IT202000017794A1 - Sistema di coltura per microrganismi fotosintetici con luce artificiale - Google Patents

Description

DOMANDA DI BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO:

SISTEMA DI COLTURA PER MICRORGANISMI FOTOSINTETICI CON LUCE ARTIFICIALE

CAMPO DELL?INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce al campo degli apparecchi per la coltura di microrganismi fotosintetici (batteri fotosintetici anossigenici, cianobatteri, microalghe) e cellule vegetali, in particolare si riferisce ad un apparecchio con illuminazione artificiale.

STATO DELL?ARTE

Lo sfruttamento industriale delle microalghe (inclusi i cianobatteri) ? limitato dall?elevato costo di ottenimento della biomassa. Questo risulta particolarmente vero per quei beni di largo consumo che necessariamente devono essere prodotti ad un basso costo (ad esempio, ingredienti per uso alimentare e mangimistico). L?elevato costo di produzione delle microalghe deriva da diversi fattori, fra i quali fattori ve ne sono di intrinseci come la minore velocit? di crescita delle microalghe rispetto a batteri e lieviti, ed estrinseci come la difficolt? di realizzare sistemi di coltura in grado di garantire un?elevata efficienza di conversione della radiazione luminosa in biomassa. La coltura di questi microrganismi fotosintetici ? complessa per via della necessit? di fornire un?adeguata intensit? di luce alle cellule e garantire i processi metabolici che richiedono energia (biosintesi).

Fino ad oggi la coltura industriale delle microalghe ? stata condotta prevalentemente all?aperto, sfruttando la luce solare disponibile a costo zero. Tuttavia la produzione all?aperto presenta non poche limitazioni, tra cui:

i) sottopone le microalghe a un forte stress per l?elevata radiazione solare nella parte centrale del giorno che porta a fotoinibizione delle cellule alla superficie della coltura mentre quelle negli strati sub-superficiali risultano fotolimitate;

ii) sottopone le colture a forte stress di temperatura con escursioni giornaliere anche di 20 ?C e oltre;

iii) il processo produttivo risulta condizionato dalle variazioni stagionali e meteorologiche.

La coltura in ambiente chiuso e riparato con luce artificiale consente di superare molte di queste limitazioni, permettendo di scegliere la radiazione fornita (quantit? e qualit?) e di mantenerla costante nell?arco delle 24 ore, oltre che di mantenere la temperatura al valore prescelto con maggiore facilit?. Con la luce artificiale la produzione risulta indipendente dalla stagionalit? e dalle condizioni climatiche. Se da un lato questo permette una produzione costante e una maggiore stabilit? qualitativa del prodotto, dall?altro l?uso di luce artificiale porta ad un notevole aumento del costo di produzione. Per cui questo tipo di coltura risulta economicamente vantaggiosa per l?ottenimento di prodotti ad alto e altissimo valore aggiunto (da usare in campo cosmetico, farmaceutico, diagnostico, medico, ecc.) e pu? essere utilizzato per prodotti di largo consumo solo se l?energia elettrica ? disponibile a costi molto bassi.

Le caratteristiche dei fotobioreattori per la coltura in ambiente chiuso sono simili a quelle dei fotobioreattori per la coltura all?aperto, eccezion fatta per la sorgente luminosa che deve venir opportunamente integrata nel sistema onde evitare la dispersione della radiazione luminosa, la cui fornitura rappresenta uno dei costi maggiori del processo produttivo. Le principali caratteristiche di un fotobioreattore per la coltura con luce artificiale devono essere quindi:

1) un sistema di illuminazione che garantisca elevate produttivit?, consenta di fornire alla coltura adeguati cicli luce/buio, permetta di ridurre al minimo la dispersione della radiazione e sia caratterizzato da ampie superfici trasparenti attraverso le quali si possa fornire la radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) necessaria allo svolgimento del processo fotosintetico del microrganismo che si intende coltivare: 400-700 nm per microalghe, cianobatteri e cellule vegetali, 400-1000 nm per batteri fototrofi anossigenici;

2) elevato rapporto superficie illuminata/volume di coltura (Si/V) per garantire elevate produttivit? volumetriche e elevate concentrazioni cellulari, necessarie per ridurre i costi di raccolta, di movimentazione dei fluidi di coltura (mezzi di coltura e coltura), nonch? per ridurre l?utilizzo di acqua e i rischi di perdita della coltura in seguito a contaminazioni da specie esogene;

