ITCO20130038A1 - Sistema chiuso di vasca a modulo singolo o semi-continuo a cascata per uso industriale indoor nella coltivazione della microalga haematococcus pluvialis e simili - Google Patents

Description

MODULO DI DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE

Descrizione di invenzione industriale avente per titolo SISTEMA CHIUSO DI VASCA A MODULO SINGOLO O SEMI-CONTINUO A CASCATA PER USO INDUSTRIALE INDOOR NELLA COLTIVAZIONE DELLA MICROALGA HAEMATOCOCCUS PLUVIALIS E SIMILI

RIASSUNTO

L'invenzione riguarda un innovativo sistema chiuso di vasca, a modulo singolo o semicontinuo a cascata, finalizzato alla produzione su vasta scala industriale al chiuso (indoor) di alcune specie sensibili di microalghe quali, in particolare, il ceppo dell’Haematococcus pluvialis (HP), nella sua fase di crescita cosiddetta “rossa" al fine della produzione della molecola naturale Astaxantina. Tale vasca consente di incrementare la resa produttiva di crescita dell’alga nello stadio citato e aumentare la concentrazione della molecola estraibile alla fine di tale fase produttiva. Tale vasca consente, pertanto, una migliore resa produttiva a costi contenuti rispetto alle attuali tecnologie outdoor ed indoor esistenti (fotobioreattori e vasche esterne) utilizzate attualmente per la fase cosiddetta “rossa" di coltivazione dell’ Haematococcus pluvialis e altri simili.

L'Astaxantina è una Xantofilla appartenente alla famiglia dei Carotenoidi e appartiene a una classe più ampia di sostanze fitochimiche conosciute come i Terpeni. L’astaxantina è contenuta in microalghe come lHaematococcus Pluvialis in grandi quantità e in altri microorganismi vegetali e animali secondo diversi gradi di concentrazione. Con riferimento all’Haematococcus Pluvialis, questo ha un ciclo di vita comprendente tipicamente due fasi: una verde di tipo “vegetativa”, in cui le cellule continuamente si dividono e sintetizzano clorofilla, e una fase non mobile “rossa” (detta anche cistica), in cui si ferma la divisione cellulare, si sottopone a vari stimoli e stress affinché il microorganismo e il contenuto di clorofilla rimanga costante mentre il contenuto di Astaxantina e il peso secco cellulare possa aumentare il più possibile.

Stato della tecnica

Le microalghe sono organismi fotosintetici che si trovano sia in ambienti marini e d'acqua dolce. Il loro meccanismo fotosintetico è simile a qualunque pianta sulla terra, ma a causa della loro struttura cellulare, essi sono generalmente più efficienti nel convertire l'energia solare in biomassa. Ad oggi esistono due metodi principali di coltivazione delle alghe. Le vasche/stagni all’aperto (outdoor) e i fotobioreattori ideati per un utilizzo interno (indoor) ed esterno (outdoor) al fine di coltivare le alghe in ambienti chiusi e controllati per incrementare la resa produttiva delle coltivazioni.

Le alghe coltivate con sistemi di vasche all’aperto, sono molto più vulnerabili e possono essere contaminate da altri microorganismi e da batteri potenzialmente nocivi. Nei sistemi aperti di questo tipo vi è un minor controllo sulla temperatura dell'acqua, sulla CO2 e le condizioni di illuminazione. Tutto ciò implica che i cicli di crescita sono in gran parte limitati ai mesi più caldi. Mentre quanto sopra sono gli svantaggi con "sistemi aperti" di vasche, esistono alcuni vantaggi tra i quali quello che essi risultano i più economici da utilizzare.

