ITRM20100584A1

ITRM20100584A1 - "metodo e relativo impianto per la coltivazione di microrganismi fotosintetici"

Info

Publication number: ITRM20100584A1
Application number: IT000584A
Authority: IT
Inventors: Poli Fabrizio De
Original assignee: Poli Fabrizio De
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-05-05
Also published as: WO2012059949A1; EP2635667A1; IT1402640B1; US20130177966A1

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: METODO E RELATIVO IMPIANTO PER LA COLTIVAZIONE DI MICRORGANISMI FOTOSINTETICI;

DESCRIZIONE

Argomento e obiettivi dell'invenzione Oggetto di questa invenzione 6 un metodo e relativo impianto per la coltivazione di microrganismi fotosintetici finalizzato alla fornitura di prodotti energetici, chimici, alimentari e di chimica fine, ed alla fissazione biologica dell'anidride carbonica.

Secondo il trovato, la coltivazione avviene in un foto bioreattore tubolare chiuso, atto a contenere un mezzo o brodo di coltura, il quale 6 dotato di sistemi di movimentazione del brodo di coltura e di raccolta della biomassa, che fanno parte integrante dell'impianto stesso.

Stato dell'arte nel campo della coltivazione di microrganismi fotosintetici

La coltivazione di alghe e di altri microrganismi fotosintetici 6 di particolare attualiti, perch6 costituisce la via preferenziale per la trasformazione dell'energia solare in sostanza organica.

L'efficienza del sistema fotosintetico di microrganismi acquatici 6 nettamente superiore a quella che si riscontra nelle piante tradizionalmente coltivate sul suolo, con alta produzione di biomassa; tale elevata produzione comporta contemporaneamente una maggiore e pih completa fissazione della COr, con riduzione delle emissioni climalteranti.

Esistono molteplici attiviti di coltivazione massiva di microalghe o batteri fotosintetici, del tipo Spirulina maximum, Spirulina platensis, Dunaliella salina, Botrycoccus braunii, Chlorella vulgaris, Chlorella pyrenoidosa, Serenastrum capricomutum, Scenedesmus auadricauda, Prophyridium cruentum, Scenedesmus acutus, Dunaliella sp.,Scenedesmus obliquus, Anabaenopsis Aulostra, Cylindrospermum, Scenecoccus sp., Scenecosystis sp. e Tolypothrix. Tali attiviti sono finalizzate, nella maggior parte dei casi, alla fornitura di prodotti ad alto valore aggiunto o di chimica fine; tuttavia i costi di produzione elevati, ed una serie di problemi di carattere tecnico, hanno finora limitato la diffusione di impianti destinati alla messa a disposizione di mangimi animali o prodotti energetici.

Le tecniche generali di produzione delle suddette microalghe consistono essenzialmente nel sospendere ad opportuna concentrazione le cellule in un apposito mezzo liquid0 di coltura, in presenza di anidride carbonica e di radiazione luminosa, comunemente quella solare.

La coltivazione avviene oggi prevalentemente in vasche aperte, che presentano per6 numerosi problemi biologici e gestionali. Questi sistemi aperti sono sensibili infatti a contaminazioni di altre specie di alghe o di animali nocivi, per cui solo alghe con specifici requisiti per lo sviluppo possono essere coltivate. Quindi, per esempio l'alga Dunaliella 6 coltivata per la produzione di betacarotene sotto condizioni saline, che non sono accettabili per la maggior parte degli altri organismi.

Dal punto di vista economico, il costo per la produzione di biomassa da alghe 6 piuttosto alto (pih di 2000 USD per tonnellata), cosicch6 una produzione commerciale per molte applicazioni, specie nel settore energetic0 o nel settore dei trasoporti non 6 praticabile.

Da pi^ parti vengono proposti foto bioreattori, nei quali gli organismi sono coltivati in tubi o sacche chiusi con un elevato rapport0 superficievolume e realizzati con diversi materiali trasparenti per consentire alla luce solare di penetrare nel mezzo di coltura fornendo l'energia richiesta dai microrganismi per fissare l'anidride carbonica nelle molecole organiche.