3) un adeguato sistema di rimescolamento che permetta di rimuovere l?ossigeno in eccesso prodotto durante la fotosintesi ossigenica e la cui generazione ? proporzionale al rapporto Si/V, di garantire alle cellule adeguati cicli luce/buio, di impedire la formazione di gradienti di nutrienti, di pH e di temperatura, oltrech? prevenire la sedimentazione e la formazione di aggregati nella coltura;

4) un adeguato sistema di controllo della temperatura, in assenza del quale la temperatura della coltura, per via della frazione di energia che le lampade non convertono in energia luminosa ma in calore, o che le cellule non riescono a convertire in biomassa, pu? raggiungere valori incompatibili con la sopravvivenza o con la crescita della microalga o con la produzione di biomassa di buona qualit?; 5) un sistema che impedisca il fouling (adesione) delle cellule alle superfici trasparenti del reattore, per evitare la riduzione della radiazione disponibile per la crescita della coltura e la formazione di biofilm che va incontro a fenomeni di lisi cellulare e fermentazione;

6) un sistema in grado di fornire alla coltura la fonte di carbonio, generalmente sotto forma di anidride carbonica gassosa;

7) caratteristiche tali che rendano il sistema scalabile a dimensioni utili per applicazioni industriali.

Il design del reattore dovr? preferibilmente essere tale da permettere una pulizia agevole e l?uso di materiali che consentano la disinfezione o la sterilizzazione. Ad oggi esistono diverse tipologie di reattori appositamente disegnati per la coltura in ambiente chiuso, alcuni dei quali sono riportati in Tredici et al. (2010), Photobioreactors, in: Encyclopedia of Industrial Biotechnology: Bioprocess, Bioseparation, and Cell Technology, edited by M.C. Flickinger. Tuttavia il disegno di fotobioreattori per la produzione industriale in ambiente chiuso con luce artificiale ? ad oggi poco sviluppato, in particolare per le caratteristiche che rendono questi fotobioreattori peculiari rispetto a quelli per la coltura all?aperto.

Scopo della presente invenzione ? quello di fornire un fotobioreattore per la coltura con luce artificiale di microrganismi fotosintentici e cellule vegetali che risponda a tutte le caratteristiche sopra indicate.

DEFINIZIONI E ABBREVIAZIONI PAR ? radiazione fotosinteticamente attiva (400-700 nm per microalghe, cianobatteri e cellule vegetali, 400-1000 nm per i batteri fototrofi anossigenici) Si/V - rapporto superficie illuminata/volume di coltura

SOMMARIO DELL?INVENZIONE

Oggetto della presente invenzione ? un fotobioreattore per la coltura di microrganismi fotosintetici o cellule vegetali in ambiente chiuso con luce artificiale comprendente:

un serbatoio (50) atto a contenere le cellule dell?organismo da coltivare e un adeguato mezzo di coltura, detto contenitore avente preferibilmente la forma di parallelepipedo di lunghezza (L), profondit? (P) ed altezza (H);

una pluralit? di tubi (51) di materiale trasparente ad una radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) adatta all?organismo da coltivare, detti tubi collocati all?interno del serbatoio a diverse altezze, detta pluralit? di tubi (51) tale per cui il reattore presenti un rapporto superficie illuminata/volume di coltura (Si/V) maggiore di 5 m<-1>, e detti tubi preferibilmente di lunghezza tale da estendersi per tutta la profondit? (P) del serbatoio ed uscire dalle pareti laterali pi? lunghe;

un sistema di illuminazione artificiale comprendente una pluralit? di lampade (52) atte ad emettere la PAR, dette lampade alloggiate nei tubi (51);

un sistema di aerazione e rimescolamento (53) tale da garantire l?immissione della fonte di carbonio gassosa (CO2), la rimozione dell?ossigeno in eccesso e il rimescolamento della coltura tale da creare a zone intervallate fra loro un movimento (59 e 59?) del fluido di coltura dal basso verso l?alto e viceversa.

