ITUB20150681A1 - Impianto e procedimento per la produzione di microrganismi in acquacoltura - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell?invenzione industriale dal titolo: ?Impianto e procedimento per la produzione di microrganismi in acquacoltura?
Campo dell'invenzione
La presente invenzione riguarda la produzione di microrganismi in acquacoltura. L'invenzione ? stata sviluppata con particolare riguardo, anche se non esclusivamente, alla produzione intensiva in acquacoltura di microrganismi quali cianobatteri e microalghe.
Sfondo tecnologico
E' noto che molti microrganismi quali cianobatteri e microalghe sono fonte di sostanze dalle propriet? altamente utili di cui vi ? elevata richiesta, tra l'altro, per impiego alimentare o farmaceutico. Esempi di microrganismi la cui coltivazione ? diffusa da tempo sono Arthrospira platensis e Arthrospira maxima, comunemente noti con il nome di spirulina.
Nella forma di produzione pi? semplice, spirulina viene coltivata in vasche riempite d'acqua con caratteristiche che riproducano l'ambiente di crescita naturale del microrganismo. In particolare, l'ambiente di coltura ? costituito da una soluzione di sali minerali in acqua in grado apportare tutti i nutrienti necessari alla crescita e alla moltiplicazione del microrganismo. L'alimento principale della spirulina ? il carbonio di cui la normale sorgente ? l'anidride carbonica presente disciolta nell'acqua. I processi di crescita e moltiplicazione del microrganismo avvengono grazie a processi di fotosintesi, favoriti dalla presenza di luce e da una temperatura ottimale compresa tra i 25 e i 37 ?C. La profondit? dell'acqua nelle vasche non pu? quindi superare un certo valore, per garantire un'adeguata penetrazione di luce nell'acqua. Normalmente il livello d'acqua nelle vasche per coltivazione di spirulina si aggira attorno ai 20 cm. L'acqua nelle vasche deve inoltre essere mantenuta in costante agitazione per consentire una omogenea esposizione alla luce di tutta la spirulina contenuta nelle vasche.
La produzione intensiva e in grandi quantit? di spirulina avviene in siti dove su ampi spazi sono predisposte grandi o grandissime vasche all'aperto. La grande estensione superficiale delle vasche ? una necessaria conseguenza dell'impossibilit? di aumentare la profondit? dell'acqua di coltivazione oltre poche decine di centimetri. Questo tipo di produzione ? soggetto a vari problemi. Le vasche all'aperto non sono protette, e quindi non consentono di ottenere elevate qualit? di prodotto. Inoltre, mantenere in agitazione l'acqua in vasche cos? grandi, dove le perdite di carico per attrito sono notevoli, richiede un dispendio di energia non indifferente. Non da ultimo, le vasche all'aperto sono soggette alle condizioni meteo e alle variazioni di temperatura stagionali, che consentono una produzione ottimale solo per alcuni mesi all'anno. Infatti, una temperatura elevata, ad esempio oltre i 43?C pu? determinare la morte del microrganismo, mentre la velocit? di moltiplicazione si riduce al ridursi della temperatura rispetto a quella ideale. A 20?C la crescita di spirulina praticamente si arresta. In una coltivazione di spirulina all'aperto, pi? la stagione si mantiene climaticamente all'interno delle temperature sopra indicate, pi? il periodo di raccolta si prolunga. Chiaramente, le zone climatiche continentali, temperate, d'alta quota e desertiche sono svantaggiate per la produzione di spirulina, o perch? il periodo di raccolta ? ridotto a causa della bassa temperatura per buona parte dell'anno, oppure perch? il calore elevato provoca la morte dei microrganismi o quantomeno una veloce evaporazione dell'acqua nelle vasche, che devono quindi continuamente essere rabboccate.
Il problema di un clima troppo freddo pu? essere compensato artificialmente, come per tutti i prodotti vegetali, con la costruzione di vasche e bacini posti all'interno di serre, che costituiscono non solo una protezione contro il freddo, l'evaporazione, gli insetti e la polvere, ma anche contro i diluvi di pioggia, che possono riempire rapidamente le vasche all'aperto facendole traboccare, con le conseguenti perdite di prodotto.
La realizzazione di vasche o bacini in serra pu? favorire la produzione di qualit? pi? elevata di microrganismi. Le serre pi? moderne consentono di regolare con molta precisione i parametri di coltivazione, ma in genere richiedono un elevato dispendio di energia per la regolazione della temperatura all'interno mediante sistemi di riscaldamento, ventilazione, condizionamento, deumidificazione, e per la regolazione dell'intensit? luminosa mediante sistemi di oscuramento ed illuminazione artificiale. La coltivazione di microrganismi in serra ? quindi stata sinora limitata a produzioni medio-piccole.
Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un impianto per la produzione di microrganismi che risolva i problemi della tecnica nota sopra evidenziati. Un altro scopo dell'invenzione ? quello di realizzare un impianto per la produzione di microrganismi che sia conveniente, semplice da realizzare ed economico nella sua conduzione. Un altro scopo dell'invenzione ? quello di realizzare un impianto per la produzione intensiva di microrganismi in cui siano costantemente controllabili e facilmente regolabili i parametri di coltivazione, quali ad esempio ma non limitativamente il livello di nutrienti ed il pH dell'acqua di coltivazione, la temperatura dell'acqua, il grado di illuminazione, ecc.
Nel seguito della presente descrizione, per semplicit? di esposizione, faremo riferimento alla coltivazione di spirulina, ma le considerazioni che verranno esposte, e le caratteristiche dell'invenzione, potranno senz'altro essere applicate alla coltivazione di altre specie di microrganismi, ed in particolare, ma non limitativamente, cianobatteri e microalghe.
Riassunto dell'invenzione
Nelle sperimentazioni condotte dalla richiedente, in particolare ma non esclusivamente per la produzione intensiva di microrganismi di elevata qualit? e riproducibilit?, sono state utilizzati recipienti, quali vasche e bacini di coltivazione in acquacoltura sotto serra.
Secondo un aspetto particolare, ? previsto che un impianto per la coltura di microrganismi in acquacoltura comprenda almeno un recipiente in cui viene posto un mezzo di coltura liquido adatto alla crescita di microrganismi. La serra in cui ? posto il recipiente ? dotata di un sistema di controllo delle condizioni ambientali interne. Questo consente di regolare con precisione il processo di accrescimento dei microrganismi e quindi ottenere la suddetta elevata qualit? e riproducibilit?.
Nelle sperimentazioni condotte dalla richiedente, si ? sorprendentemente riscontrato che il limite oggettivo che ha impedito nel passato l'adozione di serre anche molto ampie per contenere e coprire le vasche di produzione dei microrganismi non ? tanto il costo di impianto, ossia il costo iniziale di fabbricazione delle vasche e della serra che le contiene, quanto piuttosto ? e in misura preponderante ? il costo di esercizio, principalmente dato dai costi per il riscaldamento e l'illuminazione delle serre al fine di garantire una produzione su tutto l'arco dell'anno anche in zone climaticamente svantaggiate.
Per risolvere questo inconveniente, la richiedente ha individuato una sorgente di calore ed elettricit? che per le sue caratteristiche si sposa perfettamente con le caratteristiche di coltivazione in serra di microrganismi. La sorgente di energia ? un impianto di produzione di biogas per digestione anaerobica, in particolare ma non limitativamente di biomasse vegetali, comunemente detto biodigestore. E' comune trovare questi impianti installati nelle aziende agricole, che sono esse stesse produttrici autonome delle biomasse con cui alimentare i biodigestori.
Secondo un aspetto particolare, ? descritta la combinazione sinergica di un impianto biodigestore con una coltivazione in serra di microrganismi in acquacoltura.
Pi? in dettaglio, l'almeno una serra ? associata ad un impianto di produzione di biogas per digestione anaerobica, che produce energia elettrica per l'alimentazione di apparecchiature montate nella serra, e che produce energia termica per il riscaldamento della serra. A condizioni particolari, e con adeguati controlli di qualit?, ? anche possibile utilizzare l'impianto di produzione di biogas per la produzione d i anidride carbonica adatta ad essere utilizzata nel mezzo di coltura liquido per l'apporto del fabbisogno nutritivo per i microrganismi e la regolazione del pH.
Vantaggiosamente, l'impianto per la produzione di biogas ? posto in prossimit? dell'almeno una serra, preferibilmente ma non limitativamente nell'ambito territoriale della stessa azienda agricola o consorzio di aziende agricole.
Secondo un aspetto particolare, la serra comprende organi di ombreggiamento, controllabili dal sistema di controllo delle condizioni ambientali interne. La serra pu? comprendere lampade per l'illuminazione artificiale, anch'esse controllabili dal sistema di controllo delle condizioni ambientali interne, il quale pu? anche controllare un'apparecchiatura di condizionamento dell'aria all'interno della serra.
Secondo un aspetto particolare, la serra comprende un'apparecchiatura di riscaldamento, anch'essa controllabile dal sistema di controllo delle condizioni ambientali interne. Questa apparecchiatura di riscaldamento pu? essere vantaggiosamente uno scambiatore di calore alimentato dall'energia termica prodotta dall'impianto di produzione di biogas.
Secondo un altro aspetto particolare, i microrganismi prodotti sono cianobatteri e/o microalghe. Essi possono comprendere in particolare Arthrospira platensis o Arthrospira maxima (spirulina). La produzione di spirulina con l'impianto descritto ? risultata particolarmente abbondante, poich? non risente, se non in minima parte, delle condizioni ambientali esterne alla serra. L'impianto descritto ? quindi particolarmente utile per la produzione di microrganismi in acquacoltura, ed in particolare di spirulina, nei paesi non tropicali, dove tipicamente le temperature e la quantit? di luce nell'anno sono molto inferiori a quelle dell'ambiente naturale di crescita di spirulina.
