ITMI20071278A1 - Procedimento per la coltivazione di microalghe - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la coltivazione di microalghe.
Più in particolare, la presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la coltivazione di microalghe atte ad essere utilizzate nella produzione di biomasse.
Più in particolare ancora, la presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la coltivazione di microalghe alimentate con acque industriali provenienti da impianti petroliferi, ad esempio da impianti di raffineria.
Sono noti gli studi per la coltivazione delle alghe e microalghe, si veda, ad esempio, w. J. Oswald, “Journal of Applied Phycology” 15, 99-106, 2003. Generalmente, le coltivazioni di microalghe utilizzano acque dolci o salate addizionate con nutrienti e sali minerali e, quando necessario, di vitamine e vengono realizzate in vasche aperte di grandi dimensioni, ad esempio da 10 a 100 m di lunghezza e da 3 a 30 m di larghezza, con profondità comprese fra 0,2 e 0,5 m, sotto irraggiamento solare. Oltre alle acque, alle vasche si alimenta l’anidride carbonica, stoccata, in forma liquida o gassosa, in serbatoi dedicati o reperita dai gas esausti di una lavorazione industriale, ad esempio da centrali elettriche a metano, eventualmente diluita con aria. Onde avere il massimo di disponibilità di C02per la microalga, la fase gassosa viene fatta gorgogliare attraverso la massa liquida attraverso condotte forate immerse nella vasca di crescita.
La coltivazione delle microalghe richiede pochi componenti essenziali costituiti oltre che da luce e C02, come detto sopra, da sali e sostanze a base di azoto e fosforo. Le esigenze nutrizionali minime possono essere individuate sulla base della seguente formula grezza della biomassa algale:
CO0,48^1,83^0,11^0,01
Le colture algali necessitano quindi di P e N in quantità ottimali per crescere alla velocità necessaria per mantenere alte concentrazioni di biomassa. Questo principio può essere sfruttato per la rimozione di composti azotati o fosforati da acque reflue industriali a condizione che altri composti presenti nell’acqua non determinino livelli di tossicità che ostacolino la crescita o la funzionalità della cellula algale.
La Richiedente ha ora trovato, come meglio illustrato nelle allegate rivendicazioni, che l’utilizzo di acque industriali di impianti petroliferi, in particolare di raffineria, costituisce una valida fonte almeno di tali nutrienti azotati. Si è infatti trovato che la coltivazione di microalghe in sistemi di laboratorio avviene con produttività sostanzialmente invariata, rispetto ai casi tradizionali che impiegano soluzioni acquose dedicate di nutrienti azotati, utilizzando per questi scopi le acque reflue, ad esempio di raffineria.
Come è noto, le acque reflue civili ed industriali subiscono un primo processo di grigliatura che consente di separare il materiale inquinante di grossa dimensione, tipo legno, plastica, carta, cui segue un trattamento (primario) che prevede la sedimentazione di solidi sospesi grossolani e altri solidi, quindi segue un processo di trattamento (secondario) nel quale avviene l’ossidazione biologica dei composti organici generalmente quantificabili tramite il BOD (Biologica! Oxigen Demand) e il COD (Chemical Oxigen Demand). All’uscita di questi due trattamenti, le acque passano alla fase di eliminazione dei nutrienti (composti azotati e fosforati, trattamento terziario), infine, prima dello scarico, il processo può prevedere, in funzione dell 'utilizzo finale dell’acqua, un trattamento di finissaggio (disinfezione, eccetera).
Si è trovato, quindi, che alcune acque industriali parzialmente purificate emergenti dal processo di trattamento secondario contengono una quantità di derivati dell’azoto, generalmente in concentrazione compresa fra 0,1 e 0,5 mg/1, ottimale perché tali acque siano impiegate come fonte di nutriente azotato per la coltivazione delle microalghe e che queste riescano a proliferare in questo tipo di acqua. Questo risultato è da considerasi sorprendente perché questi reflui industriali contengono, oltre ai nutrienti azotati, altri inquinanti, come cloruri, solfati, metalli pesanti, idrocarburi, fenoli, eccetera, non sempre adatti se non addirittura tossici nei confronti di molte specie viventi.
in generale, i nutrienti azotati sono presenti come NH3e derivati dell’ammoniaca, ad esempio come sali organici ed inorganici di ammonio.
Nella maggior parte dei casi, perché la crescita algale avvenga, è necessario integrare il refluo industriale con il nutriente fosforo laddove questo non sia presente nel refluo industriale, in generale si alimentano soluzioni di sali del fosforo solubili in acqua, come i fosfati di metalli alcalini o alcalino terrosi, ad esempio fosfati di sodio, potassio, calcio, magnesio, o fosfati di ammonio.