Il fotobioreattore della presente invenzione risponde pienamente alle caratteristiche che rendono vantaggiose le colture in luce artificiale rispetto a quelle all?aperto. Oggetto della presente invenzione ? quindi l?uso del fotobioreattore dell?invenzione per la coltura di microrganismi fotosintetici o cellule vegetali.

Oggetto della presente invenzione ? altres? un impianto di produzione di microrganismi fotosintetici o cellule vegetali comprendente due o pi? unit? idraulicamente collegate del fotobioreattore come sopra descritto.

L?impianto di cui sopra ? utile e conveniente per la produzione industriale di microrganismi fotosintetici o cellule vegetali.

Oggetto della presente invenzione ? anche un sistema anti-fouling per una superficie trasparente attraverso cui ? fornita una PAR ad una coltura fotosintetica, detto sistema anti-fouling costituito da uno o pi? elementi mobili che muovendosi a contatto o nelle immediate vicinanze di detta superficie trasparente rimuovono le cellule depositate e il biofilm adeso a detta superficie trasparente in contatto con la coltura, in cui la movimentazione di detti elementi mobili ? attuata dal movimento del fluido di coltura.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Figura 1 mostra un fotobioreattore della presente invenzione in una sua possibile forma di realizzazione

Figura 2 mostra una possibile forma di realizzazione di un sistema antifouling (74) secondo la presente invenzione costituito da un rotore (54), nella fattispecie una spazzola a turbina.

In Figura 3 ? illustrata una possibile forma di realizzazione della circolazione (59 e 59?) della coltura all?interno del reattore che avviene grazie all?aria insufflata tramite appositi diffusori (58) facenti parte del sistema di areazione e miscelazione (53). I rotori (54) ruotano grazie all?azione del bubbling a zone intervallate originato dai diffusori (58) che generano un movimento air-lift, ovvero un flusso verso l?alto (59) nella zona insufflata, e poi un flusso in discesa (59?) nella zona non insufflata. Tale circolazione crea movimenti ordinati nella coltura che favoriscono la fotosintesi rispetto ai vortici caotici che si formano con bubbling diffuso.

Figura 4 mostra una forma di realizzazione preferita di un sistema di pulizia (63) per la rimozione del biofilm e gli aggregati prodottisi nella coltura che inevitabilmente si depositano sul fondo (61) e sulle pareti (61c/d) del reattore, detto sistema di pulizia (63) comprendente una spazzola (64) che si muove sull?intera superficie del fondo, grazie all?azione di un magnete interno (65) ed un magnete esterno (65?) posti sul fondo o sulle pareti del reattore, e convoglia il biofilm e gli aggregati prodottisi nella coltura e depositatisi sul fondo o sulle pareti verso il margine del reattore in cui una struttura a semitubo (66) convoglia il biofilm e gli aggregati cellulari verso uno scarico (67) attraverso cui possono essere periodicamente rimossi dalla coltura senza necessit? di svuotare il reattore.

Figura 5 mostra una forma di realizzazione di lampade (52) con diodi LED (69) da inserire nei tubi (51).

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE

Ai fini della presente invenzione, per microrganismi fotosintetici si intendono batteri fotosintetici anossigenici, cianobatteri e microalghe.

Con riferimento alla fig. 1, il fotobioreattore della presente invenzione comprende un serbatoio (50) di materiale non necessariamente trasparente, preferibilmente in metallo, pi? preferibilmente in acciao inox o alluminio. Il serbatoio ? preferibilmente un parallelepipedo, con sviluppo prevalente in lunghezza (L), avente preferibilmente una lunghezza (L) di 0.5-5 m, una profondit? (P) di 0.5-3 m, e un?altezza (H) di 0.6-2 m. Il serbatoio presenta preferibilmente un volume (V) di 0.005-25 m<3>, preferibilmente 16-20 m<3>. In una forma di realizzazione particolarmente preferita il serbatoio presenta un volume di 18 m<3 >con lunghezza (L) 5 m, profondit? (P) 1.8 m e altezza (H) 2 m (1.9 m l?altezza del battente (H?) della coltura in esso contenuta). Le pareti laterali pi? lunghe (61a e 61b) presentano una pluralit? di fori (62) per l?inserimento della pluralit? di tubi trasparenti (51). I tubi sono preferibilmente collocati perpendicolarmente ai piani individuati dalle pareti laterali pi? lunghe (61a e 61b) del serbatoio; i tubi (51) possono essere collocati all?interno del serbatoio anche inclinatati e non estendersi per tutta la profondit? del serbatoio qualora sorretti da opportuni supporti posti all?interno del serbatoio. I tubi (51) hanno preferibilmente un diametro esterno di 1-20 cm, preferibilmente 10 cm, adeguato all?alloggiamento al loro interno di sorgenti di PAR, preferibilmente del tipo LED. I tubi all?interno del serbatoio sono una pluralit? tale da occupare in maniera ordinata e con adeguato distanziamento un volume significativo del serbatoio (preferibilmente 25-50%), cos? che il reattore abbia un rapporto Si/V maggiore di 5 m<-1>, preferibilmente maggiore di 10 m<-1>. Nel caso della forma di realizzazione rappresentata in figura 1 all?interno del serbatoio sono collocabili preferibilmente 320 tubi (51) di 10 cm di diametro; si raggiunge cos? una superficie illuminata di circa 180 m<2 >e tolto il volume occupato dai 320 tubi rimane un volume utile per la coltura di circa 12,6 m<3 >da cui risulta un Si/V di circa 14,4 m<-1>.

