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I possibili usi delle microalghe,in particolare nel settore energetico

Sfruttamento delle microalghe:tra realtà e prospettive

di Fabio Barbato, Carlo Alberto Campiotti, Germina Giagnacovo, Vito Pignatelli, Dario Tumminelli, Corinna Viola, Estelle Silva Diorato

Nel panorama mondiale delle innovazioni più promettenti per il settore delle fonti

rinnovabili di energia, un ruolo di primo piano è ricoperto dalla valorizzazione a fini energetici delle microalghe, con numerosi gruppi di ricerca pubblici e

privati, impegnati a migliorare i processi produttivi connessi alla coltivazione di questa

categoria di microorganismi acquatici e al loro impiego per la produzione di energia e/o

biocombustibili.

Saline realizzate con bacini artificiali lungo la South Bay di San Francisco in California. Quando l’acqua evapora, microorganismi alofili di vario tipo possono diventare predominanti nelle varie vasche, variandone il colore. Il verde è determinato dalla presenza di microalghe della famiglia Ch-lorophyceae, il rosso da Dunaliella salina, membro della stessa famiglia, contenente elevate quantità di beta-carotene ad alto valore commerciale. [Immagine: Doc Searls, Wikipedia Commons, 2009]

Sfruttamento delle microalghe Tra realtà e prospettive

Le microalghe destano l’interesse di nu-merosi gruppi di ricerca (Garofalo, 2010) poiché presentano una serie di prerogative molto interessanti, le quali si accompagna-no, purtroppo, a diverse problematiche che hanno a tutt’oggi impedito uno sfruttamen-to adeguato del loro potenziale, nonostante diversi decenni di ricerca e sviluppo e la relativa pubblicazione di migliaia di lavori scientifici.

Fra i principali vantaggi vengono annove-rati:

• la velocità di crescita molto elevata; • la capacità di prosperare in acque ric-

che di nutrienti, e quindi di contribui-re a processi di depurazione di acque reflue;

• la proprietà di assorbire CO2 insufflata nel mezzo di coltura e di trasformarla in materia organica;

• la possibilità di crescita anche in climi caldi e in acqua salata, senza intacca-re le risorse di acqua dolce nelle zone dove queste sono limitate;

• la possibilità di essere coltivate in aree marginali senza sottrarre superfici alle colture agricole a fini alimentari o ad altre attività economiche già insediate nel territorio;

• la produzione di una biomassa omo-genea, non suddivisa in componenti con caratteristiche differenti, come per le piante terrestri (semi, frutti, foglie, fusto, radici).

Mentre le loro principali criticità sono:• la necessità di essere separate dalla

fase liquida, dove crescono con densi-tà piuttosto bassa;

• l’uso, per ora praticamente universa-le, di colture monospecifiche in cui va evitata la contaminazione da parte di altre specie microalgali indesiderate o di microrganismi, insetti e uccelli che se ne cibano o ne impediscono un cor-retto sviluppo;

• il contenuto energetico, che può non raggiungere livelli tali da superare le energie spese per la loro coltivazione e per i processi di lavorazione necessari per il successivo utilizzo;

• il fatto di richiedere diversi raccolti, quantitativamente ridotti, a brevi in-tervalli di tempo, piuttosto che uno più abbondante limitato a una o due volte l’anno.

Il presente articolo si prefigge di contribui-re alla conoscenza delle microalghe da par-te di un pubblico più vasto di quello degli “addetti ai lavori”, soprattutto per quanto riguarda gli aspetti legati all’energia, con un approccio divulgativo e non eccessiva-mente tecnico. Verranno comunque affron-tati brevemente anche aspetti più generali, riguardanti le principali caratteristiche e funzionibiologiche, sia nell’ambiente natu-rale che in quello di coltivazione, per l’uti-lizzo nell’ambito di iniziative commerciali e di ricerca di vario genere. Inoltre, si riporterà una descrizione dell’at-tuale “stato dell’arte” del settore a livello globale e un quadro delle sfide future che attendono gli sforzi dei ricercatori e degli operatori economici interessati allo sfrutta-mento di questa risorsa.

Le microalgheLe microalghe, anche note come fitoplan-cton, sono organismi microscopici uni-cellulari che vivono singolarmente o in colonie (catene o altri tipi di aggregati), in acque dolci e salate. A seconda della spe-cie, le loro dimensioni individuali possono variare da pochi micrometri a qualche cen-tinaia (millesimi di millimetro, 10-6 m). La loro attività fotosintetica è fondamentale per la vita sulla Terra, in quanto si stima che producano il 30-50% dell’ossigeno atmo-sferico, assorbendo contemporaneamente anidride carbonica, il maggiore gas ad ef-fetto serra, per poter crescere e sintetizzare nuova sostanza organica (biomassa).La biodiversità delle microalghe è enor-me e rappresenta una risorsa poco studiata e sfruttata; solamente 35.000 specie sono state descritte rispetto a quelle esistenti, stimate essere fra 200.000 e 800.000, se-condo i dati della Wageningen University.Questi microrganismi producono comune-mente numerosissimi composti bioattivi come polisaccaridi, amido, proteine, acidi grassi, carotenoidi, antiossidanti, enzimi, polimeri, peptidi, tossine e steroli; costitu-iscono potenzialmente una rilevante fonte di geni per percorsi di biosintesi particola-