A fine crescita, con la conseguente assimilazione e rimozione dei nutrienti (azoto e fosforo), le acque reflue vengono separate e possono essere sversate nei bacini idrici superficiali o sottoposte a trattamento di finissaggio che consente il loro riciclo - riuso.
Di seguito si riportano due esempi illustrativi e non limitativi della presente invenzione che dimostrano la crescita di due specie algali, una di acqua dolce Qscenecfesmus sp.') e una di acqua salina ( Tetraselmis sk.') su un effluente industriale.
La sperimentazione di seguito descritta si riferisce alla caratterizzazione di ceppi microalgali in mezzi di coltura non convenzionali. Più precisamente il mezzo di coltura impiegato è stata l’acqua reflua proveniente da un impianto di trattamento reflui industriali.
Le acque provenienti dall’unità trattamento reflui hanno le seguenti caratteristiche:
Tabella 1 - Caratteristiche acque reflue industriali
Per verificare la proliferazione delle alghe in questo mezzo di coltura sono state eseguite prove in laboratorio impiegando per la crescita appositi sistemi (Bottiglie Roux) costituiti da recipienti in vetro da 3 litri ciascuno. L’agitazione della coltura era garantita dal gas (miscela C02in aria al 2%) che veniva fatto fluire al loro interno. Essi erano provvisti, inoltre, di un sistema di refrigerazione per impedire che la temperatura delle colture non superasse i 30°C. Ogni unità era provvista di sensori per la misura della temperatura e del pH.
La fonte di carbonio per la crescita delle alghe era fornita direttamente dalla C02che veniva immessa nel mezzo di coltura sotto controllo di pH.
L’energia radiante per consentire alla coltura di fissare il carbonio mediante la reazione di fotosintesi veniva fornita mediante un sistema di illuminazione artificiale (lampada alogena marca JB da 100 watt, posta a 50 cm dalla bottiglia Roux) acceso 24 ore su 24 con un’intensità luminosa di 17000 lux.
Esempio 1 - Ceppo di acqua dolce ( Scenedesmus sp.') È stato utilizzato il ceppo di collezione Scenedesmus sp. L’inoculo da immettere nei sistemi di coltura veniva preparato nel modo seguente:
un campione di coltura monoalgale precedentemente conservato a -85°C in una soluzione al 10% di glicerina veniva scongelato lasciandolo a temperatura ambiente, quindi veniva sottoposto a centrifugazione per allontanare il surnatante. La pasta cellulare così ottenuta veniva inoculata in tre beute da 250 mi contente 50 mi di soluzione contenente nutrienti.
La coltura veniva fatta crescere in camera climatica illuminata ad una temperatura costante di 30°C in presenza di C02allo 0,5% in aria.
Dopo una settimana circa la beuta raggiungeva una concentrazione di 0,3 g/1, questa coltura veniva utilizzata come inoculo per tre beute da 1 litro contente 500 mi di soluzione contente nutrienti e posta in camera climatica.
Dopo 2 giorni la coltura presentava una concentrazione di 0,5 g/1, questa coltura costituiva l’inoculo delle bottiglie Roux da 3 litri usati nella sperimentazione.
L’inoculo, preparato come sopra descritto, è normalmente impiegato nelle condizioni di letteratura (1) sotto riportate:
Condizioni di crescita di letteratura
inoculo: 10% in volume nel mezzo M4N sotto descritto:
Mezzo di coltura tipo M4N:
KNO3, 5,0 g/1;
KH2P04, 1,25 g/1;
CaCl2, 0, 01 g/1 ;
FeS04-7H20 0, 003 g/1 ;
MgS04· 7H20 2 , 5 g/1 ;
Microelementi : lml/1 del la seguente sol uzione : H3BO32 , 86 g, MnCl2»4H20 1, 81 g, CUS04» 5H20 80 mg, znS04»7H20 220 mg, Na2Mo04210 mg, FeS04»7H20 25g, EDTA 33 , 5g e 1 goccia di H2S04concentrato per litro.
Acqua: potabile
pH di esercizio: 7,8
È stato trovato che queste condizioni possono essere migliorate in termini di pH di lavoro e mezzo di coltura come riportato negli esempi seguenti. Le variazioni per le condizioni di crescita ottimizzate sono:
Riduzione del contenuto di KNO3, da 5,0 a 1,5 g/1;
Aggiunta del K2HPO4, 0,1 g/1;
Riduzione del contenuto di MgS04»7H20, da 2,5 a 1,5 g/1;
Riduzione del pH di esercizio: da 7,8 a 7,0.
Flusso miscela gassosa: 16 litri/ora.
