Microalghe: produzione, processi e reattori

Le alghe rappresentano una delle risorse biologiche più versatili e promettenti per la bioeconomia del futuro. Grazie alla loro capacità di convertire l’energia solare in biomassa ricca di composti bioattivi, questi micro e macro-organismi fotosintetici trovano applicazione in agricoltura, industria alimentare, farmaceutica, bioenergia e biotecnologie ambientali.

Negli ultimi anni, l’uso delle microalghe coltivate in fotobioreattori ha rivoluzionato la produzione di biomassa algale, superando i limiti delle coltivazioni tradizionali in stagni aperti. I fotobioreattori, sistemi chiusi e controllati per la crescita delle alghe, permettono di ottimizzare la produzione di biomassa, ridurre il rischio di contaminazione e massimizzare il rendimento fotosintetico, aprendo nuove prospettive per l’uso industriale delle alghe.

In questo articolo, esploreremo il ruolo delle alghe come biofabbriche naturali, analizzando le loro applicazioni, i vantaggi della coltivazione in fotobioreattori e le sfide tecnologiche da affrontare per una produzione sostenibile su larga scala. Attraverso un approccio scientifico e applicativo, vedremo come i sistemi innovativi di coltivazione possano trasformare le alghe in una risorsa chiave per la transizione ecologica e l’economia circolare.

La coltivazione delle microalghe è un processo biotecnologico che sfrutta la capacità di questi microorganismi fotosintetici di crescere rapidamente in ambienti acquatici, utilizzando anidride carbonica (CO₂), luce solare o artificiale, e nutrienti inorganici. Il controllo accurato delle condizioni di crescita è essenziale per ottimizzare la produzione di biomassa e la sintesi di metaboliti ad alto valore aggiunto, come lipidi, proteine, pigmenti e composti bioattivi.

Sistemi di Coltivazione delle Microalghe

Esistono diverse strategie di coltivazione, che variano in base all’approvvigionamento di nutrienti e alla fonte di energia utilizzata:

Coltivazione Autotrofa

• Le microalghe crescono sfruttando la luce come unica fonte di energia e utilizzano la CO₂ come fonte di carbonio.
• Questo metodo è il più sostenibile ed è impiegato in impianti di coltivazione aperti e chiusi.

Coltivazione Eterotrofa

• Le microalghe crescono in assenza di luce e utilizzano fonti di carbonio organico (es. glucosio, acetato).
• Questo sistema permette una crescita più rapida e una maggiore produttività in ambienti controllati, ma è più costoso.
• Utilizzato per la produzione di biomassa ad alta densità, come nella produzione di DHA ed EPA da alghe come Schizochytrium sp.

Coltivazione Mixotrofa

• Combina la fotosintesi (autotrofa) con l’assorbimento di carbonio organico (eterotrofa), aumentando la flessibilità delle condizioni di crescita.
• Adatta a specie algali che possono sfruttare più fonti di carbonio per massimizzare la produttività.

Coltivazione Fotoeterotrofa

• Simile alla mixotrofa, ma con un ruolo più attivo della luce nella regolazione metabolica delle microalghe.
• Impiegata per ottimizzare la produzione di pigmenti e metaboliti secondari, come la ficocianina da Arthrospira platensis (spirulina).

Sistemi di Coltivazione: Stagni Aperti vs Fotobioreattori

Le tecniche di coltivazione delle microalghe possono essere classificate in due categorie principali:

Coltivazione in Sistemi Aperti (Open Ponds)

• Consistono in lagune o bacini artificiali in cui le microalghe crescono in acqua poco profonda.
• Sono economici e facili da gestire, ma presentano alcune limitazioni:
  • Bassa efficienza fotosintetica a causa della scarsa penetrazione della luce.
  • Rischio di contaminazione da altre alghe o batteri.
  • Difficoltà nel controllo dei parametri di crescita (temperatura, pH, concentrazione di nutrienti).
• Utilizzati principalmente per la produzione di spirulina e Dunaliella salina (fonte di β-carotene).

Coltivazione in Fotobioreattori (PBR – Photobioreactors)

I fotobioreattori sono sistemi chiusi e controllati che garantiscono una coltivazione più efficiente e sicura rispetto ai sistemi aperti. Esistono diverse tipologie:

Fotobioreattori Tubolari

Fotobioreattori Flat Panel

Fotobioreattori a Colonna

Applicazioni e Produzioni Derivate dalle Microalghe

Le tecniche di coltivazione avanzate hanno reso possibile la produzione di biomassa algale per molteplici settori industriali:

Bioenergia e Biocarburanti

• Produzione di biodiesel da alghe ricche di lipidi (es. Nannochloropsis sp., Chlorella sp.).
• Utilizzo di biogas da alghe per la produzione di energia sostenibile.

Alimentazione e Nutraceutica

• Produzione di proteine algali come alternativa alle fonti proteiche tradizionali.
• Estratti di microalghe per integratori nutrizionali, come spirulina, astaxantina, omega-3 (DHA, EPA).

Cosmetica e Farmaceutica

• Utilizzo di alghe per prodotti skincare grazie alle loro proprietà antiossidanti e idratanti.
• Sviluppo di farmaci innovativi basati su metaboliti algali (es. polisaccaridi immunostimolanti).

Trattamento delle Acque e Biorisanamento

• Le microalghe vengono impiegate per il biorisanamento di acque reflue grazie alla loro capacità di assorbire metalli pesanti e composti azotati.
• Coltivazione combinata con acque reflue industriali per la produzione sostenibile di biomassa.

Le tecniche di coltivazione delle microalghe si sono evolute rapidamente, offrendo soluzioni innovative per la produzione di biomassa ad alto valore aggiunto. I sistemi chiusi come i fotobioreattori stanno diventando lo standard per garantire una produzione efficiente, sostenibile e su larga scala. Con il crescente interesse per bioenergia, nutraceutica e biotecnologie ambientali, le microalghe si stanno affermando come una delle risorse più promettenti per la transizione ecologica e l’economia circolare.

Investire nella ricerca e nell’ottimizzazione dei sistemi di coltivazione sarà fondamentale per sfruttare appieno il potenziale delle microalghe e renderle una risorsa chiave per un futuro più sostenibile.