GRuPPO ClASSE ESEMPi (GEnERi PiÙ DiFFuSi)

Alghe azzurre (cianobatteri) Cyanophyceae

Arthrospira (meglio nota come Spirulina), Nostoc, Anabaena, Schizotrix, Microcystis

Diatomee BacillariophyceaeCyclotella, Coscinodiscus, Chaetoceros, Skeletonema, Nitzschia, Phaeodactylum

Alghe verdi Chlorophyceae Chlorella, Neochloris, Chlamydomonas, Scenedesmus, Dunaliella, Tetraselmis

Dinoflagellati Dinophyceae Ceratium, Gymnodinium, Peridinium, Gonyaulax

Alghe dorate Haptophyceae Pavlova, Isochrysis, Chrysochromulina, Prymnesium

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Sfruttamento delle microalghe Tra realtà e prospettive

ri, a volte unici.Semplificando, senza addentrarsi troppo nella loro complessa sistematica, si può dire che le microalghe più utili apparten-gono a 5 o 6 classi principali, distinguibili per la loro morfologia, la loro pigmentazio-ne, il loro ciclo biologico e la loro struttura cellulare come descritto nella tabella della pagina precedente.

Potenzialità delle microalghe

Funzioni nell’ambiente naturaleLe microalghe fungono da fonte energetica primaria per buona parte degli ecosistemi marini, in quanto costituiscono il nutri-mento di numerosi animali, dal microsco-pico zooplancton ai molluschi e crostacei filtratori. Tali organismi rappresentano il successivo anello della catena alimentare e sono poi a loro volta predati. Al fitoplan-cton è stata attribuita addirittura la metà di tutta l’attività fotosintetica della Terra e, di conseguenza, la produzione di buona parte della nuova biomassa (sostanza organica), con conversione dell’energia della radia-zione solare in energia chimica che sta alla base delle reti trofiche. Da rimarcare la velocità di crescita di determinate specie microalgali, che le pongono ai vertici della produttività tra gli organismi fotosintetici. Questo aspetto è riscontrabile nelle cosid-dette fioriture algali, bloom fitoplanctonici, come nel caso dei dinoflagellati, tossici per gli animali acquatici e per l’uomo, sia per contatto diretto che per ingestione o inala-zione tramite aerosol.

Usi a scopi non energeticiLe microalghe del genere Spirulina, attual-mente Arthrospira, sono state utilizzate per secoli nell’alimentazione di alcune popola-zioni africane, del lago Ciad e del Centro America, ad esempio quelle del lago Tex-

coco in Messico (Hendrikson, 2009).L’interesse verso il loro uso a scopo ali-mentare si manifestò intorno agli anni Cin-quanta del secolo scorso, quando emerse la preoccupazione che l’aumento della popo-lazione mondiale potesse determinare una carenza alimentare e le microalghe sem-bravano poter rappresentare una fonte pro-teica a basso costo; questa pratica fu in se-guito abbandonata, visti i deludenti risultati

ottenuti dalle prime colture commerciali.Nel 1961, in Giappone la società Nihon Chlorella iniziò a coltivare microalghe su larga scala a fini commerciali, sfruttando soprattutto il genere Chlorella (Iwamoto H., 2004).Negli anni Ottanta, in Asia, erano presenti 46 fabbriche che producevano più di 1.000 chili di biomassa al mese, in maggior parte di Chlorella (Kawaguchi, 1980). Nel 1986 le strutture di produzione di Dunaliella salina installate in Australia, per ottene-re β-carotene, diventarono un altro polo dell’industria microalgale nel mondo. In seguito sono stati realizzati grandi impianti nel sudest asiatico, in California e alle Ha-waii, dedicati principalmente alla produ-zione di Spirulina.Agli inizi dello stesso decennio, in Giap-pone, nacque il concetto di cibo funzionale o alimento funzionale. Questo genere di alimenti riveste un ruolo protettivo per la salute del consumatore, contribuendo, in tal modo, alla riduzione dei costi sociali per difendere la salute di una popolazione sempre più numerosa e con una maggiore aspettativa di vita (Arai S., 1996).Oggi, dunque, non si pensa più alle mi-croalghe come alla soluzione per risolve-re i problemi della fame nel mondo; esse vengono, invece, studiate per applicazioni in diversi settori commerciali quali: pro-duzione di integratori alimentari, farmaci, cosmetici e mangimi.Per quanto concerne il consumo umano, la pasta microalgale secca, in polvere o in compresse, di alcune specie (es. Chlorel-

Alcune microalghe viste al mi-croscopio ottico (ingrandimento 400X circa).A: Diatomee di acqua dolce, in alto Pennales sp., più in basso a destra Centrales sp.B: Micractinium sp.C: Dictyosphaerium sp.