Oggi questo tipo di vasche sono fondamentalmente divisi in alcune tipologie: vasche all’aperto rettangolari, vasche con piste (dove circolano le alghe o i nutrienti) e di tipo circolari. Queste vasche sono veri e propri stagni artificiali di solito poco profondi perché le alghe hanno bisogno di essere esposte alla luce del sole il più possibile. Gli stagni sono alimentati in modo continuo, con CO2 e nutrienti da una parte, mentre l’acqua contenente le alghe viene rimossa all'altra estremità. In generale i sistemi delle vasche all’aperto -anche se non molto efficienti - sono facili da usare e hanno un costo inferiore rispetto a quello dei fotobioreattori. Questi sistemi sono di fatto gli unici sistemi utilizzati nel l'ambito della produzione su larga scala dell’ Haematococcus pluvialis. La fase “rossa" di tali coltivazione è infatti ottenute in vasche o serre chiuse esposte alla luce del sole secondo processi naturali di stress esterni. Per tale ragione tali coltivazioni su larga scala utilizzano larghe superfici di terreni e sono localizzate in regioni calde.

La necessità tuttavìa di ottenere però una maggiore produttività rispetto alla crescita delle microalghe, ha portato allo sviluppo di fotobioreattori chiusi. Nei fotobioreattori (tipicamente di forma tubolare) l'ambiente di crescita dei microorganismi è meglio controllato rispetto alle vasche aperte. Poiché questi sistemi sono chiusi, tutto ciò di cui le alghe hanno bisogno per crescere (anidride carbonica, acqua, luce e nutrienti) è introdotto nel sistema dall'esterno in modo controllato con diversi sistemi di pompaggio così come l'ossigeno viene a sua volta rilasciato. Ad oggi sono stati sperimentati diversi tipi di fotobioreattori per la coltivazione delle alghe ed esistono alcuni impianti industriali [Janssen et al. (2003), Choi et al. (2003), Carvalho et al. (2006), e Hankamer et al. (2007)]. I costi per la fabbricazione e la gestione dei fotobioreattori sono tuttavia molto elevati ai contrario di quelli per le vasche all’aperto anche se l'efficienza e i rendimenti dei fotobioreattori rispetto ai sistemi di vasche aperte sono potenzialmente superiori. Tra i fotobioreattori più efficienti è utile ricordare quelli a pannelli che presentano un elevato rapporto superficie/volume. Rispetto ai fotobioreattori tubolari ci sono alcuni vantaggi. I pannelli di questo genere sono, infatti, illuminati principalmente da un lato dalla luce solare diretta e hanno il vantaggio che possono essere posizionati verticalmente o inclinati di un angolo ottimale rispetto alla luce del sole per ottimizzare il processo fotosintetico dì crescita. I fotobioreattori sono tipicamente pensati per essere utilizzati per le fasi di crescita vegetative delle microalghe.

Descrizione dell’invenzione

La presente invenzione riguarda un nuovo tipo di sistema di vasca chiusa, ad ambiente e luce controllati, ideata per la coltura di microalghe su larga scala indoor della microalga del ceppo Haematococcus pluvialis durante lo stadio “rosso” di coltivazione e di accumulazione della molecola di Astaxantina nella biomassa prodotta durante la fase vegetativa di crescita (dicasi anche I-CPS e cioè “ Indoor Closed Pond System”). L’I-CPS sfrutta, come indicato in fig. 1 , un sistema di illuminazione interna e di temperatura controllata per ottimizzare il grado di accumulo e concentrazione della molecola potenzialmente ottenibile alla conclusione dello stadio “red” di produzione. Quest’invenzione corrisponde alla struttura di base di una semplice vasca chiusa tipicamente utilizzata in queste colture con i vantaggi però dei fotobioreattori (sistema chiuso con monitoraggio dell’ambiente interno e della luce), incluso il controllo delle condizioni ambientali interne. I Costi di questa nuova tecnologia sono inferiori rispetto ai fotobioreattori di uguale capacità mentre i benefici associati sono elevati. La struttura di base dell’invenzione è fatta di una vasca a forma parallelepipeda di plexiglass ma può essere riprodotta anche in materiali diversi. La Lunghezza e la larghezza può essere Oggi questo tipo di vasche sono fondamentalmente divisi in alcune tipologie: vasche all’aperto rettangolari, vasche con piste (dove circolano le alghe o i nutrienti) e di tipo circolari. Queste vasche sono veri e propri stagni artificiali di solito poco profondi perché le alghe hanno bisogno di essere esposte alla luce del sole il più possibile. Gli stagni sono alimentati in modo continuo, con CO2 e nutrienti da una parte, mentre l’acqua contenente le alghe viene rimossa all'altra estremità. In generale i sistemi delle vasche all’aperto -anche se non molto efficienti - sono facili da usare e hanno un costo inferiore rispetto a quello dei fotobioreattori. Questi sistemi sono di fatto gli unici sistemi utilizzati neH’ambito della produzione su larga scala dell’ Haematococcus pluvialis. La fase “rossa” di tali coltivazione è infatti ottenute in vasche o serre chiuse esposte alla luce del sole secondo processi naturali di stress esterni. Per tale ragione tali coltivazioni su larga scala utilizzano larghe superfici di terreni e sono localizzate in regioni calde.

