la A, quelle del gruppo B inclusa la B12, la C, la D, la E, la K che ne aumentano il valore nutrizionale. La quantità prodotta dipende strettamente dalle condizioni di crescita e da tutti i processi che vanno dalla raccolta al confezionamento della biomassa. Nella tabella qui sopra si evidenzia l’elevato contenuto in proteine, carboidrati e lipidi di alcune specie di microalghe rispetto a quello di alcuni alimenti più comuni. Fra i numerosi acidi grassi riscontrabili nelle microalghe i più importanti sono l’acido docosaesanoico (DHA, 22:6n-3), l’acido arachidonico (ARA 20:4n-6), l’acido eicosapentaenoico (EPA 20:5n-3), l’acido gamma-linoleico e l’acido alfa-linolenico, noti come PUFA, polyunsaturated fatty acids, gli acidi grassi poliinsaturi Omega-3 e Omega-6. Notevoli sono anche le proprietà antiossidanti. Sono presenti svariate molecole attive in questo senso, tra cui i carotenoidi astaxantina e beta carotene. Inoltre sono presenti oligominerali nella loro forma organica maggiormente assimilabile. Tali composti possono o essere estratti dalla biomassa algale prima di altre utilizzazioni (uso indiretto), o assorbiti consumando la pasta microalgale tal quale, umida o secca (uso diretto). Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. La Spirulina Il genere Arthrospira appartiene al gruppo sistematico dei Cianobatteri, antichissimi organismi procarioti apparsi sulla Terra 3 miliardi di anni fa. I Cianobatteri, pur essendo organismi primitivi, possiedono caratteristiche tipiche di quelli più evoluti, un sistema fotosintetico costituito dalla clorofilla-a e dal fotosistema II (PS-II), la presenza nella parete cellulare del glicogeno. Tutto ciò rende difficile la loro classificazione botanica; infatti, alcuni autori li inseriscono tra le alghe (Cianophicaee o alghe azzurre), altri tra i batteri fotosintetici ossigenici (Cianobatteri) (Istituto Superiore di Sanità, 1999). Molte specie sono in grado di fissare (ridurre) l’azoto atmosferico disponendo di strutture specializzate dette eterocisti; si distinguono, inoltre, sia specie tossiche (Microcistis spp.) sia commestibili (Nostoc, Arthrospira, Aphanizomenon) la maggior parte delle quali sono adattate ad habitat estremi, che includono le profondità degli oceani, le sorgenti calde ed i ghiacci antartici. Esiste una certa confusione tra i termini Spirulina e Arthrospira dovuta a un’erronea classificazione botanica delle specie commestibili avvenuta negli anni ‘50. Infatti, tutte le specie utilizzate per trarre alimenti, commercializzate con il nome di Spiruline, in realtà appartengono al genere Arthrospira (Arthrospira maxima e Arthrospira platensis). Fanno parte, invece, del genere Spirulina (es. Spirulina subsalsa, Spirulina major, etc.) un gruppo di Cianobatteri non commestibile, per il quale non è stato ancora studiato l’impiego alimentare. Quando si parla di Spiruline, quindi, si tratta delle microalghe del genere Arthrospira, che si presentano all’analisi microscopica come piccoli filamenti avvolti su se stessi, di Il micromètro (simbolo: µm) è un'unità di misura della lunghezza corrispondente a un milionesimo di metro (cioè millesimo di millimetro). -6 Ovvero: 1 µm = 1 × 10 m. lunghezza e larghezza variabile (rispettivamente tra 100-200 µm e 8-10 µm). Disponendo di vescicole gassose, queste microalghe vivono sulla superficie dei corpi Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. idrici dove spesso, in presenza di un eccesso di sostanze nutritive, possono provocare la così detta “fioritura dall’acqua” o flos aquae. Le Arthrospire per poter crescere hanno bisogno di acque ricche di sali minerali, calde (a temperature tra 35-37°C) e alcaline (con un pH tra 8,5 e 10,5). La coltivazione tradizionale della Spirulina Sembra che le Arthrospire fossero utilizzate come alimento già dagli Aztechi. Le testimonianze dei conquistatori spagnoli e dei missionari che raggiunsero per primi il “nuovo continente”, raccontano che la città di Tenochtitlán sorgeva al centro di un lago (chiamato Tezcoco) dove le alghe negli strati superficiali producevano una sostanza melmosa che veniva periodicamente raccolta, essiccata al sole, ridotta in piccoli pezzi, trasformata in una specie di focaccia dal sapore e dal profumo di formaggio e venduta nei mercati di nella lingua locale tecuitlatl, che significa escrementi delle pietre. Dopo la scomparsa del lago Tezcoco, non è stato possibile sapere di cosa fosse fatto il tecuitlat; alcuni ricercatori ritengono che questo alimento fosse proprio a base di Spiruline. Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. L’Arthrospira platensis rappresenta una fonte alimentare per una popolazione africana che vive nella regione lagunare del Kamen in Ciad e questo uso è stato per la prima volta documentato a metà degli anni ’60 da una spedizione belga trans-shariana. Queste microalge seccate al sole formano pani di forma rotondeggiante che sono tagliati e conservati per molto tempo grazie al clima particolarmente secco della regione. Questo prodotto, che in lingua locale è chiamato “dihè”, viene direttamente consumato dalla popolazione del posto e commercializzato in tutto il Sahel. La coltivazione industriale della Spirulina La coltivazione delle microalghe su base industriale necessita di adeguati sistemi colturali che possiamo suddividere in sistemi colturali da laboratorio e in sistemi colturali massivi. I primi hanno lo scopo di preservare in purezza i differenti ceppi di microalghe per produrre opportuni volumi di inoculo per le colture massive, mentre i secondi hanno l’obiettivo di produrre microalghe quantitativamente e qualitativamente adeguate alle esigenze produttive. I sistemi colturali in laboratorio Oltre al mantenimento e alla caratterizzazione delle specie algali, le colture in laboratorio consentono la ricerca di base sulle specie microalgali al fine di definirne le proprietà funzionali. Colture monospecifiche vengono iniziate in provette di volumetria ridotta, variabile tra 10 e 50 mL, Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. in condizioni ambientali controllate, in mezzi liquidi oppure in mezzi solidi (generalmente agar su piastre Petri). Nella prima fase lo scopo principale è il mantenimento della qualità dei ceppi che serviranno per inoculi in volumi più grandi. Non si richiede una crescita rapida per cui, anche se in mezzi liquidi, non è necessario insufflare aria e CO2. Le popolazioni microalgali vengono mantenute in ambienti asettici (per evitare contaminazioni), a temperature costanti (tipicamente 1820°C) e illuminazione permanente con luce fluorescente fredda a bassa intensità (fino a 1000 lux). I ceppi vengono replicati mensilmente per evitare che le colture superino la fase lineare di crescita e quindi decadano. Le repliche sono effettuate inoculando circa 1/5 - 1/10 delle colture precedenti in nuove provette preventivamente riempite con acqua alla salinità voluta e nutrienti, previa sterilizzazione chimica o in autoclave a temperatura di 120°C. Per i ceppi su mezzi solidi, la replica avviene prelevando una piccola quantità della coltura precedente e spandendola sulla capsula Petri contenente il mezzo di crescita. Le operazioni si effettuano sotto cappa a flusso laminare per evitare inquinamenti. Periodici conteggi tramite camere di conta al microscopio (emocitometro di Neubauer) o tramite letture da spettrofotometri tarati con letture di densità cellulare al microscopio ottico, forniscono indicazioni sulla concentrazione delle colture algali. I sistemi colturali massivi Le tecniche variano a seconda dell’uso finale della biomassa. Variano sostanzialmente i volumi di allevamento e le modalità di coltura (sistemi al chiuso o all’aperto). Le colture si avviano in piccoli contenitori da pochi litri per arrivare ai volumi di utilizzo (da 20-30 L a veri e propri bacini di crescita) tramite passaggi in volumi crescenti. I passaggi ripetuti permettono la riduzione dei tempi di crescita (le colture vengono a trovarsi sempre nella fase di massima velocità di crescita), un controllo più accurato e uno sviluppo più facilmente programmabile. Una volta raggiunti i volumi di utilizzo, le colture possono essere gestite secondo diverse modalità: semi-continua, continua o discontinua. La modalità semi-continua consiste nel mantenere attiva la coltura per lunghi periodi di tempo, prelevandone ad intervalli il 20-30% e riportando a volume con mezzo acqueo arricchito. I prelievi cominciano quando la concentrazione algale è dell’ordine di milioni di cellule/mL con ampie variazioni a seconda delle dimensioni della microalga. Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. Nella modalità continua il prelievo ed il ricambio sono continui. Tale tecnica di gestione, come quella sopra descritta, espongono le colture a maggiori rischi di inquinamenti. La modalità discontinua consiste nel portare la coltura alla massima concentrazione possibile (che varia con la specie allevata), e nell’utilizzo completo in una sola volta della biomassa ottenuta. Rispetto alla precedente, questa tecnica è più semplice, garantisce una maggiore purezza della popolazione fitoplanctonica ma richiede una rigorosa programmazione delle colture. Più in generale, le tecniche di coltivazione massive di microalghe sono sostanzialmente due: in ambiente aperto, in cosiddetti open ponds, e in ambiente chiuso all’interno di fotobioreattori. Spesso le due tecnologie sono abbinate ed i fotobioreattori chiusi sono impiegate per avere in tempi rapidi soluzioni ad alte concentrazioni di biomassa da utilizzare come inoculo per colture in bacini aperti. Recentemente si sta cercando il modo di rendere economicamente vantaggiosi i fotobioreattori per poter avviare su grandi spazi sistemi costituiti da moduli di molti reattori, ottenendo così una produzione intensiva di grande efficienza. Gli “Open ponds” I bacini aperti (open ponds) possono essere considerati dei grandi reattori plug flow a cielo aperto. Tali vasche possono essere di diversa foggia. La più semplice è una vasca in cui le microalghe crescono essenzialmente come fanno in natura, sospese nella colonna d’acqua e rimescolate solo dal vento. Benché molto usate nel trattamento delle acque reflue e anche in alcuni sistemi di produzione commerciale di microalghe, tali tipi di vasche presentano una produttività molto bassa. Ciò è dovuto, almeno in parte, alla carenza di CO2 che è assorbita solo attraverso la superficie aperta dell’impianto. Per ottenere un’omogenea distribuzione della CO2 è necessaria la presenza di un meccanismo di agitazione della vasca. Uno dei primi sistemi all’aperto con agitazione per la coltura intensiva di alghe è stata una vasca a struttura circolare, sviluppata in Giappone negli anni cinquanta per coltivare in maniera intensiva la microalga verde Chlorella (Tamiya, 1957) e usata dagli anni sessanta per la sua produzione commerciale. Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. Tale tipologia impiantistica tuttavia, presentava diversi svantaggi associati alla sua limitata dimensione e al costo elevato nella costruzione e gestione del sistema di agitazione. Agli inizi degli anni cinquanta vennero studiate per la prima volta in California le vasche aperte note con il nome di raceway (chiamata anche vasca ad alta velocità) per il trattamento di acque reflue. Si tratta di canali di forma oblunga, siano essi delle singole unità o più unità in serie (“meander” o ad andamento serpeggiante), dove il brodo di coltivazione è riflussato e miscelato mediante una pala rotante in prossimità della quale è di continuo alimentata la specie di coltivazione. La profondità deve essere ridotta per permettere un’efficace penetrazione della radiazione solare nella coltura e massime superfici per unità di volume. La sezione agitata da pale meccaniche (paddle wheel) ha la funzione di permettere lo scambio di materia con l’atmosfera. Infatti, per un corretto sviluppo delle microalghe, è necessario rimuovere l’ossigeno che esse sviluppano nella reazione di fotosintesi e che ha un’azione inibente dei loro processi biologici. Inoltre sfruttando l’evaporazione spontanea di parte del mezzo liquido si ottiene il raffreddamento della coltura. Naturalmente questo fenomeno deve essere monitorato perché potrebbe non essere del tutto efficace come controllo termico e perché comporta lo svantaggio di perdite di acqua, peraltro possibili anche a causa di cedimenti del rivestimento plastico del fondo del bacino. Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. Oggi gran parte della produzione mondiale avviene in vasche all’aperto in zone tropicali e sub- tropicali, dove è possibile abbattere i costi utilizzando al meglio la luce solare come sorgente di energia lungo tutto il corso dell’anno. In molte regioni non tropicali gli impianti di colture algali all’aperto hanno spesso lo svantaggio di trovarsi in condizioni climatiche sfavorevoli, tali da non permettere cicli di produzione lungo tutto il corso dell’anno; in tali casi si è obbligati a massimizzare produzione e raccolta dell’alga nei periodi più caldi. I maggiori svantaggi delle colture algali in bacini aperti sono rappresentati da evaporazione dell’acqua soprattutto in caso di elevate temperature, perdite di CO2, rischi di inquinamento da altre specie algali indesiderate (che in presenza di condizioni favorevoli possono sostituire la coltura iniziale) o da animali quali insetti o fitoplanctofagi acquatici (rotiferi, copepodi, ecc.) e protozoi il cui sviluppo risulta quasi sempre incontenibile. I sistemi aperti tuttavia possono raggiungere Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. dimensioni maggiori con costi associati molto più ridotti di quelli relativi a tecniche in ambienti chiusi. Generalmente gli open ponds sono molto diffusi per applicazioni dell’industria nutraceutica e cosmetica;; infatti, l’alto valore aggiunto del prodotto ottenuto riesce a giustificare impianti di notevole estensione. In effetti, il principale svantaggio di questo tipo di strutture è di occupare vaste aree, spesso situate in zone altrimenti destinabili all’agricoltura. I fotobioreattori I fotobioreattori sono dei contenitori a tenuta per il mezzo liquido di coltura equipaggiati in modo da evitare qualsiasi contatto della coltura con l’atmosfera o con altri tipi di contaminanti (polvere, precipitazioni, altri microrganismi, insetti e animali) e garantire il giusto apporto di nutrienti, di anidride carbonica e di energia. La funzione principale di un fotobioreattore è quella di garantire un processo controllato nel quale sia possibile produrre alte concentrazioni di biomassa di un’unica specie ed evitare ogni meccanismo di competizione fra diverse specie che porterebbe inevitabilmente a cali della produttività. Tale tecnica di coltivazione microalgale è stata per lungo tempo associata ad alti costi di gestione, soprattutto quando il funzionamento di tali sistemi era ancora totalmente dipendente da illuminazione e termostatazione artificiali. Recentemente è stata avviata la produzione su larga scala di una vasta gamma di specie algali quali Spirulina, Chlorella ed Haematococcus in sistemi chiusi, posti all’aperto o in serra, con cui è possibile ottenere biomassa algale di maggior purezza in alta concentrazione, limitando nel contempo i costi grazie all’illuminazione e, ove possibile, al riscaldamento naturale. Le tipologie esistenti per la produzione di alghe tramite fotobioreattori sono riconducibili ai seguenti sistemi sia da esterno che da interno: 1) Sistemi a lamina piana, o lat panels; 2) Sistemi a colonna con sistema a gorgogliamento d’aria, o bubble columns; 3) Sistemi cilindrici orizzontali, o tubular reactors. Qui di seguito offriamo alcuni esempi di impianti di fotobioreattori: Progetto: “Produzione ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche” – BIOCOLOR – CUP: G66D11000470009 - Progetto finanziato con fondi del PSR Sicilia 2007-2013 – Misura 124: Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. sopra: bioreattore a pannello a lamina piana a destra: colture algali in sacche di materiale plastico a sinistra: fotobioreattori a pannello alveolare in membrana plastica sopra: a pannello a lamina piana a sinistra: i fotobioreattori cilindrici dell’impianto sperimentale di Biocolor sopra: impianto industriale a pannello
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