A b C

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Sfruttamento delle microalghe Tra realtà e prospettive

la) contiene elevate quantità di carboidra-ti semplici e complessi, oltre a numerosi composti descritti di seguito. Tipici delle microalghe sono i beta glucani, in grado di potenziare la risposta del nostro siste-ma immunitario (Iwamoto, 2004). In altre specie (es. Arthrospira) è preponderante il contenuto in proteine, che le rende un in-tegratore indicato in stati di debilitazione organica o per gli sportivi.Dentifrici, lozioni, unguenti e alginati in creme assimilabili attraverso la pelle sono alcuni dei prodotti con sostanze di deri-vazione microalgale più comunemente commercializzati dalle industrie farma-ceutiche, principalmente in Giappone. In campo medico vengono sfruttate le loro proprietà antibatteriche, antivirali e antitu-morali (Iwamoto, 2004; Qiang Hu, 2004; Hendrickson, 2009).Le microalghe contengono quantità inte-ressanti di vitamine, tra cui la A, quelle del gruppo B inclusa la B12, la C, la D, la E, la K (Becker, W., 2004) che ne aumentano il valore nutrizionale. La quantità prodot-ta dipende strettamente dalle condizioni di crescita e da tutti i processi che vanno dalla raccolta al confezionamento della biomas-sa (Brown M.R. et al., 1999; Ben-Amotz et al., 2003).Fra i numerosi acidi grassi riscontrabili nel-le microalghe i più importanti sono l’acido docosaesanoico (DHA, 22:6n-3), l’acido arachidonico (ARA 20:4n-6), l’acido ei-cosapentaenoico (EPA 20:5n-3), l’acido gamma-linoleico e l’acido alfa-linolenico, collettivamente noti come PUFA, polyun-saturated fatty acids, gli acidi grassi poli-insaturi Omega-3 e Omega-6.Notevoli sono anche le proprietà antiossi-danti. Sono presenti svariate molecole at-tive in questo senso, tra cui i carotenoidi

astaxantina e beta carotene. Inoltre sono presenti oligominerali nella loro forma organica maggiormente assimilabile. Tali composti possono o essere estratti dalla biomassa algale prima di altre utilizzazioni (uso indiretto), o assorbiti consumando la pasta microalgale tal quale, umida o secca (uso diretto).Nella tabella qui sopra si evidenzia l’eleva-to contenuto in proteine, carboidrati e lipi-di di alcune specie di microalghe rispetto a quello di alcuni alimenti più comuni.Per contro, un fattore potenzialmente pre-occupante per il consumo umano è l’ele-vato contenuto in acidi nucleici di alcune specie di microalghe, che può favorire lo sviluppo di malattie del metabolismo quali gotta e calcolosi renali. Alcuni metodi di produzione, sopratutto in aree inquinate, hanno fornito derivati con livelli di tossi-cità non trascurabili per il consumo umano, con conseguente sospensione della lavora-zione, come avvenuto, ad esempio, presso il lago Texcoco. Consumi superiori ai 100 grammi al giorno di sostanza secca posso-no indurre in alcuni casi effetti negativi, quali dolori allo stomaco, nausea, vomito, costipazione (Becker, 2004).Le specie oggi maggiormente coltivate a fini commerciali appartengono ai generi: Arthrospira, Chlorella, Dunaliella, Hae-matococcus, Nannochloropsis, Nitzschia, Crypthecodinium, Schizochytrium, Tetra-selmis, Skeletonema, Isochrysis, Chaeto-ceros.In acquacoltura le microalghe vengono uti-lizzate nelle avannotterie, sia come alimen-to per lo zooplancton destinato a nutrire le larve di pesce, sia come elemento di sta-bilizzazione chimica nelle vasche (tecnica delle “acque verdi”). Inoltre vengono co-munemente impiegate anche negli schiu-

Contenuto nutrizionale di alcune specie di microalghe rispetto ad alimenti comuni

Materiale Proteine Carboidrati lipidi

Lievito per il pane 39 38 1

Carne 43 1 34

Latte 26 38 28

Riso 8 77 2

Soia 37 30 20

Chlorella vulgaris 51-58 12-17 14-22

Dunaliella salina 57 32 6

Porphyridium cruentum 28-38 40-57 9-14

Scenedesmus obliquus 50-56 10-17 12-14

Spirulina maxima 60-71 13-16 6-7

Synecochoccus sp. 63 15 11

Aphanizomenon flosaquae 62 23 4-7I contenuti sono espressi in percentuale sul peso secco. Fonte dati: Spolaore P. et al., 2006; Becker et al., 1994

