Microalghe
Le microalghe sono una pianta tallofita primitiva, priva di radici, stelo e foglie, contenenti clorofilla a quale pigmento fotosintetico. La loro struttura è sostanzialmente funzionale a tale processo biochimico, senza ulteriori apparati oltre la cella, il che consente loro di adattarsi facilmente in diversi ecosistemi sperimentando un ampio range di salinità, temperatura e pH. Le microalghe si suddividono fra organismi unicellulari procarioti ed eucarioti. Le celle procarioti (es: Cyanobacteria) sono prive di un nucleo, sono delimitate dalla membrana cellulare, non possiedono organuli e hanno una struttura interna molto semplice. Le celle eucarioti, invece, sono dotate di nucleo. Rispetto a quanto detto, i cianobatteri non producono tipicamente interessanti quantità di lipidi e la classe di maggior interesse per lʼapplicazione su scala industriale è quella degli eucarioti.
Immagini: alcune tipologie microalgali, in ordine Botryococcus braunii, Nannochloropsis,
Chlorella, Dunaliella.
Nella microalga eucariote la fotosintesi ha luogo nei cloroplasti in due fasi alternate, di luce e di oscurità. La fase luminosa converte lʼenergia solare in ATP117 e NADPH118 (assieme alla scissione dellʼacqua cui segue il rilascio di
O2) poi impiegati nella fase notturna per il fissaggio della CO2 grazie
117 ATP: Adenasina trifosfato è una molecola formata da una base azotata, lʼadenina, dal
ribosio, che è uno zucchero pentoso e da tre gruppi fosfato. Rappresenta la moneta corrente per il metabolismo energetico della cellula.
allʼazione catalizzante dellʼenzima RuBisCo. Ciò vale, in verità, per le classi di microalghe dotate di metabolismo autotrofo, tuttavia esistono specie di tipo eterotrofo, capaci cioè di crescere anche la notte se i nutrienti organici sono apportati dallʼesterno.
Si presentano interessanti, per la produzione di energia, quelle specie caratterizzate da elevate produttività di biomassa e contenuto di lipidi. La produttività viene valutata su base dei grammi prodotti per un metro quadro di area coltivata o su base dei grammi per litro, mentre la velocità di crescita viene valutata, generalmente, sulla base del tempo di raddoppiamento.
Le caratteristiche desiderabili per la coltivazione di microalghe sono:
• Velocità di crescita: permette di ridurre lʼarea di coltivazione per specie con
valore elevato.
• Elevata produttività di biomassa.
• Capacità di crescita in condizioni estreme (contaminazioni e predatori). • Capacità di crescita in tutte le stagioni e aree geografiche.
• Tolleranza alla CO2 per sfruttarla nella CCS, Carbon Capture and Storage. Fra le specie di maggior interesse abbiamo119:
Botryococcus braunii: è una microalga verde con una grande capacità di produzione e di sintesi di idrocarburi (fino allʼ80% della massa secca), capace di crescere anche in acque salmastre. Presenta, tuttavia, velocità di crescita relativamente ridotte migliorabili tramite somministrazione di CO2, il che rende tale specie abbinabile a impianti di produzione di energia per la cattura di anidride carbonica. La natura chimica degli idrocarburi contenuti (terpeni) non permette la transesterificazione per produrre biodiesel mentre permette tecniche per la conversione termochimica120. Dimensioni: è una
cella ovoidale lunga fra i 6-10 μm e larga fra i 3-5 μm.
Chlorella: si tratta di una specie mixotrofica con tempi di raddoppiamento medi di 20 ore, e produttività di 15 grammi su metro quadrato per giorno. I lipidi contenuti, con punte dellʼ85%, appartengono alla classe dei trigliceridi e Biomassa algale: biologia e classificazione
119 https://www.politesi.polimi.it/bitstream/10589/1962/1/Antonio%20Mazzitelli%20-
%20Produzione%20di%20Energia%20ed%20Elettricità%20da%20Alghe.pdf
sono pertanto adatti alla conversione biochimica. Dimensioni: cella ovoidale con diametro che varia fra i 2 e i 10 μm.