Per la presente sperimentazione sono state allestiti tre sistemi di coltura con le seguenti condizioni di crescita:
Prova 1 Ccondizioni standard, controllo.<'>)
inoculo: 10% in volume preparato come descritto in precedenza. Mezzo di coltura M4N ottimizzato:
KNO3, 1, 5 g/1 ;
KH2P04, 1, 25 g/1 ;
K2HPO4, 0 , lg/1 ;
CaCl2, 0, 01 g/1 ;
FeS04-7H20, 0, 003 g/1 ;
MgS04· 7H20 , 1, 5g/l ;
Microelementi : lml/1 del la seguente sol uzione : H3BO32 , 86 g, MnCl2»4H20 1, 81 g, CUS04» 5H20 80 mg, znS04»7H20 220 mg, Na2Mo04210 mg, FeS04»7H20 25g, EDTA 33 , 5g e 1 goccia di H2S04concentrato per l itro.
Acqua per la preparazione del mezzo di coltivazione: potabile
pH di esercizio: 7, 0;
Flusso miscela gassosa 16 l i tri /ora.
Prova 2 (test con acque reflue nutrienti inoculo: 10% in volume preparato come descritto in precedenza.
Mezzo di coltura: Acque provenienti dall’impianto di trattamento acque industriali a valle del trattamento secondario con composizione riportata in Tabella 1;
pH di esercizio: 7,0
Mezzo di coltura M4N ottimizzato:
KNO3, 1, 5 g/1 ;
KH2P04, 1, 25 g/1 ;
K2HPO4, 0 , lg/1 ;
CaCl2, 0, 01 g/1 ;
FeS04-7H20, 0, 003 g/1 ;
MgS04· 7H20 , 1, 5g/l ;
Microelementi: lml/1 della seguente soluzione: H3BO32,86 g, MnCl2»4H20 1,81 g, CUS04»5H20 80 mg, znS04»7H20 220 mg, Na2Mo04210 mg, FeS04»7H20 25g, EDTA 33 , 5g e 1 goccia di H2S04concentrato per litro.
Acqua per la preparazione del mezzo di coltivazione: industriale (vedi tabella 1).
pH di esercizio: 7,0;
Flusso miscela gassosa 16 li tri /ora.
Prova 3 (test con acque reflue senza nutrienti.<'>) inoculo: 10% in volume preparato come descritto in precedenza.
Mezzo di coltura: non somministrato dall’esterno pH di esercizio: 7,0
Acqua per la preparazione del mezzo di coltivazione: industriale (vedi tabella 1).
Flusso miscela gassosa: 16 litri/ora.
Risultati della sperimentazione
Campioni di coltura delle tre prove venivano prelevati e sottoposti a misure di densità ottica tramite uno spettrofotometro varian C 900 in modo da poter seguire l’andamento della crescita al gal e.
Oltre a questa misura sono stati eseguite misure di peso secco per determinare l’effettiva concentrazione raggiunta dalle colture, in tabella 2 vengono riassunti i risultati raccolti.
Tabella 2 - Riassunto risultati sperimentazione con Scenedesmus
Dalle misure si evince chiaramente che sia il ritmo di crescita che la concentrazione finale della coltura nel mezzo costituito da acque reflue industriali sono confrontabili con la crescita e la concentrazione finale della coltura di controllo. Si dimostra quindi che il ceppo utilizzato secondo la presente invenzione, nelle condizioni di processo indicate, può essere coltivato anche in acque reflue industriali con prestazioni in termini di produttività confrontabili con quelle ottenute utilizzando condizioni di coltivazione tipiche di laboratorio.
È da segnalare che nel caso che si utilizzi acqua reflua senza nutrienti (Roux 3) le cinetiche di crescita risultano inferiori rispetto agli altri due casi esaminati (Roux 1 e 2).
Esempio 2 - ceppo di acqua di mare ( TetraseJmis su.) È stato utilizzato il ceppo di collezione Tetraselmis su. L’inoculo da immettere nei sistemi di crescita veniva preparato nel modo seguente: un campione di coltura monoalgale precedentemente conservato a -85°C in una soluzione al 10% di glicerina veniva scongelato lasciandolo a temperatura ambiente, quindi veniva sottoposto a centrifugazione per allontanare il surnatante. La pasta cellulare così ottenuta veniva inoculata in tre beute da 250 mi contente 50 mi di soluzione contenente nutrienti.
La coltura veniva fatta crescere in camera climatica illuminata ad una temperatura costante di 30°C in presenza di C02al 0,5% in aria.
Dopo una settimana circa la beuta raggiungeva una concentrazione di 0,3 g/1, questa coltura veniva utilizzata come inoculo per tre beute da 1 litro contente 500 mi di soluzione contente nutrienti e posta in camera climatica.
