Indagine sui principali fattori di crescita delle microalghe: realizzazione dell'apparato sperimentale

2.1 ANALISI DEI FATTORI DI CRESCITA MICROALGALI

Questo lavoro di tesi è stato ideato con l’obiettivo di poter analizzare l’effettiva influenza che i

principali fattori di crescita hanno sulla coltura microalgale.

I fattori in questione sono:

1) Illuminazione (sia naturale che artificiale);

2) Agitazione del brodo di coltura;

3) Impiego e modalità di immissione degli elementi nutrienti, sia allo stato liquido che allo stato

gassoso;

4) Temperatura;

5) pH.

Il reattore è stato inoltre progettato per descrivere la capacità della coltura microalgale di abbattere

ed assorbire eventuali sostanze presenti nei nutrienti per cui sono necessari processi di abbattimento

e separazione che comportano costi aggiuntivi e, talvolta, terminano con l’immissione nei suoli o in

atmosfera.

L’illuminazione è un parametro fondamentale per la crescita delle microalghe, ne influenza non solo

lo sviluppo ma anche la resa lipidica. Il principale problema degli ambienti di coltura microalgale,

soprattutto dei sistemi open-ponds, è la scarsa omogeneità di diffusione della luce nel brodo:

solitamente solo le aree in prossimità della fonte luminosa vengono irradiate, mentre il restante

volume permane in condizioni di insufficiente illuminazione. Ciò provoca un notevole rallentamento

della crescita delle microalghe situate a distanza dalla fonte luminosa e, al contempo, genera una

condizione di stress da eccessiva esposizione a quelle più vicine. Ciò che incisivamente differenzia i

sistemi di produzione tra loro è l’efficienza con cui la luce trasmessa viene effettivamente usata dalle

cellule algali Le cellule infatti, riescono ad usare solo una minima parte delle radiazioni, il resto viene

disperso. Per questo motivo il reattore è stato progettato con una forma a corona circolare con una

differenza tra i due cilindri di 5 cm; in questo modo il fascio luminoso riesce a lambire tutto il volume

interno, con un gradiente negativo al crescere della distanza dalla fonte luminosa trascurabile. Le

lampade sono state inserite all’interno del cilindro interno, in modo da garantire che tutto il fascio

luminoso attraversi il brodo di coltura prima di disperdersi (questa configurazione verrà mostrata ed

analizzata nel capitolo successivo). Infine, per valutare gli effetti in termini di crescita e resa in

funzione dell’intensità luminosa è stato impiegato un potenziometro.

L’agitazione è necessaria al fine far arrivare tutta la CO in ogni singolo punto del reattore. Si è

2

prestata notevole attenzione all’uniformità del miscelamento, in quanto la coltura microalgale deve

18

essere sostentata in ogni suo punto allo stesso modo onde evitare sovraccrescimenti e/o

sottoaccrescimenti, facendo in modo quindi che i nutrienti raggiungano tutte le aree interne del

reattore con il maggior grado di omogeneità possibile.

Per il terzo punto è stato realizzato un circuito idraulico in grado di mantenere il reattore isolato

oppure in comunicazione con l’ambiente esterno, a seconda delle situazioni. Un altro circuito

permette inoltre di ricircolare il gas presente all’interno tramite un’apposita pompa che lo preleva

dalla parte superiore e lo rimanda nella parte inferiore, in modo che questo possa nuovamente

attraversare il brodo di coltura. Nel sistema di ricircolo è stato inserito anche un setto poroso, utile

per prelevare campioni di gas e analizzarli in un gas cromatografo.

Per quanto riguarda la temperatura, essa può essere tenuta sotto controllo attraverso una termocoppia

che verrà inserita nella parte superiore del reattore; questo parametro è molto importante in quanto

sbalzi termici troppo elevate posso danneggiare irreversibilmente le microalghe.

Infine il pH può essere tenuto sotto attraverso il sistema idraulico; prelevando un campione di brodo

di coltura è possibile analizzarlo e agire di conseguenza. Nel caso di analisi seguente, le microalghe

dovranno vivere in un ambiente variabile, tuttavia bisogna prestare particolare attenzione alla CO 2

che tende ad acidificare notevolmente l’ambiente.

Abbiamo realizzato un sistema formato non da 1 ma da 4 fotobioreattori per permettere di variare un

parametro tenendo fissi gli altri ed osservare la variazione che questo comporta nell’economia del

processo. 19

2.2 REALIZZAZIONE DELL’APPARATO SPERIMENTALE

In questo paragrafo verranno esposti i punti salienti della messa a punto dei dispositivi idonei ad

accogliere il brodo di coltura microalgale. Come detto precedentemente, esso servirà per studiare i

suddetti principali fattori di crescita, nonché indagare sull’efficienza fotosintetica di tali

microorganismi.

Il materiale necessario per la costituzione del singolo reattore è elencato nella seguente lista:

Æ

- 1 tubo in plexi-glass anti-ingiallimento (h 0,8m; 0,3m; spessore 4mm)

Æ

- 1 tubo in plexi-glass anti ingiallimento (h 0,8m; 0,2m; spessore 3mm) Æ

- 1 piastre a corona circolare in plexi-glass anti ingiallimento (Æ interno 0,2m; esterno 0,3m;

spessore 3mm)

- 1 piastra circolare in plexi-glass anti ingiallimento (Æ 0,3m; spessore 3mm)

- 5 valvole minisfera MF 9120TR12-Y di non ritorno aria/liquidi (3 per regolare il passaggio

di aria nel reattore, 3 per uscita e controllo dell’acqua e flue-gas)

- 3 lampade al NEON (h 0,6-0,75m)

- 1 pompa di ricircolo HOPAR H-668 (Q 250x2 l/h; P 2,5W; V 220-240V)

- 1 termocoppie (spessore 3mm)

- 1 bombola di flue-gas/CO2

- 3 “raccordi a T” SMC PC08R02N (1 per collegare il tubo all’interno del reattore; 2 per

configurare il sistema di ricircolo)

- 1 tubo in gomma forato per il sistema di ricircolo interno (posto sulla base inferiore del

Æ

reattore; interno 8mm; 2 fori simmetrici ogni 2cm)

- 1 tubazione per il sistema di ricircolo esterno

- 4 elementi di fissaggio del tubo in gomma in nastro biadesivo

- 1 setto poroso

- 1 tondino in acciaio (Æ 8mm; h 1m) 20

Immagine 9. Valvole minisfera MF 9120TR12-Y.

