La coltura di microalghe e cianobatteri con luce artificiale

La coltura di microalghe e cianobatteri con luce artificiale. A cura di Giuseppe Quaranta¹, Giuseppe Torzillo^2,3

¹ Equilibrium SrL, Div. Ricerca e Sviluppo, via Cesario Console 3, I-80132 Naples, Italy

² CNR – Istituto per la Bioeconomia, Via Madonna del Piano 10, Sesto Fiorentino, I-50019 Florence, Italy

³ CIMAR – Centro de Investigación en Ciencias del Mar y Limnología, Universidad de Costa Rica, S. Pedro de Montes de Oca, San Jose, Costa Rica

Generalità

I cianobatteri, conosciuti anche come alghe verdi-azzurre, rappresentano i primi microrganismi¹ vegetali apparsi sulla terra oltre 3 miliardi di anni fa, arricchendo di ossigeno l’atmosfera terrestre attraverso il processo fotosintetico. Le microalghe, dotate di clorofilla a e b, costituiscono il primo anello della catena alimentare acquatica, sono note come fitoplancton².

La biomassa di microalghe è costituita principalmente da proteine (40-70 % del peso secco), carboidrati (10-30%), lipidi (10-20%) e ceneri (4-8 %). Comunque, la composizione biochimica delle biomasse algali può variare sensibilmente a seconda delle specie. E, nell’ambito della stessa specie, in funzione dei parametri colturali (principalmente temperatura ed intensità luminosa).

MACROALGHE	MICROALGHE
Proteine 5-9% non predeterminabili	Proteine 50-70% a seconda del ceppo
Organismi pluricellulari	Organismi monocellulari
Biochimica molto variabile	Biochimica omogenea e completa
Composizione diversa nelle parti	Ricchezza biochimica omogenea

1 Organismi viventi unicellulari di dimensioni inferiori a 0,1mm, dotati di clorofilla

2 L’insieme degli organismi vegetali autotrofi, ovvero in grado di nutrirsi delle sostanze inorganiche disciolte, che utilizzano l’energia della luce solare per scindere l’acqua per la creazione del potere riducente e energia chimica attraverso il processo fotosintetico

Oltre ai componenti principali, la biomassa include fitormoni, vitamine e acidi grassi polinsaturi, tra essi GLA (acido gamma-linolenico OMEGA-6) nella biomassa di Spirulina, l’EPA¹ (acido eicosapentaenoico OMEGA-3) nella biomassa della specie Porphyridium cruentum cresciuta in acqua di mare arricchita di nutrienti, e DHA² (acido docosaesaenoico OMEGA-3) prodotto dalla specie marina Isochrysis galbana.

Inoltre le microalghe possono essere fonte di coloranti quali ficocianina, ficoeritrina prodotte rispettivamente da Arthrospira platensis (Spirulina) e da Porphyridium, oligoelementi, antiossidanti, biopesticidi e biostimolanti.

1 L‘EFSA – European Food Safety Authority suggerisce l’assunzione di EPA in un’ampia casistica e la combinazione EPA+DHA per benessere cardiovascolare

2 Efficace nel proteggere il sistema nervoso centrale, in patogenesi come l’alzheimer come in altre malattie

Outdoor e indoor

Come si evince dalla Tab.1 (Pricipali differenze fra macroalghe e microalghe), le macroalghe sono organismi che si coltivano principalmente all’aperto in mare, cioè in condizioni colturali poco controllabili e quindi soggette a variazioni di composizione della biomassa, per essere destinate principalmente alla produzione di polisaccaridi o per packaging ed inerti in edilizia. Coltivate in mare richiedono poche risorse, nutrendosi di carbonio ed illuminate dal sole, biofissando notevoli quantità di CO₂.

