ITMI981149A1

ITMI981149A1 - Produzione colturale asp di micro-organismi ad alto contenuto di proteine vitamine pigmenti

Info

Publication number: ITMI981149A1
Authority: IT
Inventors: Gregorini Giovanni Ventura; Francesco Calcagni
Original assignee: Microalgae Spa
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 1999-11-22
Also published as: AU3724099A; EP1002049A1; WO1999061577A1

Description

DESCRIZIONE

A corredo di una domanda di brevetto di invenzione industriale

dal Titolo: "Produzione colturale ASP di micro-organismi ad alto contenuto di proteine, vitamine, pigmenti",

La presente invenzione nella sua generalità concerne la produzione colturale di microorganismi e riguarda in particolare un sistema di coltura ad alta flessibilità, capace cioè di prestarsi alla produzione di una vastissima gamma di microalghe ad elevato contenuto di proteine, vitamine, pigmenti ecc. estremamente interessanti per:

- l’alimentazione umana (in specie, l’antichissima cianoficea Spirulina sp.) e animale (integratori di mangimi agenti eventualmente anche da impartitori di colorazione alle carni delle specie allevate);

- usi farmaceutici e cosmetici (vedasi le cloroficee ricche di beta-carotene, i fitoplanctonti contenenti vitamine quali BI2, B6, D, E, K, PP o fattori vitaminici quali l’acido erotico e le pterine , le microalghe contenenti fattori antimicotici-o quelle per l’ottenimento di amminoacidi , steroli, acidi grassi in specie poliinsaturi e anticolesterolici come l’acido esapentenoico);

Il trovato comprende oltre ai sistemi, anche i procedimenti e impianti alla base di essi sistemi, ASP (Advanced Sensing Production) .

Tecnica nota

Nel brevetto svizzero n° CH-A-687024 e nel WO-A-96/23865 è descritto un procedimento per effettuare industrialmente la coltura di microalghe in circuito chiuso nel quale:

- si fa circolare un liquido contenente dette microalghe che:

- viene mantenuto a temperatura entro valori prefissati

iniettato con C02 e sostanze nutritive

- esposto a radiazione solare in una zona trasparente del circuito (fotosintesi)

- privato dell’ossigeno sviluppatesi e

- separato dalle alghe prodottevi, che vengono poi estratte dal circuito chiuso.

Il brevetto Europeo EP-A-03 10522 descrive un dispositivo di produzione intensiva e controllata per fotosintesi di microorganismi in sospensione in un mezzo liquido, comprendente almeno:

- un fotobioreattore su una distesa d’acqua consistente in un primo gruppo di tubi trasparenti alla luce nei quali circola il mezzo liquido di crescita e di un secondo gruppo di tubi disposto sotto al primo, in modo da rendere sommergibile o meno il fotobioreattore.

- Un carbonatatore, alimentato da C02 pura o diluita;

- Un degasatore per l’eliminazione dell’02 prodotto dai microrganismi e

- Un vaso di espansione per compensare le eventuali variazioni di volume di liquido nel fotobioteattore

I sistemi (e relativi processi, dispositivi e impianti) del genere hanno certamente vantaggiosi aspetti innovativi senza però essere esenti da inconvenienti che, fra l’altro, ne hanno limitato la diffusione pratica: ad esempio la posa del fotobioreattore (secondo ΓΕΡ-A-03 10522) su distese di acqua, che in particolare potrebbe essere quella di scarico da vasche di reattori nucleari, comporta il rischio e pericolo che in caso di rottura di almeno un elemento del fotobioreattore. ci sarà contaminazione batterica che comporterà l’inevitabile sostituzione dei liquidi sia colturale (aU’intemo del fotobioreattore stesso) sia di raffreddamento (nella vasca sulla quale il fotobioreattore è posto). Inoltre la necessità di utilizzare l’acqua contenuta nella vasca come mezzo di raffreddamento, limita l’applicazione di questa tecnica a piccoli bacini (per lo più progettati allo scopo) e non ne permette l’applicazione a distese d’acqua naturale non calme, cioè sempre in movimento.

Il degasatore è in genere costituito da un recipiente con ingresso e uscita del liquido colturale dal basso e con un tubo ad U aperto nella porzione superiore di detto recipiente per la raccolta dell’02 presente nella fase gassosa sovrastante il liquido. L’eliminazione deU’02 con un solo degasatore in particolare del tipo a recipiente, non permette una agevole e completa eliminazione del gas.

Tra i limiti più vistosi della tecnica nota ci si limita a enfatizzare, oltre all’incapacità di operare su distese d’acqua naturale in movimento, e con ampie escursioni termiche nel corso dell’anno , anche Γ insufficienza del degasaggio, che non solo comporta il mancato raggiungimento delle desiderate alte concentrazioni cellulari, ma anche un ridotto sfruttamento del fotobioreattore limitato alle sole porzioni di impianto nelle quali non si è ancora raggiunta la saturazione che per contro certamente si verifica su altre porzioni di detto impianto.

Scopo del presente trovato è quello di provvedere un sistema (con relativi procedimenti, impianti e dispositivi) che elimini almeno gli inconvenienti suddetti, in particolare sia utilizzabile su tutti i possibili siti (compatibilmente con una sufficiente irradiazione luminosa da parte del sole).

