Coltivazione di microalghe e quantificazione della biomassa in un fotoreattore in scala di panca con gas di scarico corrosivo

I fotobioreattori sono utili per esperimenti controllati e la coltivazione di prodotti microalgali più puri di quelli che possono essere raggiunti da stagni aperti. La coltivazione di microalghe in fotobioreattori su scala da banco supporta lo sviluppo di conoscenze fondamentali che possono essere utilizzate per la scalabilità dei processi. Piccoli cambiamenti alle condizioni ambientali possono alterare significativamente gli esperimenti microbiologici e confondere i risultati¹. Un processo sterile con controllo della temperatura, del pH e del sparging di gas è vantaggioso per studiare le proprietà e le prestazioni delle microalghe in condizioni diverse. Inoltre, il controllo sulle concentrazioni di gas di input, la temperatura, la forza di taglio dalla miscelazione e il pH medio possono supportare diverse specie che altrimenti sono difficili da coltivare. I fotobioreattori possono essere eseguiti come un processo batch con alimentazione continua di gas e sparging, o come un sistema di flusso chemostat con alimentazione continua di gas e sparging oltre a input di nutrienti per acque reflue influenti ed effluenti. Qui, dimostriamo il processo batch con alimentazione continua di gas e sparging.

L’uso di fotobioreattori affronta diverse sfide legate alla coltivazione e produzione di microalghe. Il campo generalmente lotta con le preoccupazioni di contaminazione da altri microrganismi, l’utilizzo efficiente del substrato (che è particolarmente importante nel caso della mitigazione di CO₂ o del trattamento delle acque reflue)², il controllo del pH, la variabilità dell’illuminazione e la produttività della biomassa³. I fotobioreattori consentono ai ricercatori di studiare un’ampia gamma di fototrofi in sistemi a lotti strettamente controllati, dove anche le specie a crescita lenta sono protette da predatori o microrganismi concorrenti⁴. Questi sistemi batch sono anche migliori per facilitare maggiori tassi di utilizzo di_CO2 e la produttività della biomassa perché sono sistemi chiusi che hanno maggiori probabilità di essere in equilibrio con i gas forniti. La tecnologia fotobioreattore offre anche il controllo del pH, la cui mancanza ha ostacolato l’elevata produttività della biomassa negli studi precedenti⁵. Su scala da banco, il livello di controllo offerto dai fotobioreattori è vantaggioso per i ricercatori. Su scale industriali più grandi, i fotobioreattori possono essere utilizzati per mantenere la purezza dei bioprodotti commerciali e migliorare l’efficienza produttiva per applicazioni nutraceutiche, cosmetiche, alimentari o di mangimi⁶.

Le microalghe sono di grande interesse per la biosequestro di CO₂ perché possono risolvere rapidamente_co2 come carbonio biomassa. Tuttavia, la maggior parte delle fonti antropogeniche di CO₂ sono contaminate da altri gas o contaminanti corrosivi e tossici (NO_x, SO_x, CO, Hg), a seconda della fonte di combustibile del processo di combustione. Il crescente interesse per il sequestro sostenibile di CO₂ ha spinto lo sviluppo di tecnologie fotobioreattori per il trattamento delle emissioni ricche di CO_2,come quelle delle centrali elettriche a carbone (tabella 1). Purtroppo, vi è un rischio intrinseco di esposizione umana e ambientale ai contaminanti corrosivi e tossici durante i processi di ricerca e scale-up. Di conseguenza, è necessario e istruttivo descrivere l’assemblaggio e il funzionamento sicuri dei bioreattori che utilizzano gas corrosivi.

Questo metodo è per l’uso di un fotobioreattore in scala da banco 2 L per la crescita di microalghe in condizioni sperimentali attentamente controllate. Il protocollo descrive lo stoccaggio microalghele, la preparazione dell’inoculo e l’impostazione e la sterilizzazione del fotobioreattore. Oltre al funzionamento di base, questo lavoro descrive le misurazioni della biomassa microalgale e i calcoli della produttività della biomassa, e l’adattamento delle attrezzature per la coltivazione di microalgali con gas corrosivi. Il protocollo descritto di seguito è appropriato per i ricercatori che cercano di esercitare un maggiore controllo sperimentale, ottimizzare le condizioni di crescita delle microalghe o produrre assianicamente una serie di microbi fototrofici. Questo metodo non descrive materiali appropriati per la coltivazione di microbi che producono o consumano gas infiammabili (ad esempio CH₄, H_2,ecc.) ⁷.