Immagine 10. Elementi di fissaggio per il sistema di ricircolo interno.

Immagine 11. Pompa di ricircolo. 21

Il reattore è stato costruito seguendo il seguente disegno CAD (le quote sono da considerarsi in

mm): 22

23

2.2.1 Involucro esterno.

L’involucro esterno è composto da un cilindro in plexi-glass (acquistato presso la MAGIP di Terni)

di diametro 0,3m e di altezza iniziale di 1m. Tuttavia il progetto prevede che i reattori non debbano

essere più alti di 0,8m perciò in laboratorio, attraverso un frollino, si è effettuato il taglio e si è

asportato il materiale in eccesso. Immagine 12. Involucro esterno.

Tale cilindro è sigillato nella parte inferiore con un piastra circolare in plexi-glass di diametro 0,3m

e spessore 3mm. Per isolare ermeticamente il reattore dall’ambiente esterno abbiamo unito piastra e

cilindro con silicone trasparente POLIMAX. 24

Immagine 13. Piastra inferiore.

Sulla piastra sono stati incollati tramite colla bicomponente epossidica gli elementi di fissaggio (3

elementi per ogni reattore). Essi devono garantire l’adesione a terra e la stabilizzazione del tubo

all’interno del reattore. Immagine 14. Elementi di fissaggio. 25

Una volta incollati gli elementi di supporto è stato fissato il tubo sulla base della piastra. Tale

tubazione in gomma (di diametro 8mm e lunghezza 0,3m) è di fondamentale importanza perché

rappresenta in tutto e per tutto il sistema di ricircolo interno, collegato al sistema di ricircolo esterno

tramite una giunzione a T ed una giunzione ad L, quest’ultima ottenuta per dilatazione termica a

partire da un tubo in gomma, come mostrato nell’immagine 15.

Immagine 15. Particolare giunzioni di collegamento a T ed a L.

Sulla tubazione interna sono stati effettuati dei fori per fare in modo che il gas venga espulso dal

circuito e completamente assorbito nel brodo di coltura (2 fori simmetrici rispetto l’asse di simmetria

del tubo, ogni 2cm). 26

Immagine 16. Sistema di ricircolo interno.

La giunzione ad L comunica direttamente con la tubazione esterna grazie ad una valvola a sfera

(immagine XX soprastante), fissata sulla parte inferiore del cilindro esterno; tale valvola ha il compito

di regolare il flusso gassoso ed è posizionata a 6 cm dalla piastra inferiore. Essa è stata inserita e

fissata in un foro apposito attraverso l’uso di colla bicomponente epossidica e mastice.

Allineato sullo stesso asse è presente un secondo foro, posto però sull’estremità superiore a 6 cm

dalla corona circolare in plexi-glass, che collega il sistema di ricircolo esterno con l’ambiente interno

del fotobioreattore; questo foro comunica direttamente con la pompa, e da esso la pompa preleva il

gas dall’ambiente interno per indirizzarlo di nuovo verso il sistema di ricircolo interno e garantire

dunque ricircolo e miscelamento del gas stesso con il brodo di coltura. 27

Immagine 17. Particolare foro sull’estremità superiore (riquadrato in rosso);

esso comunica direttamente con la pompa.

Posto in maniera diametralmente opposta rispetto quello inferiore è presente un terzo ed ultimo foro.

Su di esso è stata fissata un ulteriore valvola minisfera di sfogo sempre attraverso l’ausilio di colla

bicomponente e mastice. Tale regolatore ha lo scopo di svuotare il fluido all’interno del reattore,

qualora ci dovessero essere problemi, e di prelevare campioni di brodo microalgale per tenere sotto

controllo fattori importanti come il PH. A differenza della prima valvola, questa non è collegata al

sistema di ricircolo: se questo interruttore è chiuso, il sistema è completamente isolato dall’ambiente

esterno; se al contrario dovesse venire aperto, tutto il brodo di coltura fluirebbe attraverso esso e con

un tubo il flusso verrebbe indirizzato su un apposito contenitore. 28

Immagine 18. Valvola di sfogo inferiore.

Infine, l’ultimo componente relativo all’involucro esterno è la corona circolare superiore in plexi-

glass, avente diametro interno di 0,2m e diametro esterno di 0,3m. Essa è stata incollata ai due cilindri

tramite l’uso di silicone trasparente POLIMAX, perciò l’ambiente interno è isolato ermeticamente.

Su tale componente è presente un foro in cui verrà inserita una termocoppia, che ha lo scopo di tenere

sotto controllo la temperatura del brodo microalgale.

Immagine 19. Tappo superiore a corona circolare. Nel foro verrà inserita la

termocoppia. 29

Per favorire il fissaggio e tenere saldi i due tubi concentrici sono stati realizzati 4 supporti di

dimensioni 4x1 cm, ottenuti a partire da una tavola in plexi-glass tagliata tramite frollino. Sono stati

poi incollati a monte di ogni singolo reattore tramite SuperAttack e mastice MotorSil in maniera

equidistant