Un buon articolo di Nicolò Tacconi (più che giusta la sua affermazione “Per chi sa guardarla e studiarla, la Natura è una fonte inesauribile di strategie, materiali, risorse e tecnologie che ci possono migliorare la vita”), tratta una realizzazione recente dell’A.W.I. (Istituto Alfred Wegener) per la ricerca marina e polare, pubblicato da Ecquologia² (https://ecquologia.com/le-prospettive-della-coltivazione-di-macroalghe-in-mare-aperto/), evidenziando come “gli ecosistemi acquatici sono quelli che hanno il maggiore potenziale di sequestro di carbonio”.

Infatti, uno degli obiettivi principali della produzione massiva di micro e macroalghe è la biofissazione di CO₂, i.e. 100MTons/anno (quindi con un accrescimento di circa 50 MTons/anno di alghe), per poi convertire l’alga Sargassum in bio-nafta o in etanolo da utilizzare nelle materie plastiche¹ , o biostimolanti per l’agricoltura o ancora emulsionanti a base di alghe per cosmesi e personal care.

Ma ciò che le microalghe possono darci generosamente nella c.d. coltivazione indoor, ovvero in fotobioreattori con illuminazione LED, è molto più e con una crescita maggiore poiché, in particolare con il bioreattore proposto da Equilibrium, la crescita avviene in ambiente costantemente controllato, senza contaminazioni, con le condizioni ottimali di luce (sia come intensità che omogeneità) e di temperatura, pH, miscelazione, nutrizione minerale e CO₂. Queste condizioni sono alla base per l’ottenimento di rese elevate costanti nel tempo, sia in termini di biomassa che di un determinato prodotto desiderato, sintetizzato dal ceppo.

Un fattore chiave per la crescita delle microalghe è rappresentato da una omogenea illuminazione delle culture. Infatti, a differenza della crescita batterica al buio, supportata da un composto organico (generalmente glucosio) che rimane a disposizione delle cellule per un periodo lungo, la luce invece non è un componente miscibile ma si estingue immediatamente. In altre parole o è immediatamente utilizzata oppure si perde. Quindi è strategico ottimizzare la quantità di luce somministrata, attraverso illuminazione omogenea e utilizzando una concentrazione ottimale delle cellule.

1 è un obiettivo discutibile poiché, se riciclassimo la plastica disponibile, non avremmo bisogno di produrne di nuova

In Figura 1 è rappresentata l’attenuazione della luce (somministrata sulla superficie della coltura) in funzione della concentrazione di clorofilla ( 5-24 g/l Chl a,b), in una coltura di Chlamydomonas reinhardtii.

Si può notare che adottando una concentrazione di clorofilla di 24 mg/l la penetrazione della luce è confinata entro i primi 5 cm.

Il mixing veloce delle cellule può solo in parte migliorare l’utilizzazione della luce. Ovviamente con un aumento dei costi energetici e anche possibile stress idrodinamico (shear) che potrebbero fare incrementare l’energia di mantenimento della coltura vanificando quindi il vantaggio di una incrementata miscelazione.

La crescente urbanizzazione e la crescente domanda di cibo locale di alta qualità sono alcune delle ragioni principali che guidano l’industria dell’agricoltura indoor. Le fattorie indoor urbane compatte sono una delle soluzioni per invertire la perdita di biodiversità e nutrire la popolazione in aumento senza aumentare l’area agricola da destinarvi.

Di seguito le conclusioni del più recente studio (https://doi.org/10.1007/s10811-023-03032-w ) sempre dell’A.W.I. (Istituto Alfred Wegener) in merito alle colture indoor ed alla illuminazione artificiale, elemento chiave per i fotobioreattori:

L’agricoltura indoor è un argomento di interesse crescente e l’Arthrospira platensis (nome commerciale Spirulina) a crescita rapida e altamente nutriente è una specie promettente per l’agricoltura indoor. Tuttavia, la tecnologia di coltivazione indoor e l’ottimizzazione della luce artificiale devono essere notevolmente migliorate. Le luci a LED bianco freddo offrono risultati di tasso di crescita e produzione di biomassa superiori. E sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle luci a LED bianco caldo.

Il tasso di crescita specifico ottenuto è stato superiore del 30% rispetto a quanto riportato in letteratura. Il tasso di crescita di 2,34 ± 0,07 giorno^-1 è stato ottenuto a luce fredda sotto luce continua a 33—35 °C a 400 μmol fotoni m-2 s-1.