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Sfruttamento delle microalghe Tra realtà e prospettive

Specie di alghe usate come mangime Specie allevate

Famiglia: bacillariophyceae

Skeletonema costatum B, B, D

Thalassiospira pseudo nana B, A, D

Phaeodactylum tricornutum, C. muelleri B, A, D, C, F

Chaetoceros affinis, C. calcitrans B, A, D, F

Cylindrotheca closterium B

Bellerochea polymorpha D

Actinocyclus normanii D

Nitzschia closterium, N. paleacea F

Cyclotella nana F

Famiglia: Haptophyceae

Isochrysis affinis galbana, I. tahiti B, A, D, C, F

Pseudaisochrysis paradoxa A, D, C

Dicrateria sp. D

Cricosphaera elongata D

Coccolithus huxleyi D

Olisthodiscus luteus I

Pavlova lutheri, P. pinguis A, D, F, G

Famiglia: Chrysophyceae

Pyramimonas virginica A, D

Micromonas pussila D

Famiglia: Chryptophyceaea

Cryptomonas D

Rhodomonas salina A, D

Chroomonas salina D

Famiglia: Xanthopyceae

Olisthodiscus luteus D

Famiglia: Cyanophyceae

Spirulina (Arthrospira) platensis B, D, F, G

Famiglia: Chlorophyceae

Tetraselmis suecica B, A, D, E, F, G

Chlorella sp. A, C, F, G, I

Scenedesmus obliquus, S. quadricauda I, G, F

Dunaliella tertiolecta D, F, G

Chlamydomonas khaki A, D, I, G, I

Chlorococcum sp. D

Brachiomonas submarina D

Spongiococcum excentricum A

Famiglia: Eustigmatophyceae

Nannochloropsis oculata, N. gaditana D, G, H

Specie allevate:A, larve di molluschi bivalvi; B, larve di gamberi peneidi; C, larve di gambero d'acqua dolce ; D, postlarve di molluschi bivalvi; E, larve di abalone; F, artemia; G, rotiferi marini; H, copepodi marini; I, zooplancton d’acqua dolce.

Microalghe usate per la produzione di mangimi in acquacoltura [fonte dati: Becker 2004; De-Pauw & Persoone, 1988; Lavens & Sorgeloos, 1996].

ditoi di molluschi, combinate in miscele multispecifiche più o meno diversificate; questo per la loro diversa composizione specifica in proteine e acidi grassi essenzia-li, soprattutto quelli poliinsaturi (PUFA), al fine di fornire un alimento il più completo possibile (Kanazawa, 1985).

Microalghe ed energia rinnovabile

Biocombustibili di prima e di secon-da generazioneÈ ormai accertato dalla comunità scienti-fica internazionale che la continua emis-sione nell’atmosfera di anidride carbonica prodotta dalle attività umane, soprattutto da quelle basate su combustibili derivati dal petrolio, stia velocemente cambian-do l’intero ecosistema del pianeta Terra, modificando al rialzo gli equilibri termi-ci (IPCC). Pertanto da anni scienziati e ricercatori sono impegnati nella difficile ricerca di soluzioni in grado di risolvere concretamente tale problema. Tra queste di primaria importanza sono i tentativi di sostituire i combustibili di origine fossile con altri di origine vegetale, tendenti al bi-lancio neutro della CO2. Si assume, infatti, che la biomassa fotosintetica durante il suo accrescimento assorba la stessa quantità di anidride carbonica emessa quando viene infine combusta; tuttavia sono da conside-rare anche i processi per la trasformazione della biomassa, i quali possono influire ne-gativamente sul bilancio totale.Attualmente, la produzione di biocombu-stibili ricavati da piante edibili, cosiddetti di prima generazione, è ritenuta da più parti una pratica non sostenibile per la riduzione delle superfici agricole sfruttabili a fini ali-mentari e per l’incremento del prezzo delle materie prime (acqua, fertilizzanti ecc.), necessarie anche alla produzione di beni di prima necessità, quali frumento, mais, riso, canna da zucchero. Inoltre, l’uso dei suoli attualmente coltivati potrebbe non bastare a colmare la scarsità di cibo che colpisce buona parte della popolazione mondiale. Per questo motivo, oggi si punta all’uti-lizzo di biomasse non edibili per produrre biocombustibili, riducendo così la concor-renza per le risorse tra settore energetico e agroalimentare.Alla luce di questa situazione, in diversi Paesi sono state attivate linee di ricerca fi-nalizzate a sviluppare e a mettere a punto nuove tecnologie eco-sostenibili per la pro-duzione di energia pulita. Tali tecnologie utilizzano i cosiddetti biocombustibili di

