INTRODUZIONE ALLA COLTIVAZIONE
DELLE MICROALGHE
Fabio Barbato
ENEA
COLTURE MICROALGALI
Secondo una definizione entusiastica, le microalghe sono
delle fabbriche cellulari alimentate ad energia solare che
convertono CO2 e acqua in biocarburanti, cibo, mangimi e
sostanze bioattive pregiate.
Più propriamente, le microalghe sono microorganismi
acquatici che necessitano per crescere di sali nutritivi e di
microelementi, oltre che di luce e anidride carbonica. Questo,
unito alla grande velocità di crescita che possono
raggiungere, senza eguali fra le piante terrestri, le rende
candidati ideali sia per produzioni di biomasse da sfruttare in
vari modi, sia di biomolecole di interesse per vari settori
applicativi.
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
METODI DI COLTURA
Colture di laboratorio
Obiettivi: mantenimento in purezza delle colture
monospecifiche, produzione di inoculi per le colture
massive, sperimentazioni.
Colture massive
Obiettivo: ottenimento di quantitativi di biomassa
microalgale di qualità adeguata agli usi previsti in
tempi definiti.
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
Isochrysis galbana
3 – 6 micron
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Tetraselmis suecica
10 – 15 micron
Contenitori
Volumi relativi
Piastre
terreno solido (agar) - millilitri
Provette
10-50 ml
Beute
100 ml – 3l
Palloni
3l-10l
Sacchi
15l-400l
Fotobioreattori
100l-25.000l
Vasche
>100l fino a migliaia di m3
Raceways
>10m3
Bacini
fino all’ettaro e oltre
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Piastra Petri
Provette 50ml
Beute e palloni in vetro pirex
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SCHEMA DELLA MOLTIPLICAZIONE COLTURALE
12L
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
Colture discontinue
Consistono
nel
portare
alle
massime
concentrazioni possibili le microalghe che poi
vengono utilizzate interamente in un’unica volta,
eventualmente impiegando parte della coltura
come inoculo per le successive.
Colture semi-continue e continue
Consistono nel mantenere attive le colture per
lunghi periodi di tempo, prelevando a intervalli
parte del volume, che viene rimpiazzato con
nuovo mezzo di coltura. Nelle continue, ricambio e
prelievo sono continui.
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
CONDIZIONI DI CRESCITA
Questi i parametri che influenzano maggiormente le
colture microalgali:
- Temperatura
- Illuminazione
- Turbolenza
- Anidride carbonica
- pH
- Mezzo di coltura
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
TEMPERATURA
•Il range ottimale varia da specie a specie.
•Fra 18 e 20°C crescono bene in laboratorio la maggior
parte delle microalghe.
•Fattore maggiormente limitante per le colture all’aperto.
•L’influenza della temperatura si esplica anche a livello dei
processi biochimici, determinando variazioni nel contenuto
di componenti metabolici.
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
ILLUMINAZIONE
•Necessaria per condizioni di crescita autotrofe
(fotosintesi).
•Importanti condizionamenti da quantità e qualità di
luce.
•Effetto di saturazione e fotoinibizione.
•Effetto “flash”.
•Le lunghezze d’onda della luce possono
determinare differenti risposte metaboliche.
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
Effetto dell’intensità luminosa sulla crescita algale
Fonte: Miyamoto,1997
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TURBOLENZA
• Parametro necessario ad un buon sviluppo delle
colture.
• Rende il mezzo omogeneo, consentendo una
distribuzione uniforme dei gas e dei nutrienti.
• Evita o riduce la sedimentazione e la
stratificazione delle cellule.
• Migliora l’esposizione alla luce delle singole
cellule, esaltando l’effetto flash.
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
Effetto di diversi sistemi per turbolenza. Fonte: Torzillo, 2009
Ancoretta magnetica
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Agitatore multielica
ANIDRIDE CARBONICA
•Necessaria per la fotosintesi, organicazione.
•Mantiene l’equilibrio fra ioni bicarbonatocarbonato, alterato dalla fotosintesi.
•Possibilità di smaltire parzialmente le emissioni di
impianti industriali attraverso colture microalgali
•E' possibile la selezione di ceppi particolarmente
efficienti per l'assorbimento di CO2 (sink)
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
Effetto della CO2 sulla crescita microalgale
Fonte: Miyamoto,1997
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pH
• Crescita ottimale delle microalghe per valori
intorno o poco superiori alla neutralità.