In sintesi, concludono sottolineando l’importanza dello sviluppo basato su soluzioni di illuminazione artificiale adeguate per lunghezze d’onda (tra I 450 ed i 600 nanometri), ricordando che fotosintesi, il più importante processo biochimico sulla Terra, dal greco significa “costruire con la luce”.

PBR – Fotobioreattori

La coltivazione indoor delle microalghe e dei cianobatteri è agevolata da una importante caratteristica di questi organismi: l’assenza di steli e radici.

In 60 anni sono stati realizzati tantissimi disegni di PBR a piastre o tubolare o a serbatoio verticale o a vasca (c.d. open pond nota come raceway), la maggior parte sfruttando l’illuminazione naturale, sviluppandosi orizzontalmente poiché, causa l’attenuazione della luce, riduce notevolmente la produzione passando dai 5 cm ai 25 cm.

Tuttavia, come mostra il grafico sull’attenuazione della luce, anche il sole non è in grado di fornire la necessaria illuminazione oltre 2,5 cm di profondità di coltura con una concentrazione di soli 24 milligrammi per litro, si immagini con una concentrazione 100 o più volte superiore: semplicemente impossibile. Inoltre, deve essere precisato che una eccessiva illuminazione delle colture può comportare l’insorgenza del fenomeno di fotoinibizione (diminuzione di crescita) e in casi gravi l’insorgenza della foto-ossidazione con distruzione dei pigmenti e conseguente perdita della coltura.

Inoltre, sempre in merito al ricorso all’illuminazione artificiale, dal recente studio dell’AWI, la quantità di luce solare è limitata nelle regioni nuvolose, come la maggior parte dell’Europa, ed il ciclo di luce: buio è maggiormente 12:12, quando con la luce artificiale è possibile avere cicli 24:24 raddoppiando la crescita, con l’applicazione di c.d. flash che riducono i consumi fino a 18 volte.

Dall’immagine appena riportata, si può osservare come variano, in un mese di luglio a Firenze, le condizione di illuminazione al suolo nelle 24 ore, passando da 0 a 1.895,73 µmoli m-2 s-1 ¹.

1 Indica la quantità di luce, tra i 400 ed i 700 nanometri, espressa in micromoli di fotoni al secondo per m², necessaria per la fotosintesi (PPFD – PHOTOSYNTHETIC PHOTON FLUX DENSITY)

Nell’immagine successiva si ha la sinossi delle condizioni, sempre di illuminazione al suolo in µmoli m-2 s-1, confrontate nei mesi di luglio e dicembre in Firenze e nel mese di dicembre in Firenze e Turku. Non può sfuggire come, in Finlandia, il sole di dicembre non permetta la fotosintesi neanche in superficie.

Non solo la gestione della luce è il punto di forza dei PBR (fotobioreattori) progettati da Equilibrium¹, bensì anche il vantaggio di un sistema chiuso che garantisca il necessario isolamento per mantenere passivamente l’ottimale temperatura di coltura (lo stesso impianto ha la stessa operatività in Sicilia come in Finlandia, in estate e inverno) evitando altresì la sua contaminazione ed il ciclo continuo di processo, con l’immissione di CO₂ azotati fosfati nitrati secondo un prestabilito tasso di diluizione, specifici per ceppi diversi, favorendo la maggiore crescita di biomassa algale.

1 Società di ricerca scientifica in elettronica, biotecnologie, energia ed ambiente – Napoli – Italia

Come evidenziato precedentemente, è importante non perdere la peculiarità di questi organismi nella crescita ininterrotta dal ciclo circadiano.