Altro scopo dell’invenzione è quello di provvedere un sistema con controllo fine della temperatura del liquido colturale.

Un ulteriore scopo è quello di fornire un sistema di degasaggio particolarmente efficiente anche perché a distribuzione criticamente differenziale.

Questi ed altri scopi sono raggiunti con il sistema ASP (e relativi procedimenti , impianti e dispositivi) secondo l’invenzione , le cui caratteristiche più notevoli sono recitate nelle rivendicazioni in calce che si ritengono qui incorporate.

I diversi aspetti e vantaggi del trovato appariranno più chiaramente dalla descrizione seguente delle forme di realizzazione (peraltro illustrative e non limitative) rappresentate nei disegni di accompagnamento nei quali:

la figura 1 è uno schema generale a blocchi delPimpianto ASP

le figure 2, 2’, 2” sono viste schematiche, parzialmente frontali e in sezione di tre vantaggiosi sottosistemi di controllo della temperatura secondo il trovato

le figure 3 e 3’ sono viste schematiche rispettivamente dall’alto e di lato dell’inventiva disposizione differenziale di fasci tubieri e degasatori secondo l’invenzione

- la figura 4 è una vista schematica (in proiezione ortogonale) di uno dei degasatori di linea secondo l’invenzione

la figura 5 è una vista parzialmente sezionata del degasatore principale

- la figura 6 è lo schema di controllo (secondo l’invenzione) : x) della temperatura del liquido colturale, y) del pH del mezzo colturale, z) della quantità di ossigeno disciolta nel mezzo colturale, w) della concentrazione cellulare nel mezzo colturale, j) dell’integrità del sistema tubiero, k) della concentrazione salina del mezzo di coltura - le figure 7 e 7’ sono diagrammi relativi ai controlli di temperatura e pH del mezzo colturale rispettivamente .

le figure 8 e 8’. a sono disegni esplicativi dei vantaggi ottenuti utilizzando, sotto il foto bioreattore ASP, una particolare pavimentazione secondo l’invenzione.

Nello schema generale a blocchi di figura 1 i riferimenti numerici indicano quanto di seguito riportato, potendo individuare tre sezioni generiche, la sezione I di trattamento dell’acqua (STA) formata dalle unità 5, 6, 7, 8, 9, nella quale si svolgono tutti quei trattamenti atti a purificare l’acqua proveniente dalla sorgente in modo che poi possa essere ricondizionata nella maniera desiderata; la sezione Π di crescita della biomassa (SCB) formata dalle unità 13,14,15,16, nella quale vengono realizzate criticamente e sinergicamente, cioè in concomitanza, più fattori, quali la luce incidente, la presenza di nutrienti , le adatte condizioni fisico chimiche (T, pH), che permettono la crescita cellulare; la sezione III di separazione della biomassa (SSB) formata dalle unità 18 e 19, nella quale si ha la separazione della biomassa prodotta dal liquido costituente il terreno di coltura, e inoltre si effettua il lavaggio di tale biomassa separata dai sali residui. Le altre unità che non rientrano in queste sezioni hanno ognuna una finizione specifica e non possono essere accomunate in una finizione generica. Segue la descrizione delle diverse unità.