Il sistema di aerazione e rimescolamento (53) della coltura ? preferibilmente del tipo bubbling dal fondo e realizzato preferibilmente mediante diffusori (58) posti sul fondo (61) del reattore o comunque in prossimit? del fondo preferibilmente a circa 1 cm dal fondo del reattore, per lasciare spazio al sistema di pulizia descritto pi? avanti, come nella configurazione illustrata in Figura 1 e 3. Aria compressa viene insufflata preferibilmente mediante una soffiante in una tubazione (60) posta longitudinalmente (parallela alla lunghezza) e preferibilmente esterna al reattore, da cui si dipartono i diffusori (58) posti trasversalmente alla lunghezza del reattore sul fondo o poco sopra. I diffusori possono essere canne forate o diffusori a membrana o in pietra porosa, preferibilmente i diffusori (58) sono canne forate preferibilmente aventi un diametro di 0.5-5 cm, dove i fori presentano un diametro di 0.5-1.5 mm e sono posti ad una distanza di 4-10 cm l?uno dall?altro. Le canne forate o i diffusori sono posti cos? da non dar luogo ad un bubbling omogeneo (che determinerebbe movimenti caotici del fluido di coltura) ma piuttosto ad una alternanza di zone insufflate e non insufflate.

Tipicamente i tubi trasparenti (51) sono in vetro, ma potrebbero essere anche di materiale plastico, quale il polimetilmetacrilato, resistente alla radiazione e agli agenti chimici usati per la disinfezione (fra gli altri acido cloridrico, ipoclorito di sodio). I tubi trasparenti (51) sono inseriti trasversalmente alla lunghezza del reattore. Il reattore avr? preferibilmente un rapporto Si/V maggiore di 10 m<-1>.

Preferibilmente il fotobioreattore dell?invenzione include anche un sistema antifouling (74) per i tubi (51) costituito da una pluralit? di rotori (54) che ruotano attorno a ciascuno di detti tubi (51) e rimuovono cellule depositate e biofilm adeso alla superficie esterna dei tubi (quella in contatto con la coltura), in cui la rotazione di detti rotori (54) ? attuata dal movimento (59) del fluido di coltura mantenuto in circolazione dal sistema di aerazione e rimescolamento (53).