I vantaggi del sistema continuo chiuso sono molteplici:

• rese in biomassa più elevate in quanto i fattori di crescita (principalmente luce e temperatura) sono ottimali;
• composizione biochimica sostanzialmente costante;
• a differenza delle colture tradizionali, la coltivazione continua delle microalghe è possibile in quanto non richiedono periodi di buio come le piante superiori, necessari per rigenerare alcuni componenti biochimici;
• sviluppo del PBR verticale con limitato footprint e water print (consumo d’acqua);
• indipendenza dalle regioni geografiche, con possibilità di installare il PBR in qualsiasi regione/nazione in quanto svincolato dai fattori ambientali esterni di luce ed eventualmente di temperatura.

Un problema che si presenta nelle colture in fotobioreattori chiusi rispetto alle vasche aperte è la necessità di garantire il c.d. stripping dell’ossigeno, ovvero l’asportazione dei gas (in questo caso l’ossigeno) o delle sostanze volatili dal liquido. Una coltura algale produce quasi tanto ossigeno quanta è la CO₂ che biofissa, quindi è indispensabile evitarne concentrazione che dapprima inibirebbe la fotosintesi e quindi causerebbe la morte dei microrganismi. Comunque, lo stripping dell’O₂ è relazionato alla crescita ed allo spessore colturale. L’immissione d’aria dal fondo è sufficiente a garantire un adeguato controllo della concentrazione di O₂ disciolto e prevenire il superamento della soglia tossica che si aggira intorno a 25-30 mg/l in Artrospira platensis.

Il livello di tossicità è funzione della temperatura. In vasche aperte il fenomeno di fotoinibizione è più probabile al mattino, quando la temperatura della coltura è intorno a 20° C mentre la luce sale con molta rapidità. Questa disincronizzazione fra temperatura e luce può creare le condizioni di fotoinibizione. Viceversa, in un PBR illuminato artificialmente entrambi i fattori ambientali (luce e temperatura) sono sostanzialmente costanti.

Una ultima considerazione sull’illuminazione realizzata da AWI. Sono stati utilizzati LED con cono di emissione std di 120° ed efficienza effettiva di 100 lm/W, posti esternamente al fotobioreattore trasparente, a distanze tra i 15 ed i 35 cm dal suo bordo esterno.

A 15 cm dalla sorgente si avranno meno il 4,5 Lumen/Watt, a 35 cm resteranno meno di 0,9 Lumen/Watt della emissione originale diversamente da Equilibrium che, grazie ad un coating proprietario, una nanotecnologia che viene applicata direttamente sulla delicata superficie foto emittente dei LED, immerge l’illuminazione artificiale direttamente nel liquido di coltura all’interno del fotobioreattore senza rischiare l’oscuramento a causa del biofilm algale che in sole 24 inizia a depositarsi ovunque.

Grazie a ToLedO l’efficienza luminosa reale è ben oltre 250Lumen/Watt con un consumo di 135 kWh/anno per metrocubo con le lunghezze d’onda specifiche.

Le microalghe possono produrre proteine, considerando fotobioreattori a vasca, fino a 15 Tons/ha/anno rispetto alle 0,6 – 1,2 della soia. {Koyande, A. K., Chew, K. W., Rambabu, K., Tao, Y., Chu, D. T., & Show, P. L. (2019). Microalgae: A potential alternative to health supplementation for humans. Food Science and Human Wellness, 8(1), 16-24}.

Con i fotobioreattori a serbatoio verticale l’occupazione di 1 ha di suolo, non necessariamente fertile, porta a 429,24 le tonnellate di Spirulina producibili in un anno per ettaro (impianto PBRx1 di 20 serbatoi verticali da 49m³ ciascuno).

Le colture algali, per le loro caratteristiche nutrizionali, il pressoché nullo consumo d’acqua, a parte quello necessario per coprire lo splitting dell’acqua ad opera del fotosistema 2, il basso costo energetico e lo sviluppo verticale, sono sicuramente una delle risposte concrete alla crescente domanda di risorse alimentari a costi contenuti per la popolazione del Pianeta.