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Sfruttamento delle microalghe Tra realtà e prospettive

seconda o (di nuova) generazione, prodotti da fonti rinnovabili eco-compatibili.Da alcuni anni è stata presa in considera-zione anche nel nostro Paese la possibili-tà di usare a tale scopo le microalghe, in grado di produrre in modo sostenibile una quantità di energia decisamente maggiore per unità di superficie rispetto a quella otte-nuta dal mais o dalla soia e anche dalla pal-ma da olio tropicale (Benemann e Pedroni, 2007; Tredici, 2010). Le microalghe posso-no infatti essere considerate a pieno titolo una coltura energetica di seconda genera-zione, in grado di evitare impatti dannosi sul mercato agroalimentare e sulla biodi-versità terrestre; ciò in quanto coltivabili su terreni scarsamente produttivi altrimenti inutilizzabili, come le zone costiere aride e le zone paludose, con acque salmastre o marine. Per la loro crescita si potrebbero sfruttare acque eutrofiche, ovvero ricche di sali nutrienti di origine agricola o civile, ottenendo così anche la loro depurazione.Le microalghe sarebbero capaci di produr-re 30 volte l’equivalente in olio rispetto alla stessa area coltivata con specie terrestri convenzionali, quali mais, soia e altro. Il li-mite teorico di produttività, calcolato sulla base di considerazioni relative alla luce in-cidente e all’efficienza fotosintetica, indica valori di circa 280 tonnellate di biomassa secca per ettaro all’anno alle latitudini del sud della Spagna; ipotizzando un contenu-to lipidico estraibile del 40%, si ottengono valori di 115 m3 di olio per ettaro per anno (Wageningen University).Tuttavia esistono ancora diversi punti cri-tici prima di poter realizzare produzioni energetiche economiche che vadano oltre stime più o meno ottimistiche ottenute da esperienze realizzate su scala limitata o, peggio, solo da calcoli teorici. Su questi aspetti di ampliamento della scala operati-va si attendono ancora risultati consolidati

da parte del mondo della ricerca, anche in termini di definizione dei prodotti energeti-ci maggiormente convenienti.Di conseguenza, in un contesto come quel-lo italiano, puntare principalmente al bio-diesel come principale prodotto energetico derivante dalle microalghe può rivelarsi una scelta non priva di rischi. Infatti le ca-pacità produttive medie di biodiesel da par-te delle 19 raffinerie nazionali sono molto elevate, mediamente intorno alle 120.000 tonnellate/anno ad impianto, un valore rag-giungibile solo utilizzando colture microal-gali molto estese (100-200 km2). L’utilizzo di tali superfici è da considerarsi impropo-nibile per una prima fase di sviluppo, spe-cialmente in mancanza, a livello mondiale, di tecnologie consolidate su larga scala per produzioni intensive di biomassa micro-algale a basso costo. Nelle prime fasi, sa-rebbe probabilmente più opportuno consi-derare impianti su piccola/media scala per la produzione di microalghe da destinare alla produzione di biogas, i quali presente-rebbero i valori aggiunti della depurazione di acque eutrofiche/reflue (Schenk et al., 2008), dell’assorbimento di CO2 e della produzione di O2 durante le ore di luce, (Park et al., 2011). Questo rappresenta un obiettivo di prodotto energetico ottenibi-le con processi più semplici, minori input energetici e minori standard qualitativi del-la biomassa rispetto a quanto richiesto per il biodiesel (Barbato, 2011). Ovvio aspetto accessorio delle coltivazioni microalgali è il contributo alla riduzione delle emissioni di CO2, in quanto questa vie-ne assorbita dalle microalghe sia dall’aria atmosferica, sia nel caso in cui provenga da fonti quali fumi di combustione o biogas e venga insufflata appositamente nel mezzo di coltura. L’assorbimento avviene median-te conversione fotosintetica del carbonio in sostanza organica, attraverso una serie di percorsi metabolici che possono condurre a diversi composti di accumulo energetico nella cellula microalgale, tra cui riveste particolare interesse il bioolio, ovvero una sostanza oleosa con alta densità energetica che è possibile impiegare, oltre che per la produzione di biodiesel, anche direttamen-te per l’alimentazione di generatori elettrici diesel, anche di piccola taglia. La biomas-sa residua dopo l’estrazione dell’olio dalle microalghe può essere comunque usata per la produzione di biogas.Oltre al biodiesel, agli oli combustibili e al biogas, altri prodotti energetici possono essere ricavati dalle biomasse microalgali, sebbene con risultati operativi per ora meno consistenti rispetto a quelli menzionati in precedenza, come ad esempio idrogeno,