Secondo un aspetto particolare, viene descritto un recipiente per il mezzo di coltura liquido che ? una vasca con capacit? di almeno 1000 l. Preferibilmente, la vasca ? conformata ad anello e comprende mezzi di generazione di un flusso di liquido circolante nella vasca ad anello. Il tutto viene alimentato vantaggiosamente dall'energia elettrica generata a basso costo, e in prossimit? delle serre, dall'impianto di produzione di biogas.
Viene anche descritto un procedimento per la produzione di microrganismi in un impianto del tipo sopra menzionato, le cui principali fasi comprendono:
- predisporre un inoculo di almeno un microrganismo;
- predisporre un terreno di coltura liquido adatto alla crescita di detto almeno un microrganismo;
- inoculare il microrganismo nel terreno di coltura liquido all'interno dell'almeno un recipiente dell'almeno una serra;
- attendere un periodo di tempo di ambientazione e crescita predeterminato del microrganismo, controllando le condizioni ambientali all'interno dell'almeno una serra;
- prelevare una quantit? di microrganismo dall'almeno un recipiente; - ripristinare almeno parte del terreno di coltura liquido nell'almeno un recipiente.
Breve descrizione delle figure
Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue di una forma di attuazione preferita dell'invenzione, data a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, in cui:
- la figura 1 ? una rappresentazione schematica di un impianto biodigestore utilizzabile nella presente invenzione, e
- la figura 2 ? una rappresentazione schematica di un impianto di produzione di microrganismi comprendente un impianto biodigestore secondo la figura 1 associato ad una serra entro cui sono posizionate vasche di coltivazione di microrganismi in acquacoltura.
Descrizione dettagliata
Un impianto di digestione anaerobica dei rifiuti, detto anche semplicemente biodigestore, ? caratterizzato sostanzialmente da tre sezioni principali: una sezione di ricezione e pretrattamento, una sezione di preparazione del substrato, di digestione anaerobica e di produzione di energia, ed una sezione di disidratazione, biossidazione accelerata, postmaturazione, raffinazione, stoccaggio prodotti e scarti. Gli impianti di digestione anaerobica sono di molti tipi, e le loro caratteristiche specifiche sono note agli esperti del settore. Nella presente descrizione dettagliata ci limiteremo ad evidenziarne gli elementi pi? salienti che concorrono, al di l? delle peculiarit? di ciascun particolare biodigestore, alla realizzazione dell'impianto di produzione di microrganismi in acquacoltura secondo la presente invenzione.
Con riferimento alla figura 1, con il numero di riferimento 10 ? indicato complessivamente un impianto per la produzione di biogas o biodigestore, che attua un processo di digestione anaerobica di biomasse generalmente vegetali, preferibilmente ma non limitativamente prodotte nelle vicinanze del sito presso cui ? realizzato l'impianto di produzione di microrganismi della presente invenzione. E' vantaggioso realizzare la produzione di biomasse all'interno della medesima azienda o consorzio di aziende che gestiscono il biodigestore, in modo da avere la garanzia di indipendenza nell?approvvigionamento della filiera dei substrati che servono al funzionamento del biodigestore. Ancor pi? vantaggiosamente, conviene realizzare anche l'impianto di produzione di microrganismi della presente invenzione all'interno della medesima azienda o consorzio di aziende, che in questo modo possono sfruttare autonomamente parte della produzione del biodigestore, come risulter? pi? chiaro nel seguito.
Il biodigestore 10 comprende un fermentatore 12, al quale viene alimentato materiale in modo noto. Ad esempio, materiale di alimentazione solido pu? essere alimentato secondo la freccia A utilizzando una tramoggia 14 che immette il materiale di alimentazione in un serbatoio di alimentazione 15. Di l?, il prodotto di alimentazione viene trasferito ad un miscelatore 16, eventualmente integrato con il serbatoio di alimentazione 15. Il materiale di alimentazione viene dosato in modo continuo e viene inviato nel fermentatore 12 mediante una sistema di trasporto 18, quale una coclea, una pompa, un trasportatore, o altri mezzi noti, regolati da un sistema di controllo non illustrato in figura per semplicit? di rappresentazione. Il miscelatore 16 pu? eventualmente essere combinato con un sistema di triturazione e/o compattazione, o altri sistemi di pretrattamento dei solidi di alimentazione. E' anche possibile alimentare il fermentatore 12 con liquidi, ad esempio deiezioni animali o altri fluidi organici.