Utilizzo

Un gran numero di Atenei e centri di ricerca sottolineano i vantaggi nell’uso, in particolare di Spirulina (cianobatteri, impropriamente alghe azzurre o alghe verdi-azzurre o cianoficee, sono un divisione di batteri fotosintetici) e di Chlorella, come integratori alimentari e farmaceutica (nutraceutica). Mineralizzanti venti volte superiori a quella delle verdure terresti e rinforzanti per l’immunità naturale del corpo, contengono iodio, magnesio, potassio, calcio, ferro, manganese, fosforo, zolfo, rame, oro, silice, ricche di vitamine: A, B, C, D, E, F, K, PP, di clorofilla, di aminoacidi e di sostanze antibiotiche, sono antiossidanti, anticancro, antidiabetici, antiipertensivi, antiiperlipidemici.

Escludendo chi soffre di ipertiroidismo, tutti dovremmo assumere quotidianamente alghe, con benefici per il sistema circolatorio, per il cuore tonificato, per lo stomaco come digestivo ed antiacido, per disinfettare l’intestino, per i reni, aumentando la bellezza naturale della pelle, prevenendo le rughe, aiutando la capigliatura, rinforzando le unghie.

Oltre la nutraceutica non vanno sottovalutate altre utilizzazioni della coltura algale come di seguito descritte:

1. Alimentazione animale

Negli allevamenti l’integrazione alimentare con microalghe

• presenta un effetto ipocolesterolemizzante;
• migliora la risposta immunitaria;
• promuove la crescita animale, la resa produttiva e migliora la qualità della carne e delle uova;
• offre resistenza alle malattie attraverso un’azione antivirale e antibatterica, in particolare con i ceppi Chlorella grazie alla clorellina (un fattore di crescita risultato stimolante la crescita di lieviti) ad azione antibiotica;
• migliora la funzione intestinale, arricchendo la colonizzazione dei probiotici;
• aumenta la conversione alimentare;
• aumentano le prestazioni riproduttive;
• aiutano nel controllo del peso.

2. Agricoltura

In agricoltura le alghe, in polvere sparsa quale concime a rilascio lento direttamente sul suolo o aggiunta al compost, sono biostimolanti ovvero promotori della crescita, apportando grandi vantaggi, anche agli allevamenti di lombrichi, poiché rendono l’humus più ricco ed offrono i seguenti benefici:

• aumento delle rese;
• contrasto delle carenze micronutritive;
• maggiore resistenza alle malattie;
• protezione dalle gelate;
• migliore conservabilità dei raccolti;
• migliore colore e durata dei fiori;
• apparato radicale più espanso e migliore resistenza alla siccità;
• aumento della germinabilità.

(nota: d.L. 75/2010 e s.m. 10/07/2013, viene inserita la sezione “Prodotti ad azione specifica sulla pianta – Biostimolanti”, definiti come prodotti che apportano ad un altro fertilizzante o al suolo o alla pianta, sostanze che favoriscono o regolano l’assorbimento degli elementi nutritivi o correggono determinate anomalie di tipo fisiologico).

Utilizzazioni residue

La coltura di questi organismi offre ulteriori vantaggi in particolari condizioni, ovvero quando utilizzati per sottrarre all’ambiente inquinanti come i.e. metalli pesanti o arsenico, evitando di riportarli in ciclo o di gravare sulle discariche con pesi/volumi importanti, elaborandoli come biomassa con un P.C.I. di 20 MJ/kg.

Infine offrono la soluzione per la gestione di residui scomodi, come la frazione liquida digestato derivante dalla fermentazione anaerobica dei residui vegetali per la produzione di metano, o deiezioni solide e liquide di natura zootecnica, con sostanze come nitriti, nitrati, ammonio (principalmente) e potassio troppo spesso dispersi nei terreni agricoli o nei corsi d’acqua come anche siero del latte. Esistono chiare evidenze che la crescita delle microalghe alimentate con digestati è uguale o addirittura superiore a quella realizzata su mezzi minerali. La complessa natura del digestato (presenza di micronutrienti o di sostanze biostimolanti) sembra spiegare la migliore crescita.

Queste sostanze, fortemente inquinanti a causa delle rilevanti quantità totali, diventano ottima alimentazione per questi “eroici” microrganismi.