Su ciascun tubo (51) ? montato un sistema antifouling (74) (Figura 2) che crea un rimescolamento localizzato e impedisce alle cellule di depositarsi e di formare biofilm sulla superficie esterna dei tubi trasparenti (51) permettendo quindi di mantenere per tutta la durata della coltivazione l?irraggiamento stabilito. Tale sistema antifouling (74) ? preferibilmente costituito da un rotore (54) coassiale al tubo 51 e che si muove grazie alla spinta generata dal bubbling. Nella fattispecie della figura 2 il rotore si presenta come una spazzola a turbina composta da due o pi? anelli (55) a diretto contatto con la superficie esterna dei tubi (51); sugli anelli (55) sono montate delle palette (56), preferibilmente aventi profili ad ?L? o a semicerchio, che non sono in contatto con i tubi 51 ma situate molto vicino (1-5 mm); sugli anelli (55) sono anche montate una o pi? spazzole (57) in diretto contatto con la superficie esterna del tubo trasparente (51) e per tutta la sua lunghezza. In figura 2 ? mostrata una spazzola (57) di forma elicoidale coassiale con l?asse centrale del tubo (51), ma le spazzole (57) possono anche essere dritte. Le palette (56) sono quelle che sotto la spinta del movimento del fluido di coltura si muovono facendo di conseguenza ruotare gli anelli (55), e anche le spazzole (57) ad essi vincolate, attorno ai tubi (51). Le spazzole (57) del rotore (54) nel loro movimento passano molto vicino dalla superficie del tubo (51) o a contatto della medesima e rimuovono le cellule che eventualmente si sono depositate nonostante il rimescolamento (Figura 2). La biomassa distaccata dal tubo pu? essere separata dalla coltura e raccolta attraverso uno scarico e preferibilmente filtrata attraverso filtri di porosit? tale da lasciar passare le cellule non aggregate; il sistema cos? fatto separa cellule singole, che rimangono nella coltura, da grumi e parti di biofilm che vengono raccolti. Il rotore (54) ? preferibilmente di teflon. Con riferimento alla figura 3 i rotori ruotano grazie all?azione del bubbling che genera un movimento air-lift, ovvero un flusso (59) verso l?alto nella zona insufflata e poi un flusso in discesa (59?) nella zona non insufflata. Tale circolazione genera movimenti ordinati nella coltura che favoriscono la fotosintesi rispetto ai vortici caotici che si formano con il solo bubbling quando omogeneamente diffuso.

Il fotobioreattore della presente invenzione preferibilmente comprende anche mezzi di comando e controllo, preferibilmente un Programmable Logic Controller (PLC), funzionalmente connessi a tutti i componenti da attivare e disattivare e a quelli destinati a rilevare e fornire dati.

Il fotobioreattore della presente invenzione preferibilmente comprende anche un pH-metro per rilevare i valori di pH della coltura. In base ai valori di pH inviati dalla sonda inserita nella coltura ai mezzi di comando e controllo sui quali ? impostato il valore soglia di pH si ha l?immissione di CO2, con diffusori appositi o all?interno del flusso di aria generato dalla soffiante. La CO2, oltre a regolare il pH, fornisce anche il carbonio per la crescita degli organismi coltivati. La CO2 pu? essere fornita pura o mescolata ad altri gas. I gas sono preferibilmente filtrati per ridurre l?ingresso di contaminanti nella coltura. Il fotobioreattore pu? comprendere un elettrodo per la misura dell?O2 disciolto nella coltura che arresta il ricircolo del gas quando l?O2 supera una concentrazione dannosa per le cellule.

Il reattore opzionalmente e preferibilmente include un sistema di raccolta del gas in uscita dal fotobioreattore per cui detto gas viene intercettato e riportato all?ingresso del sistema di aerazione per far s? che la CO2 residua possa venir utilizzata dalla coltura anzich? dispersa nell?ambiente. Tale sistema ? dotato di un elettrodo per la misura dell?O2 che mediante un comando proveniente dal PLC arresta il ricircolo quando l?O2 supera una concentrazione dannosa per le cellule e richiama una nuova corrente gassosa ad alta concentrazione di CO2 e bassa concentrazione di O2. Il reattore preferibilmente comprende anche un sistema di termoregolazione interno o esterno. Se esterno il sistema di termoregolazione ? preferibilmente costituito da uno scambiatore di calore a piastre o di altra tipologia attraverso cui la coltura ? fatta circolare mediante una pompa. Se interno il sistema di termoregolazione ? preferibilmente costituito da una serpentina immersa nella coltura dove circola liquido termostatante ad opportuna temperatura o da una camicia posta ad esempio sui lati corti, anche questa dove circola liquido termostatante. Per organismi fragili sar? preferibilmente utilizzata una pompa volumetrica, tipicamente a membrana, mentre per organismi resistenti pu? essere utilizzata anche una pompa centrifuga. L?attivazione della termoregolazione ? guidata da una sonda di temperatura inserita nella coltura che manda un segnale ai mezzi di comando e controllo sui quali ? impostato il valore di temperatura ottimale al raggiungimento del quale viene attivata la termoregolazione. In questo modo la temperatura della coltura potr? essere regolata in base alle necessit? fisiologiche dell?organismo coltivato.