Due sono le tipologie pic studiate: i fotobioreattori orizzontali che consistono di uno o pih tubi orizzontali chiusi ed i reattori verticali miscelati ad aria (bubble column) a cui appartengono ad esempio i reattori anulari oggetto del brevetto WO 2004/074423, che permettono di ridurre notevolmente gli spazi utilizzati ed i volumi di coltura da gestire. Tuttavia tali reattori sono generalmente utilizzati per livelli di produzione limitati e non sono ancora stati applicati a colture su larga scala e su ampie superfici, a causa di una serie di problemi di scaling-up non ancora risolti.

In particolare sono da risolvere, sia nelle coltivazioni in vasca, sia nei fotobioreattori, i problemi relativi alla agitazione/miscelazione/movimentazione del brodo di coltura, quando questi vengono realizzati su ampie superfici, e se si considera il bilancio energetic0 complessivo.

Inoltre 6 ancora aperto il problema della concentrazione/raccolta della biomassa, la cui densitÃ all'interno della coltura 6 molto pi^ bassa di quella che si riscontra in analoghi processi industriali.

Un sistema di cultura di microrganismi fotosintetici in fotobioreattori tubolari orizzontali, 6 gii stato descritto nelle sue linee generali nel brevetto italiano n . 1.0 94.2 8 6 del 23/3/1978 (inventori Biondi L., De Poli F., Di Corato A., Veronica G. - Procedimento per favorire la crescita di microorganismi fotosintetici e organismi simili) .

Secondo tale brevetto, Per evitare l'instaurazione di regimi termici sensibilmente diversi da quello ottimale all'interno del tubo di coltura, specialmente durante la notte dove la dispersione di calore attraverso la parete dei tubi puh bilanciare l'apporto di calore attraverso l'irradiazione solare diurna, si prevede di disporre esternamente e coassialmente a1 tubo in materiale plastico trasparente che contiene il brodo d i coltura, un second0 tubo dello stesso o di diverso materiale plastico trasparente avente diametro maggiore e spessore pih sottile e predisponendo nel tubo esterno opportune giunzioni, non necessariamente a tenuta, in mod0 da ottenere fra i due tubi una intercapedine piena di aria stagnante. La coltura viene cosi contenuta in una specie di collettore solare nel quale viene sfruttato "l'effetto serra." Un sistema di coltura siffatto tuttavia non 6 stato in grado di risolvere una serie di altri problemi, legati ad esempio alla movimentazione della biomassa nel brodo di coltura ed alla regolazione della quantiti di energia assorbita dallo stesso brodo, che ne hanno di fatto impedito a tutt'oggi l'effettiva utilizzazione.

Compito del presente trovato 6 quello d i apportare ad un reattore tubolare, sia che utilizzi un tubo semplice che un tubo coassiale, delle modifiche e innovazioni che siano in grado di superare in combinazione i problemi che erano stati riscontrati nella realizzazione di questa tipologia di impianti.

Secondo il presente trovato, si fornisce un metodo atto a favorire la crescita di microrganismi fotosintetici ed in particolare delle microalghe, di fotobatteri ed organismi simili in un fotobioreattore chiuso, attraverso la circolazione entro tubi di materiale plastico trasparente della sospensione di detti organismi in un opportuno mezzo di coltura, caratterizzato dal fatto di:

operare l'agitazione/miscelazione del brodo di coltura i n detto fotobioreattore in maniera impulsiva e non continua, garantendo alta efficienza e bassi consumi energetici

separare la biomassa prodotta dal brodo di coltura mediante setacciatura con un sistema di setacci ad inclinazione differenziale, garantendo alta efficienza, basso costo e minimi consumi energetici

immettere COr con totale dissoluzione della stessa, all'interno del sistema tubolare in cui circola la sospensione nel suo mezzo di coltura, introducendo anche mezzi di tamponatura in detto mezzo di coltura;

estrarre l'ossigeno prodotto nella fotosintesi a basso costo in mod0 naturale mediante sfioratori distribuiti lungo il sistema tubolare percorso dal mezzo di coltura;

controllare la temperatura all' interno del sistema tubolare del fotobioreattore per non raggiungere temperature nocive alla crescita di microorganismi modificando la concentrazione della biomassa nel brodo di coltura mediante il detto sistema di setacci in mod0 da aumentare la trasparenza della coltura e di ridurre l'energia solare assorbita.