Metodologie produttive usate per ottenere composti commerciali dalle microalghe

Luce

Nutrienti

ALGHE

OpzionaliAcque reflueAcque salateCO2 da gas di scaricoTerreno degradato

FotobioreattoriVascheBacini

Estrazione / Transesterificazione

Fermentazione

DigestioneAnaerobica

Biodiesel

Bioetanolo

Metano

Idrogeno

Co-combustione,combustibili specifici

Cibo, mangimi

Biomolecole

Gassificazione/Bio-idorgeno

Essiccazione/Gassificazione

Essiccazione

Essiccazione/Estrazione

Input Coltivazione Down-stream Prodotti

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Sfruttamento delle microalghe Tra realtà e prospettive

tramite la microalga Chlamydomonas sp. in particolari condizioni di coltura, o bioe-tanolo per via fermentativa della cellulosa e di altri carboidrati presenti nella biomas-sa di determinate specie microalgali.

Coltivare le microalgheColture di laboratorioOltre al mantenimento e alla caratterizza-zione delle specie e dei ceppi, le colture in laboratorio consentono la realizzazione della ricerca di base per definirne le pro-prietà funzionali. Quelle monospecifiche vengono avviate in provette da 10-50 ml, in condizioni ambientali controllate, in mezzi liquidi contenenti i nutrienti neces-sari alla crescita. Su scala di laboratorio il volume della col-tura è incrementabile mediante passaggi successivi fino a qualche decina di litri. A tal fine è possibile utilizzare capienti conte-nitori in PET trasparenti che devono essere sterilizzati per via chimica (Barbato e De Luca, 2011).

Colture massiveAnche in questo caso si prefe-risce aumentare gradualmente i volumi dei fotobioreattori, par-

tendo da 20-30 litri per passare a valori più grandi, fino ad arrivare in vasche o in veri e propri ba-cini di crescita. I passaggi ri-petuti permettono la riduzione dei tempi di crescita (le colture vengono a trovarsi sempre nella fase esponenziale), un controllo più accurato e uno sviluppo più facilmente programmabile. Una volta raggiunti i volumi di uti-lizzo, le colture possono essere mantenute in modo semi-conti-nuo, continuo o discontinuo.

Vasche aperte, open pondsOggi gran parte della produzione

mondiale avviene in vasche all’aper-to in zone tropicali e sub-tropicali, dove è possibile abbattere i costi utilizzando al me-glio la luce solare come sorgente di energia lungo tutto il corso dell’anno. Spesso per la coltivazione su larga scala vengono uti-lizzate vasche a rimescolamento poco pro-fonde, configurate a circuito (raceway) e dotate di agitatori elettromeccanici a pale.In molte regioni non tropicali gli impian-ti di colture algali all’aperto hanno spesso lo svantaggio di trovarsi in condizioni cli-matiche sfavorevoli, tali da non permette-re cicli di produzione lungo tutto il corso

dell’anno; in tali casi si è obbligati a massi-mizzare produzione e raccolta dell’alga nei periodi più caldi. I sistemi di coltivazione in vasche aperte non protette non garantiscono produzioni monospecifiche, pertanto sono utilizzati per un limitato numero di specie cosiddette “estremofile” come Arthrospira platensis (Spirulina) e Dunaliella salina, che cresco-no in condizioni selettive estreme, rispetti-vamente di elevato pH (maggiore o uguale

a 9) e di elevata salinità (oltre il 40‰). Ciò impedisce a buona parte delle potenziali specie contaminanti di proliferare. A tal fine le open ponds si possono proteggere dalla pioggia e da agenti contaminanti tra-mite teli plastici trasparenti o serre. Nei ba-cini in terra è spesso usato un rivestimento in telo plastico impermeabile per un mi-gliore controllo dei parametri biotici e per evitare possibili percolazioni.

FotobioreattoriL’uso di contenitori chiusi detti “fotobio-reattori” è stato per lungo tempo associato ad alti costi di gestione, soprattutto quando il funzionamento di tali sistemi era ancora totalmente dipendente da illuminazione e termostatazione artificiali. Recentemente è stata avviata la produzione su larga scala di una vasta gamma di specie algali quali Spirulina, Chlorella ed Haematococcus in sistemi chiusi, posti all’aperto o in serra, con cui è possibile ottenere biomassa alga-le di maggior purezza in alta concentrazio-ne, limitando nel contempo i costi grazie all’illuminazione e, ove possibile, al riscal-damento naturale.Nonostante le differenze tra le svariate ti-pologie, si può affermare che il criterio principale con cui viene ideato e realizzato un fotobioreattore è quello di permettere alla cellula fotosintetica di raggiungere la migliore efficienza nella conversione dell’energia luminosa, cercando di garan-tire una adeguata quantità di luce, sia essa artificiale o solare. Anche i metodi per mo-vimentare le colture e per ottimizzare gli

Vasca per la coltivazione delle microalghe di tipo “raceway”.[Immagine: JanB46, Wikipedia Commons, 2011]

Coltura di Scenedesmus dimor-phus in contenitore PET da cin-que litri.

