IT202100025295A1 - Impianto per la produzione di microalghe - Google Patents

Description

BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO

?IMPIANTO PER LA PRODUZIONE DI MICROALGHE?

TESTO DELLA DESCRIZIONE

CAMPO DELL?INVENZIONE

La presente invenzione riguarda un relativo impianto per la produzione in scala industriale di microalghe in ambiente controllato.

ANTEFATTI

La coltivazione delle microalghe ? nota sin dall?antichit? in Sud America ed in Africa, ove crescono spontaneamente in laghi di acque salmastre alcaline e calde e vengono poi trasferite in vasche per la coltivazione e l?utilizzo alimentare. In tempi recenti si ? diffusa la coltivazione di queste alghe, delle quali esistono varie tipologie utili sia in ambito alimentare che cosmetico e farmaceutico.

Una di queste alghe che ha ricevuto grande attenzione per le sue eccellenti propriet? ? la spirulina, coltivata in bacini artificiali in Cina, India, Stati Uniti in coltivazioni estensive, ma anche in Italia, Francia, Cuba ed Australia. La spirulina (Arthrospira platensis) ? una specie appartenente alla classe delle cianoficee, alga autotrofa, liberante ossigeno molecolare, ed ? ritenuta in medicina un buon alimento per avere propriet? immunomodulatrici, utili per il trattamento delle allergie. Altra peculiarit? della spirulina ? l?alto contenuto di proteine, e viene utilizzata come alimento o come integratore alimentare alla dieta ed ? disponibile in compresse, microspaghettini e in polvere. In tempi recenti, sia la NASA che l?Agenzia Spaziale Europea hanno proposto la spirulina come uno degli alimenti primari da coltivare durante le missioni spaziali di lunga durata.

TECNICA ANTERIORE

Grazie a questo notevole interessamento per lo sfruttamento delle microalghe, sono stati sviluppati diversi tipi di sistemi ed impianti per la coltivazione, che vengono qui appresso brevemente analizzati, in particolare per evidenziare come tutti questi sistemi ed impianti presentino dei problemi che la presente invenzione intende affrontare e risolvere.

OPEN POUND: sono vasche circolari in cemento armato o lamiera, rivestite con teli in plastica o verniciate, o spesso solo in cemento. Costruite a livello del terreno, la circolazione del fluido avviene con sistemi di miscelazione simili alle pale di un mulino. Svantaggi del sistema: (1) la coltura non ? protetta dagli insetti anche nel caso di installazione in serra, in quanto ? impossibile evitare che in una serra in estate penetrino degli insetti; gli insetti galleggiano in superficie, si depongono e inquinano la coltura. Nei casi di installazione all?aperto, vi ? poi il problema degli uccelli che defecano dentro la coltura, e di animali striscianti che possono nuotare all?interno, quali serpenti e molti altri; (2) energeticamente non sono efficienti anche nel caso di montaggio in serra, dato che per coltivare le microalghe occorre mantenere una temperatura di 35?C nel liquido, con conseguente dispersione nella serra; (3) spesso vengono usati teli in plastica senza alcuna certificazione alimentare; (4) per la raccolta si utilizzano delle pompe di aspirazione e le microalghe subiscono danni durante il pompaggio; (5) se sono in cemento, inficiano terreni agricoli e richiedono autorizzazioni particolari.

FOTOBIOREATTORI VERTICALI: tali sistemi sono stati adottati per proteggere la coltura all?interno di tubi verticali in policarbonato od acrilico. Ve ne sono di varie forme inclinati chiusi a ricircolo oppure semplicemente verticali aperti; in questa tipologia di coltivazione di microalghe vi sono i seguenti problemi: (1) l?estrema difficolt? di pulizia dei cilindri, che col tempo si incrostano e si macchiano, ? impossibile che un operatore possa entrare per pulirli, ad oggi l?unico modo ? smontare il cilindro, uno per uno se ve ne sono diversi, e lavarlo con idropulitrice a pressione o prodotti chimici; (2) tali sistemi hanno problemi nel ricevere la luce, dato che le microalghe crescono nei fotobioreattori con la fotosintesi, e se la luce non penetra all?interno degli stessi in maniera adeguata, non avviene la fotosintesi. Studi scientifici hanno dimostrato che la luce del sole pu? penetrare non oltre i 5-8 cm nel fluido delle microalghe. Spesso per sopperire a questo problema vengono installati dei corpi illuminanti a LED che ovviamente necessitano, oltre che di un costo di acquisto, anche di energia elettrica continua per tutto l?anno; (3) non ? possibile mescolare la coltivazione, sarebbe necessario un agitatore motorizzato per ogni cilindro; allora la soluzione per evitare la precipitazione delle alghe nel cilindro, ? quella di insufflare aria dal basso, e quindi si richiede un sistema di captazione, filtrazione e compressione dell?aria e relativa distribuzione (ed energia elettrica consumata).