1) una sorgente d’acqua (SA), non alimentata dalla quale esce acqua A; 2) lo stoccaggio di micronutrienti (Smic) che ha come funzione la conservazione dei micronutrienti in condizioni atte al non deperimento e nel quale entrano micronutrienti (mie) che vengono in uscita diretti alla unità di presolubilizzazione (PS) e all’unità ausiliaria di solubilizzazione dei nutrienti (USa); 3) lo stoccaggio dei macronutrienti (Smac) che ha come funzione la conservazione dei macronutrienti (mac) in condizioni atte al non deperimento del prodotto; i macronutrienti entrantivi sono diretti all’unità di solubilizzazione principale (USP) e all’unità ausiliaria di solubilizzazione dei nutrienti (USa); 4) una unità di presolubilizzazione dei micronutrienti (PS) la cui funzione è quella di effettuare una presolubilizzazione dei micronutrienti in acqua, i quali dovendo essere dosati in quantità molto basse è preferibile aggiungerli già sotto forma di soluzione; la soluzione di micronutrienti in acqua ivi formatasi viene inviata all’unità di solubilizzazione principale (USP); 5) una unità di filtrazione (UF) che ha la funzione di eliminare le impurezze in forma di particelle sospese nell’acqua proveniente dalla sorgente (SA) più quella che viene riciclata dalla sezione di separazione della biomassa (SSB); l’acqua uscente da questa unità (F) viene inviata alla seguente unità di addolcimento (UA); 6) ima unità di addolcimento (UA) nella quale l’acqua proveniente dalla unità di filtrazione (UF) viene privata della durezza temporanea e permanente; l’acqua così trattata viene inviata in un serbatoio di accumulo (SAI); 7) un serbatoio di accumulo (SAI) che ha la funzione di fare da polmone tra l’unità di addolcimento (UA) e la seguente unità di osmosi (UO); l’acqua uscente dal serbatoio di accumulo (SAI) viene inviata nella unità di osmosi (UO); 8) una unità di osmosi inversa (UO), che ha la funzione di eliminare ogni tipo di sostanza disciolta nell’acqua proveniente dalla unità di addolcimento (UA), a partire da tutti i sali non eliminati nell’unità di addolcimento (UA), fino all’eliminazione della carica batterica; avendo tale operazione un rendimento di circa il 50-60%, l’acqua residua viene, previo ricondizionamento utilizzata per la coltura di altre specie algali; l’acqua trattata uscente dalla unità di osmosi inversa viene inviata in un serbatoio di accumulo (SA2); 9) un serbatoio di accumulo (SA2) la cui funzione è quella di immagazzinare l’acqua osmotizzata, fino al momento in cui questa viene utilizzata; l’acqua uscente dal serbatoio di accumulo (SA2) viene inviata nella gran parte all’unità di solubilizzazione principale (USP), e in quantità minore alle unità di preso lubilizzazione dei micronutrienti (PS), di solubilizzazione secondaria dei nutrienti (USS), e alla sezione di separazione della biomassa (SSB) per il lavaggio della stessa biomassa; 10) una unità di solubilizzazione principale (USP), nella quale si ha la miscelazione dell’acqua proveniente dal serbatoio di accumulo (SA2), dei. macronutrienti provenienti dall’unità di stoccaggio dei macronutrienti (Smac) e della soluzione proveniente dalla unità di preso luhilizzazione dei microniitrienti (PS), allo scopo di preparare terreno di coltura fresco da utilizzarsi come substrato per la crescita dei microorganismi; l’acqua uscente dalla unità di solubilizzazione principale (USP) viene inviata nella linea del liquido colturale dopo il degasatore principale (DP) e prima della pompa di circolazione (PC); 11) una pompa di circolazione (PC) del tipo a lobi (ma non limitando l’utilizzo di altri tipi), che ha la funzione di movimentare il liquido colturale all’interno del circuito di crescita; la pompa di circolazione (PC) preleva liquido colturale arricchito in biomassa, LCAB proveniente dal degasatore principale (DP) all’occorrenza diluito con terreno di coltura fresco, TCF proveniente dall’unità di solubilizzazione principale (USP) e lo invia nell’unità di controllo del pH ( UCpH); 12) una unità di controllo del pH (UCpH), che ha la funzione di regolare il pH del liquido colturale uscente dalla pompa di circolazione (PC), LCABD al valore più opportuno per la specie allevata mediante insufflaggio di un gas acido o alcalino a seconda delle necessità; il liquido colturale uscente da questa unità viene inviato alla torre di raffreddamento 1 (TRI); 13) una torre di raffreddamento 1 (TRI) che ha la molteplice funzione di regolare la temperatura del liquido colturale al valore più opportuno per la specie allevata , di permettere un ulteriore degasaggio del liquido colturale in ausilio al degasatore principale (DP) e di permettere se necessario uri ulteriore insufflaggio di gas per il controllo del pH; il liquido colturale uscente dalla torre di raffreddamento 1 (TRI) viene inviato al primo stadio del fotobioreattore ASP (FBR1);14) un primo stadio del fotobioreattore ASP (FBR1); secondo un aspetto del trovato il fotobioreattore ASP è diviso in m moduli (nella fig. 1 uno solo dei moduli è rappresentato) ognuno dei quali composto di almeno due stadi ciascuno dei quali comprendente n fasci tubieri e n’ degasatori di linea (n uguale o diverso da n’), con n e n’ essendo scelti in modo che una relativa torre di raffreddamento è sufficiente a mantenere la temperatura entro i limiti prefissati per tutto il tratto relativo ad imo stadio; la funzione del fotobioreattore ASP è quella di creare le condizioni ottimali per la crescita dei microrganismi, senza che questi vengano mai a trovarsi in contatto con l’ambiente esterno. La presenza dei degasatori di linea permette inoltre di ottimizzare la distribuzione dei nutrienti secondo il criterio delle aggiunte maggiori in corrispondenza di concentrazioni cellulari maggiori; il liquido colturale uscente dal primo stadio (FBR1) del fotobioreattore ASP entra nel secondo stadio del fotobioreattore ASP (FBR2), attraversando analogamente a quanto accade nel primo stadio la torre di raffreddamento 2 (TR2); 15 una torre di raffreddamento 2 (TR2) con funzione analoga a quella della torre di raffreddamento 1 (TRI);il liquido colturale uscente dalla torre di raffreddamento TR2 entra nel secondo stadio del fotobioreattore ASP (FBR2); 16) un secondo stadio del fotobioreattore ASP (FBR2) con funzione analoga a quella del primo stadio (FBR1);il liquido colturale uscente dal secondo stadio del fotobioreattore ASP (FBR2) viene inviato di norma al degasatore principale (DP), tranne quando la concentrazione cellulare raggiunge un valore prefissato Cmgx in tal caso il liquido viene inviato alla sezione di separazione della biomassa (SSB); 17) un degasatore principale (DP) la cui funzione è quella di eliminare l'ossigeno prodottosi nel liquido colturale all'interno del fotobioreattore ASP per effetto della crescita fotosintetica dei microrganismi; il liquido colturale uscente dal degasatore principale viene inviato alla pompa di circolazione (PC); 18) un primo stadio di separazione della biomassa (SS1) costituito da un vibrovaglio con maglia filtrante di dimensioni opportune alla specie coltivata, la cui funzione è quella di separare la biomassa prodotta dal liquido; 19) la biomassa prodotta viene inviata al secondo stadio di separazione della biomassa (SS2) mentre l'acqua separata viene riciclata alla sezione di trattamento dell'acqua (STA); il secondo stadio di separazione della biomassa (SS2) è costituito anch'esso da un vibrovaglio; in questo secondo stadio viene aggiunta acqua osmotizzata proveniente dal serbatoio di accumulo (SA2) che ha la funzione di lavare la biomassa dai sali residui dal primo stadio di separazione della biomassa (SS1); l'acqua di lavaggio uscente da questo stadio viene anch'essa riciclata alla sezione di trattamento dell'acqua (STA); 20) una unità di stoccaggio del gas per il controllo del pH (USG), consistente di un evaporatore freddo che ha la funzione di immagazzinare il gas utilizzato per il controllo del pH;il gas uscente da questa unità viene inviato all'unità di controllo del pH (UCpH), e distribuito (se necessario) ai degasatori di linea nei due stadi del fotobioreattore ASP; 21) una unità di solubilizzazione secondaria (USS) la cui funzione è quella di preparare una soluzione concentrata di nutrienti (macro e micro) da aggiungersi (se necessario) in corrispondenza dei degasatori di linea.