La necessità tuttavia di ottenere però una maggiore produttività rispetto alla crescita delle microalghe, ha portato alio sviluppo di fotobioreattori chiusi. Nei fotobioreattori (tipicamente di forma tubolare) l'ambiente di crescita dei microorganismi è meglio controllato rispetto alle vasche aperte. Poiché questi sistemi sono chiusi, tutto ciò di cui le alghe hanno bisogno per crescere (anidride carbonica, acqua, luce e nutrienti) è introdotto nel sistema dall’esterno in modo controllato con diversi sistemi di pompaggio così come l'ossigeno viene a sua volta rilasciato. Ad oggi sono stati sperimentati diversi tipi di fotobioreattori per la coltivazione delle alghe ed esistono alcuni impianti industriali [Janssen et al. (2003), Choi et al. (2003), Carvalho et al. (2006), e Hankamer et al. (2007)]. I costi per la fabbricazione e la gestione dei fotobioreattori sono tuttavia molto elevati al contrario di quelli per le vasche all’aperto anche se l'efficienza e i rendimenti dei fotobioreattori rispetto ai sistemi di vasche aperte sono potenzialmente superiori. Tra i fotobioreattori più efficienti è utile ricordare quelli a pannelli che presentano un elevato rapporto superficie/volume. Rispetto ai fotobioreattori tubolari ci sono alcuni vantaggi. I pannelli di questo genere sono, infatti, illuminati principalmente da un lato dalla luce solare diretta e hanno il vantaggio che possono essere posizionati verticalmente o inclinati di un angolo ottimale rispetto alla luce del sole per ottimizzare il processo fotosintetico di crescita. I fotobioreattori sono tipicamente pensati per essere utilizzati per le fasi di crescita vegetative delle microalghe.

Descrizione dell’invenzione

La presente invenzione riguarda un nuovo tipo di sistema di vasca chiusa, ad ambiente e luce controllati, ideata per la coltura di microalghe su larga scala indoor della microalga del ceppo Haematococcus pluvialis durante lo stadio “rosso” di coltivazione e di accumulazione della molecola di Astaxantina nella biomassa prodotta durante la fase vegetativa di crescita (dicasi anche I-CPS e cioè “ Indoor Closed Pond System’). L’I-CPS sfrutta, come indicato in fig. 1 , un sistema di illuminazione interna e di temperatura controllata per ottimizzare il grado di accumulo e concentrazione della molecola potenzialmente ottenibile alla conclusione dello stadio “red” di produzione. Quest’invenzione corrisponde alla struttura di base di una semplice vasca chiusa tipicamente utilizzata in queste colture con i vantaggi però dei fotobioreattori (sistema chiuso con monitoraggio dell’ambiente interno e della luce), incluso il controllo delle condizioni ambientali interne. I Costi di questa nuova tecnologia sono inferiori rispetto ai fotobioreattori di uguale capacità mentre i benefici associati sono elevati. La struttura di base dell'invenzione è fatta di una vasca a forma parallelepipeda di plexiglass ma può essere riprodotta anche in materiali diversi. La Lunghezza e la larghezza può essere ampia e variabile a seconda della zona interna disponibile. Il fondo della vasca è dotato di una matrice di iniettori sia per la CO2 che per lo scambio di ossigeno e l'immissione di ulteriori agenti. Nella parte superiore della vasca invece, un apposito sistema di aspirazione, permette di prelevare l'ossigeno prodotto dalla coltivazione e la CO2 in eccesso non metabolizzata. Nessun meccanismo di pompaggio meccanico o idraulico di miscelazione viene considerato nella struttura di base in quanto l’iniezione stessa delia CO2 ricopre anche tale funzione. La vasca è riposta su una struttura tale da permettere l’esposizione a irradiazioni luminose anche della sua parte inferiore e consentire il posizionamento delle tubazioni per il collegamento alla matrice dei diversi iniettori con un conseguente incremento della resa produttiva, determinata in particolare dal controllo dell'aumento della radiazione luminosa e degli altri agenti. La CO2 immessa nella vasca e non metabolizzata viene inoltre recuperata e riciclata nella vasca con evidenti risparmi energetici e di approvvigionamento.