FOTOBIOREATTORI A TUBI ORIZZONTALI: questo sistema prevede il movimento continuo del fluido, come negli Open Pound, ovviando alle problematiche dei fotobioreattori verticali, offrono la massima protezione della coltivazione, ma purtroppo non sono esenti da problematiche. Ossia: (1) consumi energetici elevati per la circolazione e uso di pompe, che danneggiano le microalghe; (2) estrema difficolt? di pulizia delle tubazioni, che tra l?altro presentano un problema peggiore rispetto ai tubi verticali, ove si poteva smontare un tubo alla volta, mentre in questo caso, essendo una unica serpentina, ? necessario per la pulizia fermare tutto il circuito; (3) il problema pi? grande ? che le microalghe durante la fotosintesi assorbono CO2 e rilasciano O2, e purtroppo quando la concentrazione di ossigeno disciolto supera un certo valore, le microalghe si intossicano e la produzione finisce. Nei tubi orizzontali chiusi a circolazione forzata non vi ? alcuna possibilit? di espellere O2, se non con l?utilizzo di alcuni degassatori in linea; (4) costo altissimo di acquisto, tubazioni in vetro e accessori con relativa posa, raggiungono i costi pi? alti di tutti gli altri sistemi di produzione.

THIN LAYER (strato sottile): Negli anni ?70 nell?est europeo si svilupparono dei vassoi inclinati con una sottile lama di fluido di 1-2 cm di spessore, che risolvono il problema della luce che fatica ad entrare nel fluido di coltura, ed anche quello della eliminazione del O2 prodotto. Purtroppo anche questo sistema presenta delle problematiche: (1) estrema variabilit? della temperatura, con salto termico notevole di 10 ? 20 ?C, anche pi? di una volta al giorno, a causa della estrema velocit? di raffreddamento; (2) di notte, spegnendo le pompe di ricircolo, il prodotto si scarica completamente in una vasca dove tende a depositarsi; (3) le pompe di ricircolo, per mantenere la cascata a portata piena, devono avere una portata notevolissima, con conseguente consumo energetico notevole; (4) non offrono protezione alla coltura, cio? i vassoi sono aperti, quindi insetti e corpi estranei possono inquinare la coltura.

PANNELLI: Il sistema a pannelli nasce per offrire massima protezione alla coltura e contemporaneamente offre anche un isolamento termico in inverno. Purtroppo rimangono irrisolti i classici problemi, ossia: (1) servono pompe di ricircolo potenti, per evitare che il prodotto tenda a depositarsi nei pannelli sottili; (2) ? quasi impossibile pulire i pannelli, se non smontandoli completamente, interrompendo la coltura; (3) i materiali usati (sacchi di plastica o acrilico) non sono certificati per uso alimentare e tendono a incrostarsi molto velocemente, impedendo alla luce di entrare e favorendo la formazione di muffe e funghi; (4) l?ossigeno autoprodotto rimane nella coltura e richiede linee di degassamento per evitare l?avvelenamento da ossigeno della coltura.

Esistono infine altri metodi secondari, pi? o meno artigianali, come il cosiddetto ?air lift?, per i quali vi ? il problema di uso di sacchi in plastica non alimentare.

PROBLEMA TECNICO

Pertanto, nello stato attuale della tecnica, rimane il problema irrisolto di un sistema e di un impianto che realizzino la produzione di microalghe su scala industriale, eliminando i numerosi e gravi inconvenienti sopra evidenziati di tale stato della tecnica.

Il problema viene sorprendentemente e brillantemente risolto, partendo da un sistema THIN LAYER a strato sottile, nel quale per? gli strati sottili vengono realizzati ?in piano?, e si prevede l?uso di una copertura di protezione degli strati, l?uso di due stadi di coltura, rispettivamente in presenza ed assenza di luce, la ricetta di macro e microelementi contenente agenti chelanti che rendono biodisponibili tali elementi, ed inoltre la possibilit? di scaricare per gravit? la coltura, evitando cos? danneggiamenti durante le operazioni di travaso, caratteristiche che non risultano attualmente note nel settore della coltivazione di microalghe.