Aspetti generali del controllo automatico :

Il sistema ASP (Advanced Sensing Production) di fig. 1 si presenta vantaggiosamente ad un controllo informatizzato.

Il sistema di controllo dell’impianto (rappresentato in maniera schematica in figura 6), secondo il trovato è in grado di monitorare, registrare e correggere tutti i parametri influenti la crescita dei microorganismi all’ interno dei fotobioreattori ASP. Di preferenza, i parametri critici controllati sono cinque, cioè:

x) Temperatura del liquido colturale

y) pH del liquido colturale

z) Quantità di ossigeno disciolta nel liquido colturale

w) Concentrazione cellulare

j) Integrità del sistema tubiero

X) Temperatura del liquido colturale

In questa sede viene mostrato il funzionamento del sistema di regolazione della temperatura nella sua versione raffreddante.

E’ questo un parametro di fondamentale importanza per il mantenimento in vita delle microalghe all’interno del mezzo di coltura. Esiste un valore della temperatura che è ottimale per la crescita cellulare, che chiameremo Topt; in corrispondenza di questo valore la crescita cellulare è massima. Discostandosi da Topl (sia in un verso che nell’altro) la crescita cellulare rallenta. Importantissimo ai fini del mantenimento della vita è non superare una temperatura massima che chiameremo Τ^ , oltre la quale hanno inizio fenomeni di lisi cellulare con conseguente diminuzione della biomassa viva e possibilità di proliferazioni batteriche dovute alla decomposizione della frazione di biomassa lisa.

L’esistenza di una temperatura di controllo minima, che chiameremo T™,,, nasce invece da considerazioni di carattere economico, dovute al fatto che le microalghe crescono sempre meno al diminuire della temperatura fino a che di fatto raggiungono una fase di stasi nella quale di fatto, non si ha più produzione di biomassa. Secondo un aspetto del trovato, la temperatura del liquido colturale all’ interno del fotobioreattore ASP viene regolata aumentando o diminuendo la quantità di calore estratto nelle torri di raffreddamento, ed inoltre aumentando o diminuendo la velocità del liquido (come vedremo più avanti, questo secondo metodo ha più lo scopo di “livellare” le temperature nel fotobioreattore ASP). Delle sonde termometriche poste in punti chiave sul fotobioreattore ASP, leggono la temperatura del liquido colturale ed attivano il sistema di controllo.

Come riportato in Figura 1, la temperatura su ogni stadio del fotobioreattore ASP è monitorata all’inizio e alla fine. La lettura iniziale serve per vedere se il raffreddamento nella torre precedente ha portato il liquido sotto Tmin, mentre la lettura finale serve per vedere se il liquido attraversando lo stadio di fotobioreattore ASP si è riscaldato oltre T,^. La priorità nel sistema di controllo è comunque affidata a Tmax (dipendendo dal superamento di essa la stessa sopravvivenza dei microorganismi).

Di preferenza le torri di raffreddamento (TRI e TR2) sono dotate di tre stadi di raffreddamento che entrano in funzione in cascata, e secondo il seguente ordine (figura 6): - Primo stadio: quando la temperatura in corrispondenza di TC2 e TC4 raggiunge un certo valore, che chiameremo T! (Topt<T , <Τ^Χ) si ha l’apertura delle valvole VI e V2. Secondo stadio: se, malgrado l’apertura delle valvole VI e V2 la temperatura continua a salire e raggiunge un valore T2 entra in funzione il primo stadio di ventilazione (VE1).