• Equilibrio del sistema CO2 – HCO3- - CO32• In acqua di mare i carbonati sono poco solubili
per la presenza di ioni Ca2+ e Mg2+
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MEZZO DI COLTURA
• Sali nutritivi: nitrati e fosfati, i primi in concentrazioni (p/v) di
circa 10 volte superiori ai secondi
• Oligoelementi: sostanze necessarie in piccolissime quantità
(Fe, Cu, Zn, Co, Mn, ecc.)
• Vitamine:generalmente B1 (tiamina) e B12 (cianocobalamina)
• Chelante: generalmente EDTA disodico
• Silicati: per le diatomee
• Tramite deprivazione di particolari elementi si può favorire la
produzione di metaboliti desiderati.
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MICROALGHE PER BIOMASSA
Coltivazioni in grandi volumi per ottenere biomasse
destinate al consumo umano diretto (es. Spirulina,
Chlorella, integratori alimentari).
• Cibo per organismi allevati in acquacoltura (es.
vongole, ostriche, gamberi, rotiferi, artemie).
• Produzione di biodiesel e biogas
• Fissazione di CO2
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MICROALGHE PER BIOMOLECOLE
•Oltre che tal quali, le microalghe possono venire
utilizzate per l’estrazione di biomolecole di
interesse commerciale contenute all’interno delle
loro cellule.
• Fra queste sono importanti carotenoidi, quali
astaxantina e beta carotene, vitamina B12, acido
gamma linolenico GLA, acidi grassi polinsaturi,
ficocianine, molecole interessanti per vari settori
applicativi (nutraceutici, mangimi, cosmetici,
coloranti, farmaci ecc.).
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
Stato delle colture di microalghe nel mondo. Fonte:
Tredici, 2007; dati del 2006
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
Schema a flusso di un impianto per la coltura di spirulina
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Schema a flussi per colture microalgali
Fonte: Benemann, 2003
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UTILIZZAZIONE E COSTRIZIONI
• La realizzazione di nutraceutici e di biomolecole pregiate
per uso umano determina l'impiego di tecnologie di
coltura avanzate, con accurati controlli di qualità.
Tecniche un po' meno spinte possono essere adottate in
caso di uso per animali.
• Nell' altro utilizzo che appare promettente, considerando
l'inevitabile futuro innalzamento dei prezzi del petrolio,
ovvero l'ottenimento di biocombustibili a partire da
biomasse microalgali, le tecnologie devono essere
semplici e poco costose, pur nel rispetto di requisiti di
ecocompatibilità, date anche le estensioni in gioco.
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UTILIZZAZIONE E COSTRIZIONI
• L'abbattimento dei gas serra ottenuto tramite
l'organicazione della CO2 realizzata da qualsiasi coltura
microalgale è un corollario dotato di un valore economico
aggiuntivo. Occorre considerare di volta in volta
l'opportunità di insufflare CO2 o di basarsi solo
sull'apporto atmosferico.
• Per raggiungere questi obiettivi di utilizzazione e renderli
economicamente
validi,
occorre
considerare
attentamente una serie di fattori che ancora pongono
problemi per uno sviluppo su grande scala e trovare
soluzioni opportune in un’ottica rispettosa dei principi
dello sviluppo sostenibile.
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
• Tra i punti ancora da affrontare con uno sforzo di ricerca
integrato e consistente al fine di ottenere produzioni
economicamente interessanti e prolungate nel tempo vi
sono:
• Adeguamento alla localizzazione geografica e alle
condizioni climatiche relative
• Scelta e ottimizzazione di specie e ceppi
• Tecnologie di coltivazione per dimensioni produttive
elevate (massimizzazione dell'efficienza energetica,
contenimento delle contaminazioni)
• Mezzi di coltura
• Processi di separazione biomassa/mezzo di coltura
• Metodi di estrazione/trasformazione del prodotto finale
Introduzione alla coltivazione delle microalghe
• La possibilità di impiego di energie rinnovabili
durante i processi produttivi e di trattamento
finale, nonché delle conoscenze derivate dalle
teorie dei sistemi di gestione ambientale e della
qualità di processo e di prodotto rendono
l’argomento delle colture microalgali un classico
esempio di tema multidisciplinare che richiede,
per ottenere soluzioni ai notevoli problemi
ancora aperti, un approccio sinergico tra varie
competenze tecniche.
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GRAZIE PER L'ATTENZIONE
Introduzione alla coltivazione delle microalghe