Costituisce parte integrante del presente trovato un impianto costituito da un fotobioreattore chiuso p e r l a coltivazione d i microorganismi fotosintetici, in particolare microalghe, fotobatteri ed organismi simili e dai mezzi in grado di attuare il metodo sopraindicato.

Esamineremo o r a dettagliatamente t a l i caratteristiche innovative ed i problemi da esse congiuntamente risolti.

Sistema di agitazione e movimentazione della biomassa

Tutti gli impianti per la coltivazione di microrganismi fotosintetici prevedono un sistema di agitazione della biomassa, per consentire alle singole cellule di venire in contatto con la luce in quantitÃ appropriata; un eccesso di luce infatti si traduce in una perdita di produzione, per incapaciti dell'alga d i assorbire l a massima quantiti d i energia, ed eventualmente per fotoinibizione; mentre l'auto-ombreggiatura della coltura produce zone di scarsa attiviti fotosintetica, con conseguente degradazione della coltura; il sistema di agitazione normalmente consente anche la movimentazione della biomassa, per permettere un flusso che ne consenta la corretta crescita e la raccolta.

Nei sistemi aperti (vasche) questo si ottiene normalmente con sistemi di pale rotanti. Nei sistemi tubolari si ricorre invece a sistemi di pompaggio, che devono mantenere un'elevata velociti di flusso per evitare sedimentazione o flottazione della biomassa; tale elevata velociti si deve trasmettere su condotte di lunghezza anche superiore ad alcuni chilometri, con conseguente forte dispendio d'energia, mentre gli organismi coltivati devono passare pih volte attraverso pompe che possono danneggiare le loro strutture.

Secondo il presente trovato, la movimentazione avviene invece in mod0 impulsivo, con rapidi spostamenti di colonna d'acqua seguiti da tempi pic o meno lunghi di arresto della circolazione; l'intensiti e la frequenza degli impulsi dipende dalla densiti apparente dell'organismo coltivato (che puh essere maggiore o minore del brodo di coltura, con conseguente tendenza alla sedimentazione o alla flottazione, anche a seguito della presenza, in alcuni casi, di vescicole gassose o di granuli lipidici all'interno degli organismi); indicativamente, si puh ipotizzare uno o pic impulsi all'ora, della durata di 2 - 3 minuti, con riduzione dei consumi energetici di almeno un ordine di grandezza.

L'impulso puh essere generato in diversi modi: - attraverso una pompa di grandi dimensioni temporizzata, oppure

- mediante il riempimento di serbatoi posti in posizione pih elevata rispetto a1 piano di appoggio del fotobioreattore, che vengono scaricati attraverso l'apertura temporizzata di valvole, o mediante sifoni autoinnescanti; quest'ultima soluzione 6 quella che presenta, normalmente, minori costi e maggiore efficienza.

L'impulso trasmesso a1 tubo di coltivazione genera un movimento turbolento che agita l'intera coltura anche a rilevanti distanze dal punto di immissione, consentendo un'ottimale miscelazione della coltura e il distacco di eventuali patine di microorganismi formatesi lungo le pareti.

Raccolta della biomassa

La biomassa puh essere raccolta con diversi sistemi, mutuati da analoghi processi industriali, quali centrifugazione, flottazione, flocculazione o filtrazione; tuttavia tutti questi sistemi, gii disponibili a livello commerciale, sono difficilmente applicabili a colture la cui densitÃ 6 dell'ordine di pochi grammi/litro.

Secondo una caratteristica peculiare del trovato, il sistema proposto da questa invenzione prevede invece la setacciatura mediante dei setacci ad inclinazione variabile, realizzati con tele filtranti non intasabili.