Terzo stadio: se, malgrado l’apertura delle valvole VI e V2 e il funzionamento del primo stadio di ventilazione VE1 la temperatura raggiunge un valore T3 ( T2<T3<Tmax), entra in funzione il secondo stadio di ventilazione (VE2).

In corrispondenza di un eventuale raggiungimento di Tmax, l’elaboratore (CPU) attiva un sistema di irrigazione esterno al fotobioreattore, che produce una pioggia di acqua sui fasci tubieri.

E’ possibile che in giornate particolarmente calde e in condizioni di intensità luminosa molto elevata, l’esigenza di tenere la temperatura sotto al valore Tmax comporti che in corrispondenza di TC1 e TC3, la temperatura scenda sotto Tmin. In tale eventualità l’elaboratore aumenta la velocità di rotazione della pompa di circolazione PAI, ottenendo di fatto un “livellamento” delle temperature lungo il circuito idraulico, come rappresentato in figura 7.

y) pH del mezzo colturale

Anche in questo caso può accadere che determinate specie algali presentino un tasso di crescita molto elevato. In questa sede descriveremo il funzionamento del sistema di controllo del pH per il caso della microalga Spirulina, per la quale la crescita ha come conseguenza l’aumento del pH, per cui il gas correttore di pH che si insuffla nel mezzo è anidride carbonica, che oltre a svolgere la funzione di apportatore di carbonio per la sintesi cellulare, provvede anche a riportare il pH ai livelli ottimali In condizioni di crescita molto spinta è possibile che affinché si mantenga il pH entro i limiti in corrispondenza di pH3, sia necessario insufflare molta anidride carbonica nel circuito, fino a far scendere il pH in corrispondenza di pHl sotto al valore pHmin. In tale evenienza, pHl invia la lettura all’elaboratore che corregge la portata di anidride carbonica in V7 e apre in progressione le valvole V3, V4, V5, V6, VI 1, V10, V9 (figura 6).

In Figura 7’ è indicata questa differenza tra un intervento di tipo localizzato (come è quello mediante apertura di V7) e un intervento distribuito (come è quello mediante apertura, oltre che di V7 anche delle altre valvole distribuite sul fotobioreattore ASP).

z) Ossigeno Disciolto nel Mezzo colturale

La reazione di fotosintesi cellulare, può essere riassunta nella relazione

luce

Anidride carbonica nutrienti m * Biomassa Ossigeno

La presenza di elevate quantità di ossigeno nel mezzo colturale è deleteria in quanto sposta requilibrio sopra scritto a sinistra. Bisogna inoltre considerare il fatto che molte delle sostanze presenti sulla membrana e all’interno delle cellule algali sono facilmente ossidabili per cui è necessario allontanare al più presto possibile l’ossigeno dal mezzo di coltura.

L’impianto qui descritto è progettato in modo da favorire il più possibile l’eliminazione dell’ossigeno dal liquido colturale. Comunque, per maggior sicurezza e al fine di evitare eventi indesiderati è previsto un controllo della concentrazione di ossigeno nel mezzo colturale. Due sonde per la misurazione della concentrazione di ossigeno sono poste nei punti chiave dell’ impianto. Queste sono CC2 e CC3 (figura 6). Nel caso la concentrazione di ossigeno dovesse superare un livello massimo, che chiameremo Omax le sonde inviano tale informazione all’elaboratore, il quale fa aumentare la velocità del liquido colturale nel fotobioreattore ASP, aumentando il numero di giri della pompa di circolazione PC.

All’aumentare della velocità del liquido, aumentano le turbolenze che questo crea nel degasatore principale e anche nei degasatori di linea, favorendo appunto la liberazione dell’ossigeno.

Un indicatore CI1 legge continuamente la concentrazione di ossigeno all’uscita del degasatore e la invia all’elaboratore il quale la registra. Tale misura non di principale importanza ai fini del controllo, mostra nel tempo l’efficienza del degasatore, e può dare una valida indicazione sui tempi, trascorsi i quali è necessario effettuare delle opere di manutenzione sul degasatore stesso.

wì Concentrazione Cellulare

L’operazione di estrazione della biomassa dal liquido colturale diviene economicamente conveniente solo quando si è oltrepassata una certa concentrazione che chiameremo Cmin. Inoltre è conveniente che la concentrazione non superi mai un certo valore che chiameremo Cmax, per evitare che si entri nella fase stazionaria della crescita cellulare, nella quale possono aver luogo fenomeni di “invecchiamento” della coltura. A tale scopo una sonda posta all’uscita del fotobioreattore ASP, CC1 è in grado di leggere in continuo la concentrazione cellulare e non appena si raggiunge il valore Cmax, essa lo segnala all’elaboratore, il quale apre la valvola V8 e favorisce il deflusso di liquido colturale arricchito alla sezione di separazione della biomassa. Contemporaneamente, si ha l’apertura della valvola V12 attraverso la quale, terreno di coltura fresco viene introdotto nel fotobioreattore ASP. Nel momento in cui la concentrazione scende di nuovo (per effetto del reintegro) sotto il valore Cmjn, le valvole V8 e VI 2 vengono chiuse.