Il fermentatore 12 pu? essere realizzato secondo varie modalit?, note nel settore dei biodigestori. Esso ad esempio pu? essere formato da un recipiente 20 dotato di una chiusura ermetica 22. Il biogas prodotto nel fermentatore 12 pu? essere inviato ad un serbatoio di stoccaggio 24, anche detto gasometro, dopo un eventuale trattamento in uno scrubber 23. Il serbatoio di stoccaggio ? ad esempio dotato di una copertura 26. La copertura 26 pu? essere realizzata ad esempio con una doppia membrana di polietilene, di cui la membrana interna garantisce lo stoccaggio del biogas, mentre la membrana esterna protegge dagli agenti atmosferici. Le due membrane della copertura 26 sono separate da un volume d?aria compresso, che ha la funzione di mantenere la pressione costante interna al serbatoio di stoccaggio 24. In sostanza il serbatoio di stoccaggio 24 agisce come polmone che attutisce la discontinuit? di produzione di biogas da parte del fermentatore 12 e la richiesta di biogas da parte dell'utenza. Altre configurazioni sia del fermentatore 12 che del serbatoio di stoccaggio 24 sono naturalmente possibili a seconda delle dimensioni dell'impianto, della quantit? e qualit? di biogas prodotto, dalle richieste dell'utenza, dal sito di impianto, e cos? via. A mero titolo di esempio, il fermentatore 12 pu? essere realizzato in modo tale che la chiusura ermetica 22 del recipiente 20 venga sostituita dalla copertura a doppia membrana descritta sopra con riferimento alla copertura 26. In questo caso, il contenitore 20 funge sia da fermentatore che da gasometro, con una pressione interna che viene mantenuta pressoch? costante nel tempo.
I l biogas prodotto dal fermentatore 12 ed eventualmente immagazzinato nel serbatoio di stoccaggio 24 viene prelevato per una certa parte dalle utenze all'uscita B. Una parte del biogas prodotto viene trattenuta, ed utilizzata per l?alimentazione di uno o pi? motori 28. Si possono ad esempio utilizzare motori a combustione interna, alimentati appunto dal biogas prelevato dal serbatoio di stoccaggio 24, o in alcuni casi direttamente dal fermentatore 12. Uno o pi? alternatori 30 sono accoppiati in modo noto all'uno o pi? motori 28 per la produzione di energia elettrica E. In alternativa, come noto, si pu? usare la parte di biogas trattenuta nell'impianto per l'alimentazione indiretta di celle a combustibile. In questo caso la tecnologia pi? nota ? quella dell'impiego del biogas in un reformer per la produzione di syngas, a sua volta utilizzato nelle celle a combustibile per la generazione di energia elettrica E. Questi ed altri metodi per la produzione di energia elettrica da biodigestore sono noti agli esperti del settore e non verranno ulteriormente dettagliati.
Nella produzione di energia elettrica, ad esempio mediante il motore 28, viene generata anche energia termica. Una buona parte dell?energia termica generata viene utilizzata per la produzione di acqua calda. Una parte dell'acqua calda viene inviata tramite un circuito di riscaldamento 32 ad uno scambiatore di calore 34 contenuto nel fermentatore 12. Lo scambiatore di calore 34 consente di mantenere il digestore ad una temperatura compresa fra circa 37 e 40 ?C, che ? ottimale per la digestione anaerobica delle biomasse nel fermentatore 12. Il circuito di riscaldamento 32 pu? comprendere raffreddatori 38 addizionali, di tipo generalmente noto nel settore, per regolare la temperatura dell'acqua di mandata in ingresso nel fermentatore 12 e la temperatura dell'acqua di ritorno inviata nuovamente al motore 28.
Un'altra parte dell'acqua calda generata dal motore 28 pu? essere prelevata da un'uscita acqua calda HW ed inviata ad un gruppo scambiatore di calore 36 esterno, la cui funzione verr? meglio precisata nel seguito. L'acqua di ritorno dal gruppo scambiatore di calore 36, a temperatura pi? bassa della temperatura dell'acqua all'uscita HW, pu? rientrare nell'impianto attraverso l'ingresso acqua fredda CW.
Il prodotto residuo della fermentazione nel fermentatore 12, detto digestato, dopo avere ceduto il proprio contenuto calorico viene raccolto in un recipiente di accumulo 42 per dare origine ad un fertilizzante solido SF e/o liquido LF.
Per abbattere la concentrazione di idrogeno solforato (H2S), che si sviluppa insieme al metano durante la fermentazione anaerobica (nei casi pi? tipici, la concentrazione di metano ? pari a circa 53,0% del volume totale), ? conveniente utilizzare un processo noto di desolforazione biologica, che pu? prevedere l?insufflazione di ossigeno nel fermentatore 12.