SOMMARIO

L?impianto per la produzione di microalghe comprende sostanzialmente vassoi orizzontali per la coltivazione, disposti a circuito chiuso in una serra, un sistema per assicurare il flusso e lo scarico della coltura, un sistema di copertura della coltura, comprendente una copertura termica trasparente ed una copertura ombreggiante antiinsetti, ed i sistemi di controllo e comando dell?impianto, che verranno qui appresso illustrati in dettaglio, facendo riferimento ai disegni annessi, che mostrano comunque loro forme di realizzazione esemplificative, ma non limitative.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

la figura 1 mostra una vista prospettica di insieme dell?impianto;

la figura 2 mostra una vista prospettica della zona serbatoi e vibrovaglio dell?impianto;

la figura 3 ? una vista prospettica da altra angolazione di detta zona serbatoi e vibrovaglio;

la figura 4 ? una vista dall?alto della zona serpentine termiche e scarichi dei vassoi; e

la figura 5 ? una vista prospettica semplificata parziale degli elementi mostrati in figura 4, evidenziante lo scorrimento del carrello porta coperture sopra i vassoi, nonch? la posizione di installazione del mulino a palette in testa al circuito di ciascun vassoio.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?IMPIANTO

Facendo riferimento alla Figura 1, l?impianto comprende sostanzialmente una coppia di vassoi orizzontali 10, disposti entro una serra che racchiude l?intero impianto, la quale ? costituita da un telo di plastica trasparente (non mostrato) supportato da una serie di archi 12 generalmente metallici, disposti lungo tutta la serra, dei quali nel disegno ne vengono mostrati solo quelli installati nella zona dei sistemi di controllo dell?impianto, per una migliore leggibilit? del disegno stesso.

I vassoi orizzontali 10 per la coltura in piano sono realizzati in eps (polistirene espanso sinterizzato) denso rivestito con resina gelcoat, e ciascun vassoio forma un circuito chiuso, costituito da una serie di moduli quadrangolari 10a collegati alle due estremit? del circuito da moduli di curva 10b; alcuni moduli 10c dispongono di serpentine 10d annegate nel rivestimento, atte a consentire il flusso in un fluido caldo o freddo, per modificare a seconda delle necessit? la temperatura della coltura circolante.

L?utilizzo di questo materiale e del rivestimento con gelcoat offre una ottima resistenza meccanica agli urti, ma soprattutto una perfetta tenuta idraulica nelle giunture e protezione dalla corrosione dell?acqua salata, un perfetto isolamento termico, una resistenza totale alla corrosione, data dal rivestimento in gelcoat certificato per uso alimentare, un peso proprio ridotto, e l?assenza di saldatura, flange o punti di unione che potrebbero generare perdite di liquido in futuro.

Il sistema di supporto dei vassoi ? costituito da una travatura reticolare 20, mostrata in maggiore dettaglio nelle figure 4 e5, in profilato di alluminio, esente da corrosione e molto leggero, consentendo anche in futuro di essere facilmente smontato e rimontato altrove, evitando quindi getti in calcestruzzo che potrebbero danneggiare terreni agricoli. Ai lati esterni di ciascun vassoio 10 sono disposte delle guide o binari 21, lungo i quali pu? scorrere un carrello semovente 22 portante due tipologie di copertura diretta sopra il relativo vassoio, e precisamente una copertura termica trasparente 22a, che consente il passaggio della luce e mantiene la temperatura del fluido, minimizzando la dispersione termica, ed una copertura ombreggiante anti-insetti 22b, consistente in una rete finissima; la rete trasparente consente anch?essa di limitare la luce nei mesi pi? luminosi dell?anno, dato che le microalghe tendono a stressarsi quando la luce ? eccessiva. Il carrello semovente 22 ? in grado di svolgere o riavvolgere la copertura in doppio, ovvero scorrendo in un senso srotola un tipo di copertura, e scorrendo nell?altro senso riavvolge la precedente copertura e srotola quella alternativa. I binari 21 sono atti a consentire un agevole movimento al carrello porta coperture 22, che ? dotato di un motore elettrico e di un motoriduttore, non mostrati in dettaglio. La logica di gestione ? automatizzata, ovvero in funzione della temperatura il software di controllo ?decide? se muovere il carrello in un senso coprendo i vassoi con copertura a rete, o nell?altro senso con copertura termica, ottimizzando di fatto il tutto senza l?esigenza della presenza di un operatore.