In Figura 6 è rappresentato il sistema di controllo della concentrazione cellulare.

i') Integrità del sistema tuhiero

Le ragioni che possono portare alla perdita di liquido dal fotobioreattore ASP sono sostanzialmente 2.

- Rottura di un tubo: in tal caso la perdita di liquido è repentina

- Non perfetta tenuta dei sistemi di giunzione tra tubi e degasatori: in questo caso la perdita può essere molto contenuta ma protrarsi nel tempo

Nel caso si verifichi la prima evenienza , un misuratore di pressione, PCI rileva la caduta di pressione sul circuito idraulico, trasmettendo il dato all’elaboratore il quale aziona un segnale di allarme. Il tubo rotto viene sostituito nel più breve tempo possibile.

Nel caso in cui invece si verifica la seconda evenienza, difficilmente il misuratore di pressione riesce a distinguere la caduta di pressione dovuta ad una piccola perdita, dalle oscillazioni dovute alle continue turbolenze nel circuito idraulico (rumore). In tal caso un misuratore di livello liquido LC1 posto nel degasatore principale (in una zona dove vengono convenientemente ridotte le oscillazioni del liquido) è in grado di valutare la diminuzione del liquido nel circuito. Tale misuratore trasmette il dato all’elaboratore il quale anche in questo caso aziona un allarme per sollecitare la riparazione.

In Figura 6 è rappresentato il sistema di allarme nel caso di rotture nel circuito idraulico. Tra i vantaggi più notevoli del trovato, oltre al sopra menzionato sistema di controllo elettronico, ci si limita a menzionare i seguenti:

Pavimentazione sottostante le batterie tubiere

La pavimentazione sottostante le batterie tubiere riveste una certa importanza. Essa è realizzata in microghiaia bianca, con una granulometria non superiore a 2,5 mm. La sua funzione è quella di riflettere la luce in modo diffuso (figura 8’) e non diretto (figura 8), in tal modo si riduce l'effetto lente e i rischi di fotolisi cellulare. Dunque la pavimentazione è un elemento strutturale dell'impianto ASP che svolge una sua ben precisa funzione.

Batterie tubiere

E' opportuno descrivere più in dettaglio sia la disposizione dei tubi trasparenti che i degasatori di linea.

Disposizione dei tubi

Su ogni stadio di ogni modulo del foto bioreattore ASP, i tubi trasparenti sono montati su due file sovrapposte (figura 3’). Tale disposizione è stata effettuata per perseguire i seguenti scopi:

■ Ombreggiamento da parte dei tubi superiori nei confronti di quelli inferiori. Tale disposizione permette di ridurre l'effetto lente nei tubi inferiori, in quanto su di essi incide più luce diffusa (in parte deviata dai tubi superiori e in parte riflessa dalla pavimentazione) che diretta.

Questo comporta oltre che un più contenuto riscaldamento del liquido colturale, rispetto al caso in cui i tubi fossero montati tutti su di un solo piano, anche una minore quantità di energia radiante diretta, ottenendo così una riduzione del rischio di fotolisi del materiale cellulare.

■ La disposizione dei tubi su due piani ha inoltre lo scopo di diminuire gli sbalzi di temperatura dovuti al vento. Infatti la distanza fra i due piani è tale che si crei (per vento orizzontale) un parziale impedimento al libero passaggio dell'aria tra le due schiere, questo comporta una diminuzione della velocità del vento e di fatto, dello scambio termico (sia in riscaldamento che in raffreddamento) tra aria e liquido colturale.

Degasatori di linea (figura 4)

Tali degasatori vanno disposti lungo i fasci tubieri del fotobioreattore ASP in base ad una legge pseudo esponenziale (figura 3). Tale legge è frutto di diverse considerazioni, in particolare basate sulle seguenti assunzioni

- La legge che descrive la crescita di tutta una serie di microorganismi (tra cui quelli che crescono nei fotobioreattori ASP) è una legge di carattere esponenziale

- La quantità di ossigeno prodotto dalla reazione fotosintetica di sintesi cellulare è in relazione alla quantità di biomassa prodotta, avendo assunto per tale relazione una legge lineare

Posti:

- K] una costante dipendente dalla velocità del fluido nel fascio tubiero e dalla costante cinetica della reazione di sintesi della biomassa

- K2 una costante dipendente dal tipo di liquido colturale e, in minor misura dalla pressione

CF una costante dipendente dalla specie coltivata

- K3 una costante dipendente dal tipo di liquido colturale e dalla pressione esterna al foto bioreattore ASP

la relazione che descrive la disposizione dei degasatori è la seguente:

xn = (l/K])*ln[(K2*CF/exp(Ki*an))/(( K^CF/expCK^-Kj)]<0 >(1)

Nella quale x„ indica la distanza alla quale vanno posti i degasatori partendo dall’ultimo attraversato dal liquido, a^ è descritta dalla seguente successione numerica,

3⁄4 = exp(Ki *∑(j=i jj.i)Xn) (2)

e a è una costante sperimentale.

In base a tale oculata disposizione dei degasatori di linea, è possibile assecondare la liberazione di ossigeno da parte del liquido colturale.