Nella figura 2 ? illustrato schematicamente un esempio di impianto per la produzione di microrganismi in acquacoltura, in cui una o pi? serre 40 vengono convenientemente accoppiate all'impianto per la produzione di biogas 10, qui schematizzato in un unico blocco con gli ingressi e le uscite A, B, LF, SF, E, HW, e CW descritti in precedenza. All'interno di ciascuna serra 40 sono poste ad esempio una o pi? vasche 42 per la produzione di microrganismi in acquacoltura, in ambiente controllato. In aggiunta o in alternativa alle vasche 42 possono essere impiegati fotobioreattori noti di vario genere.
Il vantaggio maggiore della presente invenzione risiede nell'adozione di tecniche di acquacoltura in recipienti aperti ed esposti all'aria, come le vasche 42, perch? in questo caso la loro predisposizione all'interno di serre con ambiente controllato consente la produzione di microrganismi su vasta scala col raggiungimento di qualit? particolarmente elevata. Le vasche 42 infatti sono protette dalla contaminazione grossolana da parte di animali, ad esempio dalle deiezioni di volatili o da colonizzazione di rane e altri anfibi, cosa invece piuttosto comune negli impianti di acquacoltura all'aperto.
Inoltre la produzione di microrganismi in acquacoltura trae vantaggio dalla possibilit? di regolare con precisione le condizioni ambientali all'interno della serra 40, ed in particolare i cicli luce/ombra, la temperatura e la ventilazione, in modo tale da ottenere il massimo rendimento nella produzione dei microrganismi.
La serra 40 comprende una centralina elettronica 50, che comanda l'attivazione delle attrezzature della serra 40 a seconda delle istruzioni impostate e delle condizioni rilevate da sensori (non mostrati) di temperatura, umidit?, insolazione, ecc. In particolare, la centralina elettronica 50 pu? comandare l'attivazione e la regolazione di elementi di ombreggiamento e/o ventilazione 52, quali pannelli o tendaggi mobili, di sistemi di condizionamento e/o riscaldamento e/o ventilazione 54, quali ventilatori, pompe di calore, condizionatori, ecc. La centralina elettronica 50 pu? inoltre comandare l'accensione programmata di elementi di illuminazione 56. La centralina elettronica pu? inoltre comandare l'attivazione e la regolazione dello scambiatore di calore 36 alimentato, come si ? detto in precedenza, dall'acqua calda HW in uscita dall'impianto biodigestore 10. La regolazione dello scambiatore di calore 36 pu? avvenire tramite il comando di valvole elettrocomandate (non illustrate) poste sull'uscita HW e/o sull'ingresso CW.
La centralina elettronica 50 controlla e regola anche i parametri di funzionamento della vasca di acquacoltura, come ad esempio la velocit? di un agitatore 58 che controlla il flusso dell'acqua all'interno della vasca 42, conformata preferibilmente ad anello. La centralina elettronica 50 pu? controllare inoltre l'alimentazione alla vasca 42 l'apporto di nutrienti per la crescita dei microrganismi, ad esempio l'apporto di CO2, per mezzo di un impianto di alimentazione non mostrato nelle figure. Anche il prelievo, totale o parziale, di microrganismi attraverso la bocca di prelievo M della vasca 42 pu? essere controllato e regolato, ad esempio in un impianto di produzione ad elevata automazione, dalla centralina elettronica 50.
Naturalmente la centralina elettronica 50 pu? essere materialmente composta da una pluralit? di schede circuitali e da componenti elettronici uniti in un unico involucro, o separati in diversi involucri. La centralina elettronica 50 pu? essere integrata o sostituita da un sistema di elaboratore elettronico o di trasmissione dati, ad esempio controllato da elaboratori elettronici remoti, o tramite applicazioni per smartphone, e altre tecniche note nel settore dei controlli elettronici. Tutto il sistema elettronico ? inoltre, come noto, integrabile con mezzi di immissione dati, mezzi di reportistica, di segnale, di allarme, ecc.
L'associazione fra l'impianto biodigestore 10 e la serra 42 ? particolarmente vantaggioso per la possibilit? di generazione di energia elettrica a basso costo, nelle zone gi? predisposte ed adatte alla costruzione di serre, come le aziende agricole o i consorzi agricoli che tipicamente impiegano e gestiscono i biodigestori. La disponibilit? di ampie distese di terreno su cui posizionare le serre, la predisposizione da parte degli agricoltori alle coltivazioni in serra e l'abitudine ormai consolidata di utilizzare coltivazioni in serra fuori suolo, ed inoltre la disponibilit? a basso costo di biomassa per l'alimentazione dei biodigestori rende particolarmente utile e vantaggioso l'accoppiamento su uno stesso sito di uno o pi? biodigestori 10 con una o pi? serre 40 all'interno delle quali siano disposti uno o pi? impianti di produzione di microrganismi in acquacoltura.