Il sistema di illuminazione del presente fotobioreattore presenta la possibilit? di regolazione dell?intensit? luminosa e della durata di illuminazione. Il reattore nella sua forma di realizzazione preferita permette di effettuare colture con diversi regimi di illuminazione, con particolari cicli luce-buio o luce continua e di regolare, anche da remoto, le tempistiche di erogazione e l?intensit? della radiazione fornita permettendo quindi di adottare le condizioni pi? favorevoli per ciascun tipo di organismo coltivato. La radiazione ? preferibilmente fornita da LED (69) (bianchi, rossi, blu, verdi o viola) o di diversa lunghezza d?onda, tipicamente rosso (640 e 664 nm) e blu (448 nm), montati su un supporto (70) che nella forma di realizzazione preferita ? di metallo con sezione quadrangolare (fig. 5). Tale struttura ha la duplice funzione di sostenere i circuiti (72) e di dissipare il calore prodotto dalla lampada stessa, in modo da ridurre l?energia termica in entrata nel fotobioreattore ed evitare il surriscaldamento della lampada. Le lampade sono dotate di cavo di alimentazione (73) e preferibilmente di un tappo ermetico (71) per assicurarle con fermezza quando inserite nei tubi (51) ed impedire ingresso di liquidi nei tubi. L?inserimento del sistema di illuminazione all?interno della coltura e la possibilit? di regolare l?intensit? della radiazione permettono di ridurre al minimo la dispersione della radiazione luminosa e di meglio adattarsi alle richieste della coltura. Inoltre, la coltura in luce continua permette di ridurre la forte escursione termica fra periodi di luce e periodi di buio, tipica delle colture all?aperto.

Il sistema d?illuminazione preferibilmente comprende una pluralit? di lampade tali da fornire 100-400 micromoli di fotoni per secondo.

In una possibile realizzazione i tubi trasparenti (51) e le lampade LED (52) possono essere sostituite o integrate da fibre ottiche.

In una possibile realizzazione il reattore potr? contenere anche LED a radiazione UV-C per disinfezione/sterilizzazione del fotobioreattore e del mezzo di coltura a inizio ciclo produttivo.

Per ridurre l?evaporazione e la contaminazione della coltura da parte di batteri, protozoi, microalghe o piccoli invertebrati, il reattore ? preferibilmente provvisto di un coperchio rimovibile che ? preferibilmente forato per permettere l?inserimento delle sonde di controllo di parametri chimico-fisici, preferibilmente pH, temperatura, ossigeno, anidride carbonica, e possibilmente anche sensori per misurare la densit? ottica, le fonti di nutrienti, ecc., oltre che per consentire il campionamento, l?ispezione visiva della coltura, l?immissione di nutrienti, inoculo, ecc, e per consentire il degassing. Il coperchio pu? essere realizzato in materiale rigido o flessibile, non necessariamente trasparente alla radiazione, quale acciaio inox, polimetilmetacrilato, policarbonato, polietilene. Il coperchio pu? essere rimosso per consentire l?accesso all?interno del fotobioreattore per le operazioni di pulizia.

Sul fondo del reattore preferibilmente sono presenti valvole e/o aperture per la raccolta della coltura e/o la pulizia del reattore.

