Tecnologia dei Fotobioreattori

„Tecnologia“ dei Fotobioreattori
Autor & Editor: Silvano Enzo

Fotobioreattori sono una tecnologia recente, in pieno sviluppo ed evoluzione, non esiste un fotobioreattore tipo… esistono migliaia di modelli, sistemi concetti e soluzioni, proviamo ora a fare una classificazione generale.

Design:

Raceway: i raceway sono vasche o piscine in cui agiscono dei mulini che rimescolano l’acqua nella quale sono sparsi i  microorganismi, disciolte le sostanze nutritive e i gas per la respirazione. “Mescolare” favorisce l’accelerazione del metabolismo dei microorganismi. Il Raceway è il modello più economico.

Batch: il Batch o discontinuo è una cisterna, spesso usata in laboratorio, permette di coltivare grandi quantità alghe ed è spesso supportato da luce artificiale. È il modello più semplice di fotobioreattore. Come batch vengono usati i recipienti più disparati, sacchetti di plastica, bottiglie, silos e tubi.

Antenne: io le chiamo così, sono fabbricate per “ricevere” la luce con il massimo di efficienza e quindi ritengo sia il nome che le definiscono meglio. Per lo più sono tubi, eccellenti per coltivazioni monoalgali (axeniche) in continuo, possono produrre ininterrotamente, e sono molto costosi.

Elementi tecnologici:

Vasche: il primo fattore di scelta dipende dal tipo di microorganismo/i che si vogliono coltivare e la quantità. A questo punto decidiamo la qualità, ora però elencare tutte le possibilitá mi verrebbe complicato, facciamo 3 esempi semplici differenti:

Esempio 1) Voglio un fotobioreattore da laboratorio per sviluppare diversi tipi di alghe da usare per fare gli start in coltivazioni sperimentali. Quindi scieglierò un fotobioreattore semicontinuo in “batch”, in pratica delle “bottiglie” facili da riempire, svuotare e pulire.

Esempio 2) Voglio produrre la più grande massa possibile con i costi più bassi. Quindi scieglierò un impianto a raceway outdoor con mulini agitatori.

Esempio 3) Voglio sperimentare nuovi tipi di coltura. Quindi sceglierò un sistema di coltivazione continuo, indoor (nelle serre) con il controllo migliore dei fattori di temperatura, luce, alimentazione.

Filtri di raccolta: il sistema classico è la flocculazione, si “rompono” le alghe mettendole in agitazione violenta, magari con un “mixer” o un frullatore. Molto costoso a livello energetico… poi vanno anche raccolte le alghe che precipitano sul fondo. Esiste anche la "co-flocculazione", la “bioflocculazione” e la coagulagione, che però si usa per chiarificare le acque sporche, è un sistema chimico inorganico nel quale sostanze deionizzanti (di solito a base di calcio, ferro, magnesio, alluminio sodio etc...) abbattono le cariche elettriche delle sospensioni nell'acqua e si usa in parallelo o come pretrattamento nella flocculazione. Esistono anche altri tipi di “filtri” tipo reti“planktoniche” con buchi così piccoli che fanno passare solo l’acqua, vanno svuotati spesso, un procedimento molto ripetitivo che stressa i materiali. I sistemi che trovo più interessanti sono i “cavitatori” ossia delle pompe che fanno cavitare l’acqua, le micro o nanobollicine di vuoto prodotte vanno ad incollarsi alle superfici dei microorganismi, ma anche di altre impurità, per effetto elettrostatico generato dalla tensione superficiale dell’acqua e tendono a portare tutto in superfice. Esiste un brevetto inglese del Dr Will Zimmerman che dichiara di aver ridotto il consumo energetico di questi cavitatori facendoli diventare interessanti per questa applicazione.

Agitatori: come detto sopra un fotobioreattore accelera il metabolismo dei microorganismi mettendoli in agitazione, impedisce la stratificazione termica, aiuta la distribuzione dei nutrienti, favorisce lo scambio dei gas. È neccessario sapere prima “quanta” agitazione serve, perchè si rischia di distruggere le alghe… possiamo usare dei mulini, getti d’aria o gas, magari CO² . Nei laboratori troviamo spesso gli agitatori con il mangetino; un contenitore con le alghe viene appoggiato su di una scatola contenente un rotore magnetizzato, quindi basta inserire un pezzo metallico all’interno del contenitore con le alghe per metterlo in movimento.

Luci: Ovviamente noi useremo la luce solare, ma… se ci servisse possiamo usare anche delle lampadine normali, così se serve possiamo “riscaldare” la coltivazione, comuque le alghe prediligono frequenze ben precise di luce come le piante. Teniamo conto che con l’aumentare della concentrazione delle alghe va aumentata anche la luce, anche in rapporto all’ampiezza del fotobioreattore. Non è vantaggioso tenere le alghe sempre esposte alla luce, potrebbero perdere di sensibilità, è meglio avere un’ esposizione ciclica. Ci sono studi su come efficientare l’energia luminosa con la tecnica dei “Flash” con emettitori “LED” fatti di gallio, alluminio e arsenico.

Lo spettrodi ricezione luminosa (cioè la luce che viene “effetivamente” convertita in energia dalle alghe) varia da alga ad alga, in generale potremmo dire che la troviamo nel blu (400-500 nm) e rosso (650-700nm) , meno nel verde (500-650 nm).