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Sfruttamento delle microalghe Tra realtà e prospettive

scambi gassosi sono importanti.Per altri versi, sono attualmente in corso studi per modificare geneticamente alcuni ceppi algali, in particolare di Chlamydomo-nas reinhardti, in modo da ottenere mag-giori efficienze fotosintetiche soprattutto ad alte densità cellulari. I risultati finora ot-tenuti mostrano, tuttavia, problemi nell’ot-tenimento di concentrazioni cellulari otti-mali da parte dei ceppi ingegnerizzati.Le tipologie esistenti per la produzione di alghe tramite fotobioreattori sono ricondu-cibili ai seguenti sistemi sia da esterno che da interno:

1) Sistemi a pannello, o flat panels;2) Sistemi a colonna con sistema a gor-

gogliamento d’aria, o bubble columns;3) Sistemi cilindrici orizzontali, o tubular

reactors.

Nell’ottica delle produzioni a fini energe-tici su vasta scala, i fotobioreattori posso-no essere utili per formare gli inoculi delle coltivazioni in vasche aperte, dove viene realizzata la fase finale di accrescimento, selezionando le specie algali in base al maggior contenuto energetico e alla loro adattabilità alle condizioni colturali e cli-matiche.

Raccolta e trattamentoSeparare la biomassa dalla fase acquosa in cui cresce può essere un compito difficile e costoso. Di fatto è uno dei maggiori impe-dimenti all’ampia diffusione delle colture microalgali su scala commerciale, special-mente a fini energetici. Molto dipende dal-la forma e dalle dimensioni della particola-

re microalga considerata, essendo le specie coloniali e filamentose quali la Spirulina le più facili da separare attraverso filtri in tela con maglie opportunamente dimensionate, mentre le forme unicellulari sferoidali di piccole dimensioni come Chlorella o Nan-nochloropsis sono quelle più difficilmente recuperabili dal mezzo di coltura.Laddove è possibile, la più conveniente tipologia di separazione è la semplice se-dimentazione, ovvero l’accumulazione per gravità della biomassa algale sul fondo del recipiente di coltura o di un contenitore di forme e dimensioni dedicate allo scopo. Il fattore critico in questo caso è il lungo tempo richiesto per la concentrazione della biomassa sul fondo, che può variare note-volmente a causa di una serie di fattori quali temperatura, illuminazione, stato fisiologi-co dell’alga, pH, salinità ecc. Esistono altre tecniche di separazione che fanno uso di flocculanti per addensare le singole cellule algali, facilitare e sveltire la sedimentazio-ne, con lo svantaggio però di trovare nella biomassa anche la sostanza flocculante, ol-tre al costo della stessa. Al contrario, esiste la possibilità, soprattutto per alghe ricche di lipidi, di tecniche di flotation, ovvero di concentrazione di biomassa per galleg-giamento, anche attraverso la creazione di schiume.Sono disponibili svariati sistemi elettro-meccanici piuttosto energivori, e quindi costosi, quali filtrazioni di vario genere e centrifugazioni.Una volta ottenuta la biomassa umida, si deve procedere in alcuni casi all’essicca-zione che può essere ottenuta con energia solare, magari con l’uso di una serra, in un forno o con il sistema spray drying che ha il vantaggio di non dover scaldare for-temente la biomassa, evitando il dannegg-giamento di composti termolabili, tra cui diverse vitamine.La biomassa algale essiccata spesso non è usata tal quale, solitamente si proce-de all’estrazione di sostanze di interesse commerciale. Nel caso della produzione di biodiesel, ad esempio, è necessario estrar-re i lipidi, passaggio questo che richiede infrastrutture apposite, solitamente utiliz-zate anche per altre materie prime natu-rali rinnovabili, che sono disponibili solo presso bioraffinerie ad elevata produttività. Sono in corso di sperimentazione sistemi di estrazione alternativi con tecniche di sonicazione, che usano gli ultrasuoni per rompere le cellule algali e liberare le goc-cioline oleose in esse contenute già nella fase finale della coltivazione, in modo da poter recuperare per semplice separazione di fase la componente oleosa.