Preferibilmente sulle pareti e sul fondo ? applicato un sistema di pulizia (63) comprendente uno o pi? elementi magnetizzati (65) all?interno del serbatoio che sono mossi da magneti esterni (65?) al serbatoio in modo da ripulire fondo (61) e pareti (61c/d) del reattore dal biofilm. In una realizzazione preferita, con riferimento alla fig.4, il sistema di pulizia (63) per la rimozione del biofilm dal fondo e dalle pareti del reattore comprende una spazzola (64) che si muove sull?intera superficie del fondo, grazie all?azione di un magnete interno (65) ed un magnete esterno (65?) posti sul fondo o sulle pareti del reattore, e convoglia il biofilm e gli aggregati prodottisi nella coltura e depositatisi sul fondo o sulle pareti verso gli spigoli inferiori del reattore in cui una struttura a semitubo (66) convoglia il biofilm e gli aggregati cellulari verso uno scarico (67) attraverso cui possono essere periodicamente rimossi dalla coltura senza necessit? di svuotare il reattore. L?elemento magnetico esterno (65?) ? vincolato ad una vite (68) la cui rotazione fa traslare l?elemento (65?) lungo la direzione della parete lunga (61a/b), la traslazione del magnete esterno (65?) produce un?altrettanta traslazione del magnete interno (65) a cui esso ? accoppiato. La traslazione del magnete interno (65) produce la traslazione della spazzola (64) che ? vincolata al magnete interno (65). Traslando lungo il fondo o lungo le pareti del reattore la spazzola (64) stacca il biofilm dalle superfici interne del reattore e lo convoglia nel semitubo (66). Il semitubo (66) ? posto sul fondo (61) del reattore preferibilmente trasversalmente alla lunghezza (Figura 4). Il semitubo (66) esce dalle pareti lunghe del reattore ed ? preferibilmente posto (saldato) alla connessione tra fondo (61) del reattore e le pareti corte (61c/d). Uno o due scarichi (67) collegati ad una pompa permettono di rimuovere periodicamente gli aggregati e il biofilm dalla coltura senza necessit? di svuotare il reattore. Preferibilmente lo scarico (67) ? collegato con uno o pi? filtri di porosit? tale da lasciar passare le singole cellule e trattenere gli aggregati.

Il fotobioreattore della presente invenzione pu? essere convenientemente utilizzato, ad esempio, per la coltura di cianobatteri quali Arthrospira e cianobatteri produttori di molecole bioattive di interesse agrario (biostimolanti) e farmaceutico (antimicrobici, antinfiammatori, antitumorali), microalghe quali Chlorella, Tisochrysis, Nannochloropsis, Tetraselmis, Phaeodactylum, Porphyridium, Haematococcus. Le biomasse algali prodotte possono avere utilizzi in campo farmaceutico, nutraceutico, cosmetico, agrario, inclusa l?acquacoltura.

Ulteriore oggetto della presente invenzione ? anche un impianto di produzione di microrganismi fotosintetici comprendente due o pi? fotobioreattori della presente invenzione in connessione idraulica tra loro. I fotobioreattori possono essere disposti affiancati o anche sovrapposti. Come esempio, un impianto di 500 m<2 >(senza considerare gli spazi operativi e per strumentazione accessoria) costituito da 50 moduli disposti in 5 file da 10 moduli di 10 m<2 >ciascuno, pu? portare a una produzione annuale di circa 60 tonnellate di biomassa.

La presente invenzione potr? essere meglio compresa alla luce dei seguenti esempi realizzativi.

PARTE SPERIMENTALE ESEMPIO 1

Per meglio comprendere la funzione e l?importanza del fotobioreattore della presente invenzione si riporta a titolo di esempio quanto ottenuto in esperimenti su prototipi realizzati con tubi in polimetilmetacrilato del diametro di 0.1 m con il cianobatterio Arthrospira platensis, cresciuta ad una intensit? luminosa di 700 ?mol fotoni m<-2 >s<-1>. In assenza del sistema antifouling fino al 20-25% della biomassa prodotta si ? depositata sui tubi, riducendo la radiazione disponibile per la crescita della coltura fino al 50% rispetto al prototipo con sistema antifouling.

Claims (13)

RIVENDICAZIONI

1. Un fotobioreattore per la coltura di microrganismi fotosintetici o cellule vegetali in ambiente chiuso con luce artificiale comprendente:

un serbatoio (50) atto a contenere le cellule dell?organismo da coltivare e un adeguato mezzo di coltura;

una pluralit? di tubi (51) di materiale trasparente ad una radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) adatta all?organismo da coltivare, detti tubi collocati all?interno del serbatoio a diverse altezze; detta pluralit? di tubi (51) tale per cui il reattore presenti un rapporto superficie illuminata/volume di coltura (Si/V) maggiore di 5 m<-1>;

un sistema di illuminazione artificiale comprendente una pluralit? di lampade (52) atte ad emettere la PAR, dette lampade alloggiate nei tubi (51);

un sistema di aerazione e rimescolamento (53) tale da garantire l?immissione della fonte di carbonio gassosa (CO2), la rimozione dell?ossigeno in eccesso e un rimescolamento della coltura tale da creare a zone intervallate fra loro un movimento (59 e 59?) del fluido di coltura dal basso verso l?alto e viceversa.