Vantaggiosamente i setacci (due o pih, disposti in successione) hanno inclinazioni diverse: il primo ha un'inclinazione minore (indicativamente 10 - 15"), per consentire un elevato sgrondo del mezzo di coltura, ed una preconcentrazione della biomassa, che scivola verso il telaio successive; questo ha un'inclinazione superiore (indicativamente 30 - 80°), perch6 il materiale in alimentazione 6 gi2 stato concentrato, e si richiede quindi il trattamento di un flusso minore, mentre la naturale discesa della biomassa, sempre pih concentrata, richiede - pendenze crescenti.

I1 numero dei setacci e la trama delle reti di setacciatura sono dipendenti dalle dimensioni degli organismi coltivati, e devono essere adattati alla specie prescelta.

Secondo una ulteriore caratteristica dell'invenzione, questi setacci possono inoltre svolgere la funzione di una separazione selettiva sia delle forme pic giovani rispetto a quelle pic mature, sia di eventuali specie non gradite che possono aver contaminato la coltura.

Assorbimento della C02

Poich6 la produzione fotosintetica avviene attraverso la fissazione della COz, quest'ultima, che viene normalmente fornita alla coltura stessa, deve rimanere disponibile per l'assorbimento da parte degli organismi.

Secondo il trovato, a1 fine di facilitare l'assorbimento della COz nel mezzo di coltura, si ricorre all'artificio di introdurre nel brodo di coltura un tampone carbonato- bicarbonato, finalizzato a110 scopo di aumentare l'assorbimento di COz, come ad esempio un tampone carbonato-di sodio -bicarbonato di sodio. In questo mod0 non potendosi disperdere nell'atmosfera, tutta la C02 insufflata come nutriente all'interno d e i tubi viene completamente assorbita dai microorganismi.

Allontanamento dell'ossigeno dalla coltura

La fotosintesi produce anche grandi quantiti di ossigeno, che devono essere allontanate dalla coltura sia per ragioni idrauliche (formazione di sacche di gas che rallentano la circolazione) sia per una possibile inibizione biologica del processo, riportata da alcuni autori.

Nell'impianto che si descrive, l'estrazione dell'ossigeno avviene in mod0 naturale in alcuni tratti del fotobioreattore, ricorrendo a semplici sfioratori collegati a vasi d'espansione per evitare fuoriuscite di liquid0 in coincidenza con gli impulsi di agitazione.

Controllo della temperatura

Uno dei maggiori problemi che permangono, nelle colture in reattori tubolari, 6 l'eccesso di temperatura nella stagione estiva e nelle ore di maggiore insolazione perch6 le alte temperature possono in molti casi determinare la morte della coltura stessa.

Nella presente invenzione si prevede di controllare 1 a temperatura modificando la concentrazione di biomassa attraverso la scelta dei setacci di separazione. Infatti selezionando opportunamente le dimensioni della trama ed il numero delle reti di setacciatura, 6 infatti possibile diminuire la concentrazione di biomassa e di conseguenza aumentare la trasparenza della coltura, il che permette di ridurre di conseguenza la quantiti di energia assorbita dal brodo di coltura.

Materie plastiche impiegate

I1 maggior costo di questa tipologia impiantistica ii costituito dalla parte attiva dell'impianto, vale a dire dai tubolari plastici che costituiscono il collettore: vantaggiosamente la presente invenzione prevede quindi la possibiliti di realizzare i tubi dell'impianto, in alternativa alla plastica vergine, con plastica riciclata, con particolare riferimento a1 PET (polietilentereftalato), di cui sono disponibili grandi quantiti derivanti dal recupero di materia delle bottiglie per liquidi alimentari (acqua, bevande gassose), caratterizzato d a elevata trasparenza e resistenza agli agenti fisici; la creazione di un mercato per questi materiali si inquadra perfettamente negli obiettivi comunitari dei aumento della percentuale di riciclaggio dei rifiuti, mentre l'impiego per usi non alimentari rende meno stringenti gli aspetti di possibili contaminazioni del materiale riciclato.

Descrizione dettagliata dell'invenzione

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue sulla base delle tavole di disegni allegati che illustrano a solo titolo di esempio non limitativo una preferita forma di realizzazione del trovato.