Fotobioreattori cilindrici.[Immagine: Steve Jurvetson, Flickr, 2005]

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Sfruttamento delle microalghe Tra realtà e prospettive

Le microalghe nel mondo

Vi sono attualmente molti importanti pro-duttori commerciali di microalghe, ope-ranti soprattutto in regioni asiatiche, del Pacifico e del Sud degli Stati Uniti, con impianti la cui produzione annua può rag-giungere circa 500 tonnellate. L’interesse del mercato per le microalghe è in rapida crescita da qualche anno a questa parte, so-prattutto per le prospettive di un loro utiliz-zo a livello energetico. Tuttavia, nonostan-te lo stanziamento di ingenti fondi pubblici e privati per la ricerca di settore da parte di nazioni quali gli Usa e la Cina, gli incre-menti di produttività sono trascurabili e il commercio rimane limitato al settore degli integratori e delle biomolecole. Ad oggi, ancora non esiste al mondo un impianto commerciale economicamente ri-levante dedito alla coltivazione di microal-ghe a fini energetici. Non di meno, diverse importanti organizzazioni pubbliche e pri-vate, tra cui alcune grandi società petrolife-re, stanno seguendo lo sviluppo e miglio-rando l’operatività di strutture di ricerca e pilota per affinare la qualità ed espandere

la quantità dei loro prodotti in ambito energetico a fini commerciali. Andrà stu-diato a fondo l’impatto ambientale di tali processi industriale per ottenere sistemi di produzione sostenibili e ecocompatibili. A tal fine si sta facendo sempre maggior uso delle metodologie che prendono in consi-derazione l’intero ciclo di vita del prodotto, la cosiddetta LCA, Life Cycle Assessment (Green n. 25, pagg. 36-43).Al fine di coordinare e favorire gli studi sulle microalghe, nonché la loro diffusione agli ambiti produttivi, sono state costitui-te diverse società di settore, tra si possono citare la EABA, European Algae Biomass Association, e la ABO, Algal Biomass Or-ganization negli Stati Uniti. Si sono rapi-damente moltiplicati da alcuni anni i con-vegni nazionali e internazionali su queste tematiche che attirano un pubblico assai numeroso, con ricadute economiche e oc-cupazionali non trascurabili.

ConclusioniLa ricerca sulle microalghe mostra ancora una serie di criticità da risolvere, prima di poter arrivare a poterle sfruttare commer-cialmente a scopo energetico, mentre negli altri settori di utilizzo si punta essenzial-mente ad un significativo aumento della produttività e della diffusione. Seguono alcuni temi che richiederanno un consi-stente sforzo da parte della ricerca a livello globale.

Selezione e caratterizzazione dei ceppi. Dovranno essere individuati quelli:

• robusti, ovvero in grado di resistere a condizioni ambientali non controllate, quali quelle di situazioni all’aperto in climi temperati e tropicali;

• produttivi, ovvero in grado di raggiun-gere densità elevate in breve tempo, con

L’oasi di Ca’ di Mezzo, Codevigo (Pd). Si tratta di un’area sogget-ta, in passato, ad eutrofizzazione e fioritura microalgale, oggi bo-nificata grazie a tecniche di fito-depurazione.

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Sfruttamento delle microalghe Tra realtà e prospettive

alti contenuti di sostanze desiderate; • resistenti ai contaminanti, ovvero in

grado di mantenere la monospecificità o una netta prevalenza anche in vasche all’aperto;

• cosmopoliti o locali, in modo da non causare problematiche in caso di fuo-riuscite in ambienti naturali.

Uso e depurazione di acque reflue. Otti-mizzazione in laboratorio delle capacità dei ceppi di moltiplicarsi sfruttando i nu-trienti presenti nelle acque reflue; si può così ottenere la depurazione delle stesse.

Cattura attiva della CO2. Miglioramento della capacità di assorbire CO2 anche da gas esausti residuali da combustioni, con-tribuendo così alla riduzione delle emissio-ni di gas serra.

Miglioramento della resa energetica. In-dividuazione di prodotti energetici con i più favorevoli bilanci mediante studi col metodo LCA.

Tecniche di separazione. I metodi di recu-pero della biomassa dal liquido colturale e di trattamento successivo devono essere resi più efficienti e poco energivori, adat-tandoli agli specifici ceppi algali utilizzati.

Abbattimento dei costi. In generale devono essere abbattuti tutti i costi relativi alla pro-duzione, in relazione soprattutto all’indivi-duazione di opportune economie di scala e processi che garantiscano rese sufficiente-mente costanti nel tempo.

In conclusione, nonostante le grandi po-tenzialità di utilizzo della biomassa algale, c’è ancora bisogno di sperimentazione e sviluppo perché queste tecnologie possano diventare una realtà commerciale diffusa, specialmente in campo energetico. Pur-troppo, in questi tempi di grave crisi eco-nomica, la tendenza è quella di ridurre i fondi dedicati alla ricerca; le poche risorse disponibili devono essere dedicate ai setto-ri d’indagine più promettenti. Tra di essi si possono senz’altro annoverare, come si è cercato di mostrare nel presente articolo, le microalghe.

Fabio Barbato, Carlo Alberto Campiotti,Germina Giagnacovo, Vito Pignatelli,

Dario Tumminelli, Corinna ViolaENEA, Roma

Estelle Silva DioratoUniversidade Federal do Bahia, Brasile

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