Questi dispositivi oltre a permettere la liberazione dell’ossigeno svolgono tutta una serie di funzioni che di seguito sono elencate

■ fanno da volano nei confronti dei "colpi d'ariete", cioè degli sbalzi di pressione dovuti ad avviamenti e fermate della pompa di circolazione.

■ costituiscono un "punto di alimentazione" della coltura, nel senso che essi sono provvisti di aperture 1 per l'immissione dei sali nutrienti. Inoltre, tramite i distributori 2 è possibile alimentare gas per la regolazione del pH del liquido colturale. Tale fatto permette di mantenere la concentrazione dei nutrienti e il pH intorno al valore ottimale per tutta la lunghezza del fotobioreattore ASP. In assenza di un tale sistema, sarebbe infatti necessario immettere sali in un solo punto del circuito, con la conseguenza che la loro concentrazione varierebbe tra un massimo e un minimo, tanto più distanti tra loro quanto più lungo è il fotobioreattore ASP. Questo porterebbe a fenomeni inbitori alla crescita per eccesso di nutrienti nella zona a concentrazione più alta, e a carenze di nutrienti, quindi mancata crescita nella zona a concentrazione più bassa.

■ permettono la omogeneizzazione del mezzo di coltura sia dal punto di vista dei parametri fisici (temperatura, pressione e densità) che chimici (concentrazione cellulare, p quantità di nutrienti e pH), che possono essere diversi da tubo a tubo a causa di differente esposizione alla luce solare e al vento.

Per quanto riguarda i sistemi di giunzione tra degasatori di linea e tubi, ma anche tra tubi e tubi, questi sono "incastri Uberi", nel senso che pur garantendo la tenuta alla fuoriuscita del liquido, permettono lo scorrimento dei tubi per compensare le dilatazioni o contrazioni termiche.

Degasatore principale (DP, figura 5)

Questo è costituito da una torre cilindrica ad asse verticale, costruita in materiale plastico o metallico.

Nel degasatore principale il liquido colturale entra in A. Di qui il liquido passa nel distributore B, la cui forma è studiata in modo da ottimizzare la distribuzione del liquido stesso (senza comunque provocargli stress) massimizzando la superficie atta a liberare ossigeno. I due setti C completano la dispersione del liquido, che poi si raccoglie sul fondo. Allo scopo di aumentare ulteriormente la superficie di scambio aria-liquido, un distributore toroidale (D), disperde finissime bolle di aria (alimentata in H) nel mezzo di coltura. Il setto E ha la funzione di creare una zona di calma nel liquido in corrispondenza dell’uscita (F) dal degasatore, scongiurando l’eventualità di trascinamenti di bolle di aria che

darebbero luogo a fenomeni di cavitazione all’aspirazione della pompa di circolazione (CAI, Allegato 3).

Il reintegro dell’acqua arricchita in nutrienti viene effettuata in G, anche in questo caso la turbolenza prodotta dal liquido che cade dall’alto favorisce il degasaggio del mezzo colturale.

L’apparecchiatura è infine munita di un “troppo pieno” (I) nel caso si abbia blocco della pompa di circolazione, di uno sfiato (L), ad energia eolica (come quelli utilizzati sulle canne fumarie dei camini), che mantiene in leggera depressione l’intemo stesso dell’apparecchiatura, quindi favorendo la filoriuscita del gas eliminato dal liquido colturale e scongiurando l’introduzione di aria dall’esterno, e di un manicotto di scarico (M) per effettuare lo svuotamento del circuito nei periodi di ferma per effettuare manutenzioni ecc.

Per scrupolo di chiarezza illustrativa l’invenzione è stata descritta con riferimento alle forme di realizzazione (illustrative e non limitative) rappresentate nei disegni di accompagnamento. Ovviamente queste ultime sono suscettibili di tutte quelle varianti, sostituzioni, modifiche e simili che per essere a portata di mano del tecnico medio del ramo sono da considerare comprese e naturalmente ricadenti nell’ambito più ampio dell’invenzione così come rivendicata nelle rivendicazioni seguenti.