Secondo un aspetto particolarmente vantaggioso, l'impianto dell'invenzione ? dimensionato in modo tale che il calore prodotto dal biodigestore 10 sia sufficiente per garantire nella serra 40 una temperatura costante nei mesi invernali di circa 27 ?C. Questo rappresenta un notevole vantaggio rispetto ai sistemi di produzione di microrganismi di tipo noto, perch? una delle barriere per una produzione intensiva ? proprio la difficolt? o il costo elevato per mantenere una temperatura adeguata alla produzione di microrganismi anche nei mesi invernali, nelle zone non tropicali della terra.
In un impianto biodigestore di mero esempio, e non per questo limitativo, ? possibile ad esempio arrivare ad una produzione termica recuperata, derivante dal circuito di raffreddamento del motore 28, dell'ordine di 2*10<6 >kWh, di cui meno della met? possono essere riutilizzati ai fini del mantenimento delle condizioni di processo nel fermentatore 12, mentre i rimanenti possono essere utilizzati per riscaldare la serra 40. Allo stesso tempo, con il medesimo impianto biodigestore 10 ? possibile produrre, tramite il generatore 30, energia elettrica netta, ossia al netto degli autoconsumi del biodigestore, dell'ordine di 4*10<6 >kWh, ampiamente sufficiente per alimentare le utenze elettriche della serra 40. Anche quest'ultimo aspetto rappresenta un vantaggio notevole rispetto alle produzioni di microrganismi di tipo noto, che sono notoriamente dispendiose per quanto riguarda il consumo di energia elettrica per alimentare un'adeguata illuminazione artificiale nei mesi invernali pi? bui, e/o per alimentare il condizionamento d'aria nei periodi dell'anno pi? caldi o umidi. L'energia prodotta e disponibile a basso costo dal biodigestore consente di illuminare e condizionare anche serre di dimensioni complessivamente molto elevate, con relativa possibilit? di raggiungere elevate produzioni.
In un esempio particolarmente vantaggioso, ma non per questo limitativo dell'impiego della presente invenzione, i microrganismi prodotti mediante l'impianto della presente invenzione sono ceppi di Arthrospira platensis o Arthrospira maxima, comunemente detti spirulina.
Il liquido usato per la produzione di spirulina ? una soluzione di sali minerali disciolti in acqua, in grado di fornire all?alga tutti gli elementi chimici di cui necessita. Il pH del mezzo di coltura ? compreso fra 8.5 e 11.0, con valore ottimale 9.5. La temperatura del liquido di coltura ha una diretta influenza sulla produttivit? di spirulina; l?alga pu? infatti sopravvivere fino a temperature minime di circa 3-5 ?C, tuttavia una crescita apprezzabile si ha solo sopra i 20?C. La crescita ? massima tra i 30 e i 35 ?C. Il superamento dei 39-40 ?C per alcune ore causa grave stress alle cellule, bloccando di fatto la crescita per alcuni giorni. Se la temperatura sale oltre la soglia critica per periodi consecutivi, la condizione di stress causa inevitabilmente la morte della coltura. Per questo motivo la coltivazione di spirulina in vasche 42 poste all'interno di serre 40 controllate in temperatura ? particolarmente apprezzabile nella presente invenzione rispetto alla coltivazione nota in vasche all'aperto.
La luce ? uno dei principali fattori di crescita della coltura: questo parametro viene regolato in base allo stato di benessere delle cellule e viene fortemente influenzato dalla latitudine, dalla zona climatica e dal periodo dell?anno. Diversi studi hanno riscontrato che una luminosit? molto forte, dovuta ad un'irradianza solare massima, con valori prossimi ai 100000 Lux in piena estate e con il sole allo zenit, pu? essere pericolosa in particolare nei seguenti casi:
- su di una coltura a bassa temperatura (sotto i 14-15 ?C, tipicamente al mattino presto), in particolare se esposta improvvisamente dopo un periodo di oscurit?;
- su di una coltura a temperature gi? elevate, in quanto quest?ultima pu? aumentare ulteriormente superando la soglia critica;
- su di una coltura molto diluita (ad esempio con una concentrazione al di sotto dei 0.4 g l-1), in quanto la radiazione incidente totale sarebbe eccessiva rispetto al numero di cellule presenti nella coltura;
- su di una coltura gi? in condizioni di stress per altri fattori, andando ad aggravare lo stato di salute della coltura; e
- su di una coltura non ancora adattata alle condizioni di luce esterne, ad esempio nel caso di nuovo inoculo di microrganismi nelle vasche 42.
D?altra parte, quando la temperatura e la concentrazione delle cellule nella coltura sono nel campo ottimale, gli organismi possono beneficiare della massima esposizione alla luce solare e massimizzare pertanto la produzione di biomassa nell?unit? di tempo.