Versione a cascata

L’invenzione può essere utilizzata e assemblata come modulo base per costruire un sistema a cascata di vasche chiuse, ad ambiente e luce controllati, di tipo indoor per la coltivazione della microalga del ceppo Haematococcus pluvialis e simili durante lo stadio “rosso” di coltivazione e di accumulazione della molecola di Astaxantina nella biomassa prodotta durante la fase di crescita vegetativa (dicasi anche I-CCPS e cioè " Indoor Cascade Closed Pond System”). Il sistema è particolarmente adatto per grandi produzioni industriali di Astaxantina. Il nuovo sistema a cascata consente, infatti, un processo continuo ed efficiente di coltura dell’ Haematococcus pluvialis durante la cosiddetta fase “rossa” del ciclo produttivo necessario alla produzione di Astaxantina all'interno della biomassa. Diversi moduli base sono disposti ad un'altezza leggermente differente e collegati tra loro come indicato in figura 2. L'uscita del primo modulo è collegato all'ingresso del secondo e così via. Apertura e chiusura di ogni connessione è controllata da valvole opportunamente temporizzate attraverso un sistema manuale, automatico o un mix di entrambi. Ad esempio, considerando un periodo di crescita “red” dell’alga di 10 giorni e un sistema I-CCPS costituito da 20 vasche collegate, è possibile osservare il seguente ciclo operativo. Al giorno 1 la percentuale di coltivazione estratta dalla fase verde è spostato in vasca 1. Dopo 12 ore in vasca 1 sottoposta ad iniezione di CO2 e intensa illuminazione, la prima valvola si apre e la coltivazione viene spostata nella vasca 2 generando una miscelazione naturale e morbida senza danni alle cellule. La vasca 1 sarà poi riempita con nuova coltivazione proveniente dalla fase verde. Andando avanti con questo metodo, alla vasca 1 avremo sempre nuove cellule verdi provenienti dalla fase di sviluppo verde, mentre nell'ultima vasca avremo sempre la coltivazione e la materia rossa pronta per la raccolta. I passaggi intermedi a cascata garantiscono un'adeguata miscelazione naturale e la maturazione della coltura evitando eccessivi sedimenti sul fondo della vasca, grazie anche ad un'adeguata pendenza delle vasche tali da garantire il loro svuotamento completo. L’Illuminazione sarà assicurata dall’alto e dal basso per ogni fase produttiva del processo (vedi Fig.2).