Claims

Rivendicazioni 1) Sistema per la produzione colturale flessibilmente articolabile di una vasta gamma di microrganismi in particolare di microalghe ad alto contenuto di proteme, vitamine, pigmenti e simili, comportante almeno: - mezzi per far circolare in circuito chiuso un liquido contenente le alghe - mezzi di raffreddamento e/o riscaldamento per mantenere il liquido contenente le alghe a temperatura compresa tra valori prefìssati mezzi per immettere nel liquido contenente le alghe la quantità di sostanze (nutritive e non) necessarie all’ottimale metabolismo di dette alghe - mezzi (fasci tubieri) per esporre il liquido a radiazioni solari in maniera tale da permettere lo svolgimento della fotosintesi clorofilliana mezzi (degasatori ) per estrarre l’ossigeno prodotto in virtù di detta fotosintesi - mezzi per separare le alghe prodottesi nel liquido in circolazione e per estrarle dal circuito chiuso, caratterizzato almeno da - m moduli di produzione ciascuno diviso in almeno due stadi, ciascuno dei quali composto da n fasci tubieri (ognuno conposto da n” tubi) alternati a n’ moduli di degasaggio (degasatori di linea), ad ogni stadio essendo associata una torre agente come mezzo di controllo della temperatura, la distribuzione degli n’ degasatori di linea essendo differenziata nel senso di dar luogo a gradienti negli spaziamenti tra coppie di degasatori vicini (3⁄4.] - n;), esponenzialmente variabili e - mezzi di controllo e regolazione della temperatura, del pH, della concentrazione di ossigeno disciolto, della concentrazione cellulare nonché dell’ integrità del sistema di fasci tubieri, detti mezzi essendo asserviti ad un elaboratore centrale.
2) Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ognuno degli m moduli è diviso in uno stadio di andata e uno di ritorno.
3) Sistema secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la torre di raffreddamento associata ad ogni stadio provvede a mantenere la temperatura del liquido colturale tra un valore massimo e uno minimo, tra i quali è compresa la temperatura ottimale tipica dello specifico microrganismo di volta in volta coltivato.
4) Sistema secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta torre è scelta dal -gruppo consistente di torre a fascio tubiero, torre a pioggia e scambiatore a fascio tubiero.
5) Sistema secondo una almeno delle rivendicazioni 3 e 4, caratterizzato dal fatto che la temperatura del liquido colturale è regolata agendo sulle portate dei fluidi di raffreddamento e/o riscaldamento (dipendendo dalle condizioni ambientali) e addizionalmente agendo sulla portata del liquido contenente le alghe.
6) Sistema secondo una almeno delle rivendicazioni 1 e 3-5, caratterizzato dal fatto che la torre di raffreddamento è caratterizzata da tre stadi operanti in cascata.
7) Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i degasatori di linea sono distribuiti secondo una relazione pseudo-esponenziale che tiene conto della natura dei microrganismi coltivati, dei parametri operativi dell’impianto, delle condizioni ambientali e delle caratteristiche fisiche del liquido colturale.
8) Sistema secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la relazione che determina la distribuzione (x„) dei degasatori di linea è del tipo:

dove: - Ki una costante dipendente dalla velocità del fluido nel fascio tubiero e dalla costante cinetica della reazione di sintesi della biomassa K2 una costante dipendente dal tipo di liquido colturale e, in minor misura dalia pressione - CF una costante dipendente dalla specie coltivata K3 una costante dipendente dal tipo di liquido colturale e dalla pressione esterna al fotobioreattore ASP

e a è una costante sperimentale.
9) Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il pH è mantenuto ad un valore ottimale pHopt (corrispondente alle migliori condizioni di crescita cellulare della specie coltivata) compreso tra un valore pH,™* e un valore minimo pHmin, insufflando nel liquido contenente le alghe un gas acidificante o alcalinizzante mediante una valvola (V7) posta sul circuito chiuso e mediante una serie di valvole (V3-V6 e V9-V11) poste sui degasatori di linea, comandate dall’elaboratore centrale che riceve in continuo i dati sul pH rilevati da tre sonde poste sul circuito idraulico (pHl, pH2 e pH3). 10} Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che almeno due sonde (CC2 e CC3) disposte sul circuito rilevano in. diversi punti strategici ed in continuo la quantità di 02 disciolta nel liquido contenente le alghe ed in caso di superamento di un valore massimo 02max ne trasmettono i dati all’elaboratore centrale che farà aumentare il numero di giri della pompa di circolazione (PC) aumentando così la velocità e quindi le turbolenze del liquido contenente le alghe, favorendo la liberazione di ossigeno, un eventuale terzo dispositivo (CI1) rilevando in continuo la concentrazione di ossigeno all’uscita del degasatore principale (DP). il) Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che una sonda (CC1) rileva in continuo la concentrazione cellulare all’uscita del foto bioreatore ASP, segnala i dati all’elaboratore centrale che al superamento di un valore prefissato Cmax, caratteristico della specie coltivata, fa aprire una prima valvola (V8) di deflusso del liquido colturale arricchito alla sezione di separazione la biomassa, ed una seconda valvola (V12) per il reintegro del liquido estrato con terreno di coltura fresco. 12) Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che un misuratore di pressione (PCI) rileva le cadute di pressione dovute a rotture di tubi ed un misuratore di livello liquido (LC1) rileva le diminuzioni di liquido nel circuito, consentendo all’elaboratore di azionare un allarme oltre che nel caso di rotture di tubi, anche nel caso di imperfetta tenuta nei giunti tra tubi degasatori di linea e tra tubi e tubi. 13) Sistema secondo una almeno delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da una pavimentazione sotto ogni stadio di ogni modulo del fotobioreattore ASP costituita da ghiaia con dimensione media inferiore a 5 mm. 141 Procedimento per l’attuazione del sistema secondo una almeno delle rivendicazioni precedenti comportante sostanzialmente gli steps rappresentati nel flow-sheet di figura 1. 15) Impianto per l 'attuazione del sistema secondo una almeno delle rivendicazioni precedenti, consistente delle apparecchiature di processo e di controllo per l'attuazione e il controllo degli <' >steps processuali di figura 1. 16) Sistema e relativi procedimento, impianto e dispositivi sostanzialmente secondo quanto descritto e rappresentato.