Per questi motivi, l'adozione della coltura di microrganismi all'interno di serre 40 in ambiente controllato risulta particolarmente vantaggioso rispetto ai sistemi di coltivazione della tecnica nota. Come indicato sopra, le serre 40 sono dotate di un sistema di ombreggiamento 52 , ad esempio comprendente teli oscuranti e/o coibentanti, in grado di ridurre fino al 50% e oltre l?irradianza solare che incide sui sistemi di coltura, in modo da poter controllare al meglio la quantit? di luce durante la fase di avviamento delle colture da nuovo inoculo e durante le ore centrali della giornate estive.
L?agitazione del liquido di coltura consente una corretta distribuzione dei nutrienti e delle cellule algali, consentendo inoltre una omogenea esposizione della coltura alla luce solare, evitando quindi fenomeni di sovra o sotto esposizione. L?agitazione pu? avvenire per mezzo di aria compressa (non mostrata nelle figure) e/o dell'agitatore meccanico 58, per generare dei flussi laminari di ~15 m/min (20-25 cm/sec). Le potenze necessarie alla movimentazione delle colture sono stimabili in circa 2 - 6 kW per impianti della dimensione di 1000 m<2>.
In un impianto tipico di produzione di spirulina in vasche in serra si procede innanzitutto alla preparazione del mezzo di coltura. L?acqua utilizzata deve essere potabile e priva di qualsiasi contaminante e/o inquinante chimico e biologico, preferibilmente con un basso contenuto di ioni calcio, ad esempio inferiore ai 70 mg 1<-1>.
L'acqua in ingresso pu? essere filtrata ed addolcita; in alternativa ? anche possibile utilizzare acqua salmastra (acqua marina diluita o acqua di falda profonda) con concentrazione massima di cloruro di sodio pari a 4-5 g 1<-1>, a patto che siano garantite le condizioni di potabilit? e purezza. Prima di essere immessa in vasca, nell'acqua vengono disciolti sali, la cui natura e proporzione variano a seconda del microrganismo coltivato.
Per garantire la pulizia e l?assenza di contaminazioni, le vasche 42 che ospiteranno la coltura di spirulina vengono preventivamente lavate con una soluzione di ipoclorito di sodio o altre soluzioni di lavaggio. Le vasche 42 vengono poi risciacquate con due lavaggi di acqua ed un lavaggio di acqua filtrata su 1 ?m, nell?ordine. In questa fase ? anche importante testare la tenuta e l?efficienza di tutti i sistemi.
Le vasche 42 vengono successivamente messe a regime partendo da un inoculo (starter), ad esempio un volume iniziale ad alta concentrazione di cellule del ceppo (0.8 -1 g 1<-1>) di spirulina. Lo starter pu? essere prodotto o trasportato in loco, ed eventualmente trasferito inizialmente all?interno di fotobioreattori da 150 l, o similari, per un periodo iniziale di acclimatamento. In seguito viene inoculato all?interno delle vasche 42 che in un esempio di realizzazione non limitativo possono avere volume di circa 1000 ? 1200 l.
Tramite diluizioni successive della coltura e fasi di crescita, si pu? procedere raddoppiando di volta in volta il volume totale, con l?aggiunta di mezzo liquido fresco, raggiungendo ogni volta la concentrazione ottimale di 0.8 g 1<-1 >in peso secco. Nel corso delle prime 2-3 diluizioni assume particolare importanza l?ombreggiamento della coltura. Questo consente di ottenere produzioni di microrganismi ottimali, abbondanti e di elevata qualit?, diversamente da quanto si ottiene con le coltivazioni della tecnica nota.
Generalmente la messa a regime di una vasca da 100.000 l, partendo da uno starter di 300 l, richiede un periodo di circa sei settimane per l?avvio a regime della coltura. Durante questo periodo ? importante effettuare un controllo rigoroso dei parametri di pH, temperatura e luce. Ci? ? reso possibile dalla regolazione dei parametri effettuata tramite il sistema di controllo elettronico esemplificato a mero titolo di esempio nella figura 2 dalla centralina elettronica 50. Inoltre, questo processo viene reso semplice ed economico dall'accoppiamento della serra 40 con l'impianto biodigestore 10, come descritto in precedenza.
Quando le vasche 42 sono a regime e la concentrazione della coltura di spirulina supera i 0.8 g 1<-1>, ? possibile avviare il processo di raccolta. La richiedente ha stimato che in buone condizioni di luce e temperatura sia possibile raccogliere fino a un terzo di ogni vasca 42 ogni tre giorni, circa un 10% al giorno. Queste stime sono variabili in funzione dei fattori ambientali, dei volumi coltivati e del periodo dell?anno considerato. La raccolta termina prima che la concentrazione scenda al di sotto dei 0.5 g/l, pi? preferibilmente prima che scenda al di sotto dei 0.6 g/l.