2. Il fotobioreattore secondo la rivendicazione 1 comprendente inoltre un sistema anti-fouling (74) per i tubi (51) costituito da una pluralit? di rotori (54) che ruotano attorno a ciascuno di detti tubi (51) e rimuovono cellule depositate e biofilm adeso alla superficie esterna dei tubi, in cui la rotazione di detti rotori (54) ? attuata dal movimento (59 e 59?) del fluido di coltura dal basso verso l?alto, e viceversa, mantenuto dal sistema di aerazione e rimescolamento (53)

3. Un fotobioreattore secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui il sistema di aerazione e rimescolamento (53) della coltura ? del tipo bubbling dal fondo e realizzato preferibilmente mediante diffusori (58) posti sul fondo (61) o comunque in prossimit? del fondo del reattore.

4. Un fotobioreattore secondo la rivendicazione 2 o 3 in cui il rotore (54) ? una spazzola a turbina coassiale al tubo che si muove grazie alla spinta generata dal bubbling, detta spazzola a turbina comprendente due o pi? anelli (55) a diretto contatto con la superficie esterna dei tubi (51); sugli anelli (55) sono montate delle palette (56) che non sono in contatto con i tubi ma situate molto vicino; sugli anelli (55) sono anche opzionalmente montate una o pi? spazzole (57) in diretto contatto con la superficie esterna del tubo trasparente (51).

5. Un fotobioreattore secondo una qualunque delle rivendicazioni 1-4 in cui il contenitore ? in materiale non trasparente e presenta una forma a parallelepipedo, con sviluppo prevalente in lunghezza (L), avente preferibilmente una lunghezza (L) di 0.5-5 m, una profondit? (P) di 0.5-3 m, e un?altezza (H) di 0.6-2 m.

6. Un fotobioreattore secondo una qualunque delle rivendicazioni 1-5 in cui l?illuminazione ? regolabile per intensit? e durata.

7. Un fotobioreattore secondo una qualunque delle rivendicazioni 1-6 comprendente inoltre un sistema di pulizia comprendente elementi magnetizzati all?interno del contenitore che sono mossi da magneti esterni al serbatoio in modo da ripulire fondo (61) e pareti (61c/d) del reattore dal biofilm e dagli aggregati prodottisi nella coltura.

8. Un fotobioreattore secondo una qualunque delle rivendicazioni 1-7 comprendente inoltre un sistema di raccolta del gas in uscita dal fotobioreattore per cui detto gas viene intercettato e riportato all?ingresso del sistema di aerazione per far s? che la CO2 residua, presente nel gas in uscita dal fotobioreattore, possa venir utilizzata dalla coltura anzich? essere dispersa nell?ambiente.

9. Un fotobioreattore secondo una qualunque delle rivendicazioni 1-8 comprendente inoltre una o pi? sonde o sensori atti a rilevare parametri chimicofisici rilevanti per il controllo della coltura, un sistema di termoregolazione atto a controllare la temperatura della coltura e mezzi di comando e controllo, funzionalmente connessi a tutti i componenti da attivare e disattivare e a quelli destinati a rilevare e fornire dati.

10. Un impianto di produzione di microrganismi fotosintetici e cellule vegetali comprendente due o pi? unit? del fotobioreattore secondo una qualunque delle rivendicazioni 1-9.

11. Uso di un fotobioreattore secondo una qualunque delle rivendicazioni 1-9 o di un impianto secondo la rivendicazione 9 per la coltura di microrganismi fotosintetici e/o cellule vegetali.

12. Un sistema anti-fouling per una superficie trasparente attraverso cui ? fornita PAR ad una coltura fotosintetica, detto sistema anti-fouling costituito da uno o pi? elementi mobili che muovendosi a contatto con detta superficie trasparente o nelle immediate vicinanze rimuovono cellule depositate e biofilm adeso a detta superficie trasparente in contatto con la coltura, in cui la movimentazione di detti elementi mobili ? attuata dal movimento del fluido di coltura.

13. Un sistema anti-fouling secondo la rivendicazione 12 in cui la superficie trasparente ? un tubo ed il sistema anti-fouling ? un rotore come descritto nelle rivendicazioni 2 o 4.