Nelle tavole:

La fig. 1 6 una vista in pianta di una installazione sperimentale impiegata per la coltivazione di microalghe comprendente una pluralitÃ di circuiti;

la fig. 2 6 una vista laterale schematica dell'installazione di fig. 1;

la fig. 3 6 una vista in sezione di un sifone autoinnescante;

la fig. 4 6 una vista laterale di una vasca di raccolta contenente il filtro impiegato per l'addensamento dell'alga;

la fig. 5 6 una vista in pianta della stessa vasca di fig. 4.

Con riferimento alle figure, l'apparato per la coltivazione di microorganismi fotosintetici second0 il trovato 6 costituito da una pluralitÃ di serpentine tubolari orizzontali 6, preferibilmente in plastica riciclata, che sono poggiate su un foglio di plastica bianca disteso sul terreno. La lunghezza media di ciascun ram0 di serpentina puh variare da qualche decina di metri a centinaia.

I1 tubo di mandata 8 di ogni unit2 a serpentina 6 collegato a1 tubo di scarico 10 di un sifone autoinnescante 12 di tip0 convenzionale, posizionato all'interno di una vasca 14 di carico posta in posizione pih elevata rispetto a1 piano di campagna su cui si trova il tubo a serpentina 6. La vasca 14 una volta riempita di acqua viene scaricata mediante questo sifone autoinnescante 12 o in alternativa, mediante l'apertura temporizzata di una valvola 14.

I1 tubo 16 di uscita di ogni unit2 a serpentina 6 raggiunge invece una vasca 18 di distribuzione della coltura che si trova ad un livello intermedio fra quello della vasca 14 e quello del gruppo di filtraggio. Questo 6 costituito da due setacci 20, 22 aventi inclinazioni diverse: il primo 20 dell'ordine di 10-15" per consentire una preconcentrazione iniziale della biomassa ed il second0 22, dell'ordine di 30-8O0, per facilitare la discesa naturale della biomassa, sempre pih concentrata, fuori dalla vasca 24 di raccolta del brodo di coltura, posizionata a livello del piano di campagna per il suo utilizzo. Attraverso una pompa 32 il brodo di coltura viene poi rinviato dalla vasca 24 alla vasca di carico 14.

Vantaggiosamente, l'ossigeno prodotto durante la fotosintesi viene estratto mediante dei semplici sfioratori 26 che sono collegati a vasi di espansione 30 per impedire che possa fuoriuscire del liquid0 in coincidenza con gli impulsi di agitazione.