L’invenzione nella versione base e a cascata (I-CPS e I-CCPS) fornisce una soluzione alternativa alla tecnologia dei fotobioreattori chiusi per la coltivazione dell'Haematococcus pluvialis nell’ambito della citata fase “rossa” del ciclo produttivo e all’attuale tecnologia delle vasche outdoor. L'invenzione è adatta per un'applicazione in colture industriali su larga scala di Haematococcus pluvialis e simili di tipo indoor in quanto può consentire oltre a un potenziale maggiore resa produttiva rispetto alla tecnologie delle vasche chiuse outdoor, una riduzione delle superfici di coltivazione grazie al sistema a cascata e la possibilità di coltivazione anche in regioni con temperature miti. L’invenzione consente riduzioni importanti dei costi limitando l’utilizzo dei fotobioreattori alla sola fase di crescita vegetativa dell’alga mentre per quella rossa è utilizzata esclusivamente la tecnologia I-CPS e I-CCPS. L’invenzione permette inoltre una riduzione dei costi di manutenzione degli impianti a causa di una maggiore facilità di pulizia dei macchinari con conseguenti economie in termini di tempo, personale e utilizzo di agenti anti-microbici.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. SISTEMA CHIUSO DI VASCA A MODULO SINGOLO PER USO INDUSTRIALE INDOOR NELLA COLTIVAZIONE DELLA MICROALGA HAEMATOCOCCUS PLUVIALIS Si rivendica un nuovo tipo di sistema singolo di vasca chiusa, coperta ad ambiente e luce controllati, ideata per la coltura di microalghe su larga scala indoor della microalga del ceppo Haematococcus pluvialis e simili durante lo stadio “rosso” di coltivazione e di accumulazione della molecola di Astaxantina nella biomassa prodotta durante la fase vegetativa di crescita (dicasi anche I-CPS e cioè “Indoor Closed Pond System”). Si rivendica l'intero sistema della vasca e la sua struttura. Trattasi di un impianto per la coltivazione di microalga Haematococcus pluvialis e simili costituito da una vasca a forma parallelepipeda di polimetilmetacrilate (PMMA), comunemente noto con il nome di plexiglass. Il fondo della vasca è dotato di una matrice di iniettori sia per la CO2 che per l'immissione di ulteriori agenti. Nella parte superiore della vasca invece, un apposito sistema di aspirazione, permette di prelevare l'ossigeno prodotto dalla coltivazione e la CO2 in eccesso non metabolizzata. Nessun meccanismo di pompaggio meccanico o idraulico di miscelazione viene considerato nella struttura di base in quanto l’iniezione stessa della CO2 ricopre anche tale funzione. Lo vasca è riposta su una struttura tale da permettere l'esposizione a irradiazioni luminose anche della parte inferiore della vasca e consentire il posizionamento delle tubazioni per il collegamento alla matrice dei diversi iniettori con un conseguente incremento della resa produttiva, determinata in particolare dal controllo dell'aumento della radiazione luminosa e degli altri agenti.
2. 2. Si rivendica un sistema continuo a cascata di vasche chiuse del tipo singolo “I-CPS”. Tale nuovo sistema a cascata consente un processo continuo ed efficiente di coltura su larga scala (dicasi anche “I-CCPS” e cioè “ Indoor Cascade Closed Pond System”). Diversi moduli base “I-CPS” sono disposti ad un'altezza leggermente differente e collegati tra loro. L'uscita del primo modulo è collegato all'ingresso del secondo e così via. Apertura e chiusura di ogni connessione è controllata da valvole opportunamente temporizzate attraverso un sistema manuale, automatico o un mix di entrambi. Ad esempio, considerando un periodo di crescita “red” dell'alga di 10 giorni e un sistema “I-CCPS” costituito da 20 vasche collegate, è possibile osservare il seguente ciclo operativo. Al giorno 1 la percentuale di coltivazione estratta dalla fase verde è spostato in vasca 1. Dopo 12 ore in vasca 1 sottoposta ad iniezione di CO2 e intensa illuminazione, la prima valvola si apre e la coltivazione viene spostata nella vasca 2, generando una miscelazione naturale e morbida senza danni alle cellule. La vasca 1 sarà poi riempita con nuova coltivazione proveniente dalla fase verde. Andando avanti con questo metodo, alla vasca 1 avremo sempre nuove cellule verdi provenienti dalla fase di sviluppo verde, mentre nell’ultima vasca avremo sempre la coltivazione e la materia rossa pronta per la raccolta. I passaggi intermedi a cascata garantiscono un'adeguata miscelazione naturale e la maturazione della coltura evitando eccessivi sedimenti sul fondo della vasca, grazie anche ad un’adeguata pendenza delle vasche tali da garantire il loro svuotamento completo. L'Illuminazione e gli altri agenti di coltura sono assicurati per ogni fase produttiva del processo secondo la logica del modulo singolo I-CPS e sulla base delle degli stadi produttivi in cui si trova la biomassa nelle diverse vasche.
3. 3. Le vasche costituenti la struttura base del sistema I-CPS potranno essere riprodotte anche in forme, materiali e misure diverse per lunghezza, altezza o larghezza in relazione agli spazi disponibili e alle necessità produttive richieste.