La coltivazione di microrganismi in serra limita inoltre l'evaporazione dell'acqua rispetto alla coltivazione in vasche all'aperto della tecnica nota. Stime della richiedente indicano una perdita massima di acqua del 5% circa del volume totale ogni tre-cinque giorni nel corso dei periodi pi? caldi. Questa ? una percentuale notevolmente inferiore alla perdita di acqua nelle vasche all'aperto della tecnica nota.
Secondo un altro aspetto vantaggioso della presente invenzione, l'impianto biodigestore 10 potrebbe essere impiegato anche per l'alimentazione di anidride carbonica CO2 nelle vasche di coltura, per aumentare la produttivit? di microrganismi. Il rilascio di CO2 nella coltura viene regolato in modo da mantenere il pH preferibilmente intorno a 10. Il consumo di CO2 stimato ? indicativamente di 0.8 kg per kg di spirulina secca raccolta. Avendo a disposizione una fonte di CO2 quale il biodigestore 10, non occorre rinnovare interamente il terreno di coltura dei microrganismi scaricando il liquido, ma ? sufficiente reintegrare i sali minerali consumati. Naturalmente l'alimentazione di anidride carbonica nelle vasche 42 deve essere valutata attentamente a seconda del tipo di impianto biodigestore, per garantire la purezza dell'anidride carbonica immessa ed evitare la contaminazione della coltura di microrganismi.
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno ampiamente variare senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Impianto per la produzione di microrganismi in acquacoltura, comprendente almeno un recipiente per un mezzo di coltura liquido adatto alla crescita di microrganismi, l'almeno un recipiente essendo disposto entro almeno una serra dotata di un sistema di controllo delle condizioni ambientali interne.
- 2. Impianto per la produzione di microrganismi secondo la rivendicazione 1, in cui l'almeno una serra ? associata ad un impianto di produzione di biogas per digestione anaerobica, che produce energia elettrica per l'alimentazione di apparecchiature montate nella serra, e che produce energia termica per il riscaldamento della serra.
- 3. Impianto per la produzione di microrganismi secondo la rivendicazione 2, in cui l'impianto di produzione di biogas produce anidride carbonica adatta ad essere utilizzata nel mezzo di coltura liquido per l'apporto del fabbisogno nutritivo per i microrganismi.
- 4. Impianto per la produzione di microrganismi secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui l'impianto di produzione di biogas ? alimentato con biomasse di origine vegetale.
- 5. Impianto per la produzione di microrganismi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 4, in cui l'impianto per la produzione di biogas ? posto in prossimit? dell'almeno una serra.
- 6. Impianto per la produzione di microrganismi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'almeno una serra comprende organi di ombreggiamento, controllabili dal sistema di controllo delle condizioni ambientali interne.
- 7. Impianto per la produzione di microrganismi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'almeno una serra comprende lampade per l'illuminazione artificiale, controllabili dal sistema di controllo delle condizioni ambientali interne.
- 8. Impianto per la produzione di microrganismi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'almeno una serra comprende un'apparecchiatura di condizionamento dell'aria, controllabile dal sistema di controllo delle condizioni ambientali interne.
- 9. Impianto per la produzione di microrganismi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'almeno una serra comprende un'apparecchiatura di riscaldamento controllabile dal sistema di controllo delle condizioni ambientali interne.
- 10. Impianto per la produzione di microrganismi secondo la rivendicazione 9 quando dipenda dalla rivendicazione 2, in cui l'apparecchiatura di riscaldamento ? uno scambiatore di calore alimentato dall'energia termica prodotta dall'impianto di produzione di biogas associato all'almeno una serra.
- 11. Impianto per la produzione di microrganismi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i microrganismi prodotti sono cianobatteri e/o microalghe.
- 12. Impianto per la produzione di microrganismi secondo la rivendicazione 11, in cui i microrganismi prodotti comprendono Arthrospira platensis o Arthrospira maxima (spirulina).
- 13. Impianto per la produzione di microrganismi secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui l'almeno un recipiente per il mezzo di coltura liquido ? una vasca con capacit? di almeno 1000 l.
- 14. Impianto per la produzione di microrganismi secondo la rivendicazione 13, in cui la vasca ? ad anello e comprende mezzi di generazione di un flusso di liquido circolante nella vasca ad anello.
- 15. Procedimento per la produzione di microrganismi in un impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente le fasi di: - predisporre un inoculo di almeno un microrganismo; - predisporre un terreno di coltura liquido adatto alla crescita di detto almeno un microrganismo; - inoculare il microrganismo nel terreno di coltura liquido all'interno dell'almeno un recipiente dell'almeno una serra; - attendere un periodo di tempo di ambientazione e crescita predeterminato del microrganismo, controllando le condizioni ambientali all'interno dell'almeno una serra; - prelevare una quantit? di microrganismo dall'almeno un recipiente; - ripristinare almeno parte del terreno di coltura liquido nell'almeno un recipiente.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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