Il blogger ospite di oggi è il Dr. Jornt Spit Il Dr. Spit è un ricercatore del gruppo di ricerca Radius alla Thomas More University of Applied Sciences (scienze applicate) in Belgio e ha esperienza nei settori di biochimica e biotecnologia. I ricercatori del Radius stanno lavorando alla biomassa rinnovabile che coinvolge la coltivazione delle alghe e degli insetti, i quali vengono poi trasformati in preziose materie prime per un’economia a base biologica. Come parte della loro attività di ricerca, utilizzano i regolatori di flusso di massa Bronkhorst per consentire una fornitura controllata di CO2 per la coltivazione delle alghe.

CO2: una preziosa fonte di carbonio alternativa

Negli ultimi anni, l’anidride carbonica (CO2) ha progressivamente attirato l’attenzione come preziosa fonte di carbonio. Certamente, la crescente concentrazione di CO2 nell’atmosfera è un problema importante e crescente e ciò sta conducendo la società a focalizzarsi sulla sostenibilità. In linea con ciò, alla Thomas More stiamo lavorando per raggiungere un’economia più circolare e a base biologica. Ciò significa ottenere materiali, sostanze chimiche ed energia da fonti (energie) rinnovabili e non dai combustibili fossili. La biomassa alternativa potrebbe diventare una risorsa principale in questo tipo di approccio.

Attualmente, l’attività principale del nostro gruppo di ricerca è la coltivazione della biomassa rinnovabile, in parte sotto forma di alghe. Ed è ciò che stiamo facendo in condizioni controllate nei tubi orizzontali di un foto-bioreattore. Usiamo CO2 gassosa pura come fonte di carbonio. Stiamo coltivando le alghe in vista di varie applicazioni. Per esempio, le alghe possono essere molto utili nel settore dei mangimi, in quello alimentare, nei prodotti per la salute o nel settore nutraceutico o in quello cosmetico. Il gruppo di ricerca non è fortemente coinvolto nell’ulteriore sviluppo di queste applicazioni; ci stiamo focalizzando sull’ottimizzare la coltivazione delle alghe o in altre parole sull’aspetto della tecnologia di processo.

Alghe per la trasformazione in preziose materie prime

Le microalghe formano un gruppo molto ampio e diversificato. Più di 50.000 differenti specie di alghe sono state identificate e ve ne sono probabilmente molte di più, fino a raggiungere le centinaia di migliaia. Sono organismi unicellulari, ma talvolta possono formare anche colonie. Le alghe sono organismi fotoautotrofi, vale a dire che utilizzano la CO2 come una fonte di carbonio e la convertono in zuccheri attraverso la fotosintesi. Le microalghe che coltiviamo contengono una particolare quantità di sostanze interessanti: proteine, zuccheri e grassi rappresentano i gruppi principali. Inoltre, le microalghe producono sostanze chimiche di grande valore come pigmenti e antiossidanti. Per fare un esempio, al Radius coltiviamo una speciale alga che produce il prezioso colorante rosso ficoeritrina. Potete praticamente considerare le alghe come piccole fabbriche che possono produrre tutti i tipi di sostanze di cui abbiamo bisogno; quindi per sintetizzare queste sostanze non abbiamo bisogno di reinventare completamente la ruota. Le varie cellule di alghe si sono evolute sotto pressione evolutiva per creare queste sostanze interessanti, utilizzando semplicemente un po’ di luce solare, CO2 e qualche nutriente. Ciò significa che vi è un enorme potenziale per l’utilizzo di queste sostanze.

Un’algacoltura aumenta in densità mediante la divisione cellulare. Se le condizioni lo permettono, le alghe continuano la loro divisione cellulare fino a quando una coltura raggiunge la sua massima densità. A questo punto, le alghe vengono raccolte; pertanto, la biomassa stessa delle alghe rappresenta il prodotto. Nei nostri fotobioreattori chiusi raggiungiamo una densità da 1 a 2 grammi di materiale asciutto per litro. Quando questo livello viene raggiunto, eliminiamo le alghe. Questa biomassa può essere direttamente utilizzata per scopi alimentari o come mangime, ma dobbiamo ulteriormente processare la biomassa, ‘aprirla’ ed estrarre le sostanze più interessanti. Questo ultimo approccio è chiamato bio-raffinazione o estrazione. L’intero processo di coltivazione, raccolta e ulteriore lavorazione delle alghe rappresenta una grande sfida. Questo perché ogni fase è importante e deve essere svolta il più efficientemente possibile per garantire che l’intera operazione sia redditizia.