Le rotaie o guide laterali 21, una per lato, consentono al carrello semovente 22 portarulli di muoversi in un senso o nell?altro, le ruote non sono ingranate a nulla, sono folli. I rulli portanti le coperture 22a e 22b sono accoppiati ad un motore elettrico incorporato nel carrello e con motoriduttore, che pu? girare in un senso o nell?altro. In ogni carrello semovente 22 vi ? un unico riduttore, un unico motore elettrico che trasmette il moto ai due rulli, i quali sono dotati di una frizione meccanica simile al rocchetto della ruota trainante delle biciclette, in grado quindi di ruotare liberamente solo in un senso e non nell?altro. Sono presenti alle due estremit? del percorso degli interruttori di fine corsa, cos? che il software possa ?sapere? quando che il carrello 22 ? arrivato a destino, per ognuno dei vassoi 10.

Il software ?decide? se coprire i vassoi 10 con la copertura traspirante a rete 22b, oppure con quella a tenuta totale 22a, in funzione dei valori della temperatura esterna, interna serra, e della temperatura del liquido di coltivazione. Quando l?impianto ? in modalit? refrigerazione, viene ?srotolata? la copertura a rete 22b, quando ? in modalit? riscaldamento viene srotolata la copertura trasparente a tenuta termica 22a. Questo pu? accadere anche nelle stagioni pi? calde ad esempio durante la notte, specialmente in coltivazioni, quali quelle per la spirulina, ove la temperatura della coltura deve essere sempre di 35?C.

Per assicurare il flusso idraulico della coltura evitando precipitazioni, si ? progettato un mulino a palette 30 con geometria idonea in grado, con solo 180 W di assorbimento, di spingere la coltura in un vassoio 10 co 52 m di circuito (26 m di andata e 26 m di ritorno), quale quello mostrato esemplificativamente e parzialmente nelle figure 2 e 5. La circolazione ? monoverso, quindi il mulino a palette ruota sempre in un unico senso.

Ciascun vassoio 10 ? dotato di un mulino a palette 30, che ? installato fisso in testa al circuito del vassoio, sul suo lato esterno, per cui nel vassoio superiore in figura la circolazione del fluido sar? in senso antiorario, mentre nel vassoio inferiore sar? in senso orario.

La velocit? del fluido ? variabile tra 10 e 20 cm/sec con una portata (per fluido da 50 mm di battente) pari a 375 lt/min minima, ed ? sufficiente per scongiurare depositi della coltura, Non ? prevista alcuna pompa di ricircolo.

Rispetto ai classici sistemi di coltivazione a terra, vi ? ora la possibilit? di scaricare direttamente il prodotto verso il separatore, per gravit? e senza ausilio di pompe che potrebbero danneggiare il prodotto stesso. Si prevede anche un misuratore di portata magnetico a passaggio totale, sempre per non inquinare la coltura. I dettagli relativi sono illustrati nella figura 4.

Facendo ora riferimento alla figura 4, viene illustrata in maggiore dettaglio la zona serpentine termiche e scarichi vassoi dell?impianto, in particolare mostrante le fasi seguenti lo scarico dei vassoi al termine di un ciclo di coltivazione delle alghe. A questo punto, in seguito ad un comando automatico programmato o manuale, si apre una fessura o caditoia 40, prevista nell?ultimo modulo 10a vicino alla curva interna 10b del vassoio 10, e il fluido coltivo ivi presente cade per gravit? in un pozzetto di raccolta 41 ed entra in funzione il convogliatore a coclea (vite di Archimede) 42, che trasporta il fluido verso l?alto per entrare in un cilindro smistatore ? distributore 43 motorizzato, il quale consente di scegliere se inviare il fluido ai due serbatoi fermentatori 44, dotati di riscaldatori 44a, oppure direttamente al vibrovaglio 45, che separa il prodotto solido dal liquido. Il liquido scaricato dal vaglio 45 viene inviato a scelta, tramite un altro smistatore 48, nuovamente ai vassoi 10 (quindi eseguendo il classico riciclo del fluido), oppure in modalit? spurgo alla vasca o serbatoio di raccolta 46, in quanto esso ? un ottimo fertilizzante liquido dopo la vagliatura. Il prodotto solido della coltura viene scaricato nel contenitore di raccolta 47.

Facendo riferimento nuovamente alle figure 2 e 4, l?impianto prevede l?implementazione di un sistema automatico intelligente di gestione della temperatura, ovvero il sistema elettrico / idraulico dispone di due fonti di temperatura differenti, una pi? calda ed una pi? fredda. In funzione dell?andamento della temperatura in serra e della coltura, il sistema preleva il fluido termico caldo o freddo, per mantenere costante la temperatura della coltura stessa.

Questa ? una importante innovazione, in quanto normalmente tra giorno e notte vi ? un certo salto termico, cos? pure tra mesi caldi e mesi freddi, nonch? ovviamente in dipendenza della posizione geografica del sistema, ma in quest?ultimo caso la gestione si adatta in fase di progettazione.