E' evidente da quanto sin qui descritto, come l'impianto per la coltivazione di microorganismi fotosintetici second0 la presente invenzione, con il ricorso ad una movimentazione impulsiva del mezzo di coltura, opportunamente tamponato per facilitare 1' assorbimento della C O r , in combinazione con l'utilizro di setacci ad inclinazione differenziale per la separazione selettiva della biomassa prodotta e per il controllo della temperatura e di semplici sfioratori per allontanare l'ossigeno prodotto lungo il percorso di coltura, consenta di risolvere tutti i problemi che avevano sin qui ostacolato l'effettivo impiego di un impianto fotosintetico a sviluppo orizzontale per la coltura di microorganismi fotosintetici e costituisce un importante passo avanti nella sostenibiliti della produzione di bioenergia.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la coltivazione di microrganismi fotosintetici quali microalghe, fotobatteri ed organismi simili, attraverso la circolazione entro tubi di materiale plastico trasparente della sospensione di detti organismi in un opportuno mezzo di coltura, caratterizzato dal fatto che prevede di: - operare lâ€™agitazione/miscelazione di detta sospensione nel mezzo di coltura in detti tubi in maniera impulsiva e non continua, - separare la biomassa prodotta dal mezzo di coltura mediante setacciatura con un sistema di setacci ad inclinazione differenziale, - immettere CO2con totale dissoluzione della stessa, allâ€™interno dei tubi in cui circola la sospensione di detti microrganismi nel proprio mezzo di coltura, introducendo anche soluzioni tampone in detto mezzo di coltura; - estrarre lâ€™ossigeno prodotto nella fotosintesi in modo naturale mediante sfioratori distribuiti lungo i tubi percorsi dal mezzo di coltura; - controllare la temperatura allâ€™interno dei tubi per non raggiungere temperature nocive alla crescita dei microorganismi fotosintetici modificando la concentrazione della biomassa nel mezzo di coltura mediante il detto sistema di setacci in modo da aumentare la trasparenza del mezzo di coltura e di ridurre lâ€™energia solare assorbita.
2. Metodo come alla rivendicazione 1 nel quale lâ€™agitazione e la miscelazione del mezzo di coltura nei tubi trasparenti avvengono mediante un sistema impulsivo, ottenuto attraverso sistemi di pompaggio temporizzato o tramite lo svuotamento intermittente di contenitori posti ad un livello superiore a quello del piano di campagna su cui poggiano gli stessi tubi.
3. Metodo come alla rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che il flusso impulsivo avviene mediante lâ€™utilizzo di un sifone autoinnescante che consente il rapido svuotamento di contenitori posti ad un livello superiore a quello dei tubi percorsi dal mezzo di coltura.
4. Metodo come alla rivendicazione 2 nel quale lâ€™intensitÃ e la frequenza degli impulsi dipende dalla densitÃ apparente dellâ€™organismo coltivato, che puÃ² essere maggiore o minore del mezzo di coltura, con conseguente tendenza alla sedimentazione o alla flottazione.
5. Metodo come alla rivendicazione 1 in cui vengono sfruttate la geometria tubolare e la presenza di un mezzo di coltura tamponato con un tampone carbonato-bicarbonato per consentire la completa dissoluzione della CO2e la disponibilitÃ di nutrienti allâ€™interno di tutto il circuito.
6. Metodo come alla rivendicazione 1 nel quale la raccolta della biomassa prodotta, il mantenimento della concentrazione di progetto e il controllo di eventuali specie inquinanti avvengono attraverso un sistema di setacci a inclinazione differenziale con tele filtranti non intasabili.
7. Metodo come alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti sfioratori per lâ€™estrazione dellâ€™ossigeno prodotto sono collegati a vasi dâ€™espansione per evitare fuoriuscite di liquido in coincidenza con gli impulsi di agitazione.
8. Impianto per la coltivazione di microrganismi fotosintetici attraverso la circolazione entro tubi di materiale plastico trasparente, caratterizzato dal fatto che Ã ̈ dotato in combinazione di mezzi per la movimentazione impulsiva del brodo di coltura allâ€™interno del tubo entro il quale circola lo stesso brodo di coltura, di mezzi per la separazione selettiva della biomassa ed il controllo della temperatura del brodo di coltura, e di mezzi per lâ€™ottimizzazione dellâ€™utilizzo dei nutrienti nel brodo di coltura ed il mantenimento di condizioni ottimali della concentrazione della CO2 e dellâ€™ossigeno nel tubo di coltura, per favorire la crescita degli organismi prescelti.
9. Impianto come alla rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che i tubi fotosintetici sono realizzati prevalentemente con plastica ottenuta da operazione di recupero di rifiuti.
10. Impianto come alla rivendicazione 8 nel quale detti mezzi impulsivi per lâ€™agitazione e la miscelazione del brodo di coltura, comprendono mezzi di pompaggio temporizzato o mezzi per lo svuotamento intermittente di contenitori posti ad un livello superiore a quello del piano di campagna su cui poggia lâ€™impianto stesso.
11. Impianto come alla rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che prevede un sifone autoinnescante che consente il rapido svuotamento di contenitori posti ad un livello superiore a quello del piano di campagna per ottenere un flusso impulsivo.
12. Impianto come alla rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto che comprende una pluralitÃ di setacci a inclinazione differenziale, realizzati con tele filtranti non intasabili, per la raccolta della biomassa prodotta, il mantenimento della concentrazione di progetto e il controllo di eventuali specie inquinanti.
13. Impianto come alla rivendicazione precedente nel quale detti setacci sono atti a aumentare la trasparenza della coltura riducendo conseguentemente lâ€™energia solare assorbita per controllare la temperatura allâ€™interno dei tubi.