Regolatori di portata per il flusso di precisione di CO2

Per ottimizzare la crescita, è importante selezionare un’alga che si sviluppi adeguatamente nelle condizioni che possiamo fornire nella nostra unità. Non tutte le specie di alghe possono assorbire CO2 con la stessa efficienza, e non tutte le alghe crescono velocemente allo stesso modo. Nelle nostre ricerche, scopriamo quali temperature siano le migliori per sviluppare le varie specie di alghe e di quanta luce una specifica alga abbia bisogno. Nel nostro campus utilizziamo luce solare naturale e i fotobioreattori si trovano nelle serre. Di conseguenza, le alghe crescono durante il giorno quando il sole splende e non di notte. Una delle questioni che stiamo esaminando nel progetto Interreg ‘EnOp’ è: se aggiungiamo ulteriore CO2 al reattore, quanto velocemente cresceranno le alghe, e quali tipi di alghe assorbiranno CO2  più efficientemente? Per rispondere a questa domanda, abbiamo bisogno dei controllori di flusso di massa, in quanto vogliamo conoscere esattamente quanta CO2 abbiamo aggiunto.

La CO2 è mescolata insieme all’afflusso di aria incanalata nel reattore, dopo il quale la CO2 si dissolve nel fluido liquido di coltura che contiene anche altri nutrienti. Dato che la CO2 (anidride carbonica) è un acido debole, il livello di pH del fluido diminuisce costantemente. Ciò ha un effetto negativo in quanto gran parte delle alghe cresce meglio ad un livello di pH compreso all’incirca tra 7 e 8. Tuttavia, quando le alghe crescono, assorbono CO2 dal fluido facendo aumentare nuovamente il pH. Il livello di acidità è un fattore altamente critico: se il pH si muove all’esterno della zona desiderata, le alghe tendono a flocculare. Pertanto, il sistema di dosaggio è collegato al livello di pH per ottimizzare la fornitura di CO2 nel modo più preciso possibile. In questo modo, possiamo stabilire la velocità massima di crescita delle alghe e quanta CO2 dobbiamo aggiungere per arrivarci.

Se aggiungessimo troppa CO2, il pH del fluido diminuirebbe troppo drasticamente, e le alghe non crescerebbero abbastanza. Se non aggiungessimo CO2 a sufficienza, che in sé non rappresenta un problema, le alghe crescerebbero più lentamente a causa della mancanza di anidride carbonica. Per ogni alga può essere aggiunto un apporto ottimale di CO2. Inoltre, la CO2 ha bisogno di tempo per dissolversi nel fluido. Se non si dissolvesse, uscirebbe nuovamente dal reattore provocando uno spreco di CO2. Il fatto che la CO2 si dissolva e si assorba efficacemente dovrebbe in ogni caso essere tenuto in considerazione. Il design del reattore gioca un importante ruolo nella gestione di questo aspetto.

Come avete potuto notare, la precisione è molto importante in questo processo. Il controllore di flusso di massa garantisce il mantenimento stabile dell’intero processo intorno al giusto livello di pH e la consapevolezza della quantità esatta di CO2 aggiunta.

…e il futuro?

Se il progetto viene esteso alla scala di produzione effettiva, la logistica diventerà un fattore importante nel determinare l’origine della CO2. In linea di principio, è possibile utilizzare i gas di scarico direttamente dalle fabbriche, ma sarà poi necessario eliminare le sostanze come l’ossido di zolfo e l’ossido di azoto che sono anche presenti in questi gas combustibili. Se i livelli di queste sostanze fossero troppo elevati, inibirebbero la crescita delle alghe. Tuttavia, esistono soluzioni tecniche per risolvere questo problema. La prossima domanda è: quanto lontano deve stare la fabbrica delle alghe dalla fonte di CO2? Se la distanza è troppa, la CO2 dovrà essere trasportata in un’altra forma controllata, come il bicarbonato. Un’altra opzione è quella di sviluppare unità di cattura di aria CO2 che consentano di estrarre dall’aria ulteriore CO2 locale. L’Università di Twente sta lavorando a questa tecnologia in un altro progetto di Interreg sulla crescita delle alghe, noto come IDEA e attualmente in funzione nell’Europa nordoccidentale. Anche il gruppo di ricerca Radius alla Thomas More UAS è coinvolto in questo progetto. In termini tecnologici, sappiamo che si tratta di un progetto possibile, ma il punto cruciale è il costo della tecnologia.

 

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