Il sistema pu? funzionare sia con unica pompa di calore a inversione di ciclo controllata dal software in base al fabbisogno del momento, oppure con doppia sorgente, calda o fredda contemporaneamente presenti, ad esempio caldaia biomassa e assorbitore generatore di freddo oppure caldaia biomassa e frigorifero a pompa di calore.

Il suddetto sistema di gestione elettrico / idraulico comprende gli alimentatori 50 e 51 del fluido con relativo gruppo di controllo 52. Infine si prevedono due serbatoi 61 e 62 contenenti la soluzione nutritiva per la coltivazione eterotrofa delle microalghe in assenza di luce, nei due serbatoi fermentatori 44, e tali soluzioni vengono dosate con una apposita pompa dosatrice (non mostrata).

Si deve comprendere che l?impianto qui descritto ed illustrato ? stato progettato per la produzione della microalga denominata spirulina, ma esso potrebbe essere realizzato per la produzione di qualsiasi altra specie di microalghe, senza per questo uscire dal suo ambito di protezione.

Avendo cos? descritto dettagliatamente l?impianto oggetto della presente invenzione, si deve anche notare che un tecnico del ramo potrebbe apportare ad esso modifiche e/o aggiunte, senza per questo uscire dal suo ambito di protezione, come risulta dalle rivendicazioni annesse.

Claims (11)

RIVEDINCAZIONI

1. Impianto per la produzione di microalghe, comprendente:

- vassoi orizzontali a circuito chiuso, per la coltivazione della coltura in una serra; - un sistema biologico lavorante in continuo, per assicurare il flusso e lo scarico della coltura;

- un sistema di copertura della coltura sui vassoi, comprendente una copertura termica trasparente ed una copertura ombreggiante anti-insetti; e

- sistemi di controllo e comando dell?impianto.

2. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui i vassoi orizzontali (10) sono realizzati in eps (polistirene espanso sinterizzato) denso, rivestito con resina gelcoat.

3. Impianto secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui ciascun vassoio orizzontale (10) forma un circuito chiuso, costituito da una serie di moduli quadrangolari (10a) collegati alle due estremit? da moduli di curva (10b).

4. Impianto secondo le rivendicazioni precedenti, in cui alcuni moduli (10c) dispongono di serpentine (10d) annegate nel rivestimento, atte a consentire il passaggio di un fluido caldo o freddo, per modificare a seconda delle necessit? la temperatura della coltura circolante.

5. Impianto secondo le rivendicazioni precedenti, in cui i vassoi orizzontali (10) sono supportati da una travatura reticolare (20) metallica smontabile.

6. Impianto secondo le rivendicazioni precedenti, in cui il sistema di copertura della coltura sui vassoi ? costituito da un carrello semovente (22) scorrevole su guide (21) lungo i lati esterni di ciascun vassoio (10) e portante una copertura trasparente (22a) e una copertura ombreggiante anti-insetti (22b), detto carrello semovente (22) scorrendo in un senso srotola un tipo di copertura, e scorrendo nell?altro senso riavvolge la copertura svolta e srotola quella alternativa.

7. Impianto secondo le rivendicazioni precedenti, in cui il flusso idraulico della coltura viene realizzato mediante un mulino a palette (30) con geometria idonea per spingere la coltura sul circuito dei vassoi (10) dell?impianto.

8. Impianto secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il mulino a palette (30) ? installato fisso in testa al circuito del vassoio e ruota in un unico senso, per cui la circolazione del fluido coltivo sul vassoio ? monosenso.

9. Impianto secondo le rivendicazioni precedenti, in cui nello scarico dei vassoi, al termine di un ciclo di coltivazione delle alghe, il fluido coltivo presente sul vassoio tramite una apposita fessura (40) cade per gravit? in un pozzetto di raccolta (41), dal quale mediante un convogliatore a coclea (42) il fluido viene portato ad un cilindro smistatore ? distributore (43) motorizzato, il quale invia il fluido a serbatoi fermentatori (44) oppure ad un vibrovaglio (45) che separa il solido dal liquido.

10. Impianto secondo la rivendicazione 9, in cui il liquido separato dal vibrovaglio (45) viene inviato a scelta tramite un secondo smistatore (48) per essere riciclato sui vassoi (10) oppure in modalit? spurgo ad una vasca o serbatoio di raccolta (46), mentre il prodotto solido della coltura viene scaricato in un contenitore di raccolta (47).

11. Impianto per la produzione di microalghe secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le microalghe coltivate sono costituite da spirulina (Arthrospira platensis).