Dopo 2 giorni la coltura presentava una concentrazione di 0,5 g/1, questa coltura costituiva l’inoculo dei sistemi di crescita da 3 litri usati nella sperimentazione.
L’inoculo, preparato come sopra descritto, è normalmente impiegato nelle condizioni di letteratura (2) sotto riportate.
Condizioni di crescita di letteratura
inoculo: 10% in volume nel mezzo F/2 sotto descritto:
Mezzo di coltura F/2 :
NaNO, 600 mg/1;
NaH2P04x H2O 26,5 mg/1;
Feci, x 6H,O 6,3 mg/1 (1,3 mg Fe);
Na2EDTA 8,72 mg/1;
vi tarm ne 0,5 mi della seguente soluzione: Thi ami ne-HCl 0,2 g/1;
Bi oti na 1,0 mg/1;
B12 1,0 mg/1;
Microelementi 0,5 mi della seguente soluzione:
CuS04 x 5H20 19,6 mg/1 (0.005 mg/1 Cu);
ZnS04 x 7H20 44 mg/1 (0.01 mg/1 Zn);
CoCl2 x 6H20 20 mg/1 (0.005 mg/1 Co);
MnCl2 x 4H20 360 mg/1 (0.1 mg/1 Mn);
Na2Mo04 x 2H2012,6 mg/1 (0.005 mg/1 Mo);
Sali marini per acqua di mare (sintetica) 33 g/1); pH di esercizio: 7,8;
Acqua per la preparazione del mezzo di coltivazione: potabile
Per la presente sperimentazione sono state allestiti tre sistemi con le seguenti condizioni di crescita:
Prova 1 (condizioni standard, controllo.) inoculo: 10% in volume nel mezzo F/2 descritto in precedenza.
Mezzo di coltura F/2.
pH di esercizio: 7,8;
Flusso miscela gassosa: 16 litri/ora.
Acqua per la preparazione del mezzo di coltivazione: potabile
Prova 2 (test con acque reflue più nutrienti, ROUX 2 1
inoculo: 10% in volume nel mezzo F/2 descritto in precedenza.
Mezzo di coltura F/2.
pH di esercizio: 7,8
Flusso miscela gassosa: 16 litri/ora.
Acqua per la preparazione del mezzo di coltivazione: industriale (vedi tabella 1).
Prova 3 (test con acque reflue senza nutrienti.<'>) inoculo: 10% in volume nel mezzo F/2 descritto in precedenza.
Mezzo di coltura: non somministrato dall’esterno pH di esercizio: 7,8;
Flusso miscela gassosa: 16 litri/ora.
Acqua per la preparazione del mezzo di coltivazione: industriale (vedi tabella 1).
Risultati della sperimentazione
Campioni di coltura delle tre prove venivano prelevati e sottoposti a misure di densità ottica tramite uno spettrofotometro varian C 900 in modo da poter seguire l’andamento della crescita algale.
Oltre a questa misura sono stati eseguite misure di peso secco per determinare l’effettiva concentrazione raggiunta dalle colture, in tabella 3 vengono riassunti i risultati raccolti.
Anche per il caso del ceppo marino si possono trarre le stesse conclusioni del ceppo di acqua dolce, il ceppo presenta la stessa cinetica di proliferazione sia in acqua di mare che nel mezzo costituito da acqua reflua industriale additivata con il terreno di crescita F/2. Da notare che nel caso del mezzo costituito da sola acqua reflua (Prova 3) la cinetica di crescita è meno elevata rispetto agli altri due casi.
Claims (8)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la coltivazione di microalghe che comprende la semina di un ceppo algale in ambiente acquoso e il processo di crescita, sotto irraggiamento solare, alimentando in continuo un flusso gassoso costituito essenzialmente da anidride carbonica ed una corrente di nutrienti a base di azoto costituita da acque reflue di impianti industriali, che li contengono, provenienti dai processi di trattamento secondario.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui i processi industriali sono gli impianti petroliferi o le raffinerie.
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui le alghe sono scelte fra le alghe clorofite.
- 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni provenienti, in cui le alghe sono le clorofite da ceppi di collezione scelti fra Tetraselmis suecica, Scenedesmus sp, Phaeodactyl um tricornutum, chlorella vulgaris, oppure da ceppi autoctoni individuati nei pressi dell’impianto industriale.
- 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’ambiente acquosa è costituito da acqua reflua industriale a salinità da 1 g/1 a 28 g/1.
- 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, che comprende alimentare ulteriormente una seconda corrente acquosa di nutrienti contenente in soluzione sali di fosforo in concentrazione compresa fra 0,01 e 0,05 g/1.
- 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il flusso gassoso contiene da 6 a 100 % in volume di C02.
- 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le acque reflue sono acque di raffineria.
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