Chaetoceros muelleri: ha una velocità di crescita estremamente elevata, fino a 4 raddoppiamenti al giorno. Possiede un contenuto lipidico fino al 57%, con una prevalenza di acidi grassi liberi rispetto a trigliceridi. La sua produttività è di 26 grammi su metro quadrato per giorno. Dimensioni: 4-9 μm.
Dunaliella: è una microalga verde coltivabile in un ampio range di salinità e contenente in prevalenza glicerolo. Il contenuto di lipidi, fino al 23%, non è fra i massimi. Sfruttata per la consolidata produzione commerciale di carotenoidi. La sua produttività è di 0,30 grammi su litro per giorno. Tempo medio di raddoppiamento: 11 ore. Dimensioni: cella ovoidale fra i 9-11 μm.
Nannochloropsis: è una eustigmatofita con un contenuto di trigliceridi dal 31 al 68%, esaltabile riducendo la concentrazione di azoto nel brodo di coltivazione. Buona per la produzione di biodiesel. Produttività: 25 grammi su metro quadrato per giorno. Tempo medio di raddoppiamento: 26 ore. Dimensioni: diametro di 2 μm.
Neochloris oleoabundans: è una specie dʼacqua dolce con una produzione di trigliceridi fino allʼ80% del contenuto di grassi. Ideali per la produzione di biodiesel. Dimensioni: diametro 6-25 μm.
I fattori che condizionano la crescita delle microalghe sono:
• Approvvigionamento di energia luminosa. La quantità di biomassa che può
essere prodotta cresce con lʼintensità della luce fino ad un punto, detto di saturazione, oltre il quale la crescita crolla.
• Apporto di fonti di carbonio, fosforo, azoto; quindi potassio, magnesio, ferro
e manganese in tracce (le alghe eterotrofe richiedono fonti esterne di carbonio, quali ad esempio il glucosio).
• Mantenimento di pH compreso fra valori di 7 e 9. La presenza di un
ambiente basico inibisce la crescita delle microalghe.
• Miscelazione: una leggera turbolenza riesce a mantenere le microalghe in
sospensione, migliorando lʼefficienza di utilizzazione della luce, lo scambio dei gas e la distribuzione dei nutrienti.
• Rimozione di ossigeno per concentrazioni superiori a 7,5 milligrammi su litro
ovvero 7,5 grammi per metro cubo di acqua.
• Mantenimento di temperature di 20-30 °C.
• Mantenimento di un ambiente di crescita funzionale alla specie.
In più, dobbiamo ricordare che una condizione di scarso approvvigionamento di azoto fra i nutrienti induce una superiore produzione di lipidi, a discapito però della produzione di biomassa.
Macroalghe
Le macroalghe, dette anche alghe marine, sono piante multicellulari che crescono velocemente fino a lunghezze pari a 60 metri. Sono classificabili entro tre ampi gruppi sulla base dei pigmenti contenuti: alghe marroni, alghe rosse, alghe verdi. Le alghe verdi si trovano più vicine alla superficie dell'acqua, assorbono la luce rosso-arancio che ha lunghezze d'onda maggiori e che viene arrestata per prima. A profondità maggiori si trovano le alghe brune che assorbono i raggi blu-verdi (più penetranti). Ancora più in basso è l'habitat delle alghe rosse che assorbono la tenue luce blu, in grado di penetrare ancora più in profondità.
Tali alghe sono finora state impiegate per la produzione di nutrienti (di destinazione umana e animale), ed idrocolloidi quali la carragenina e gli alginati. Si utilizzano quindi nella cucina vegana e macrobiotica e in erboristeria. La produzione è stata di 16 Mton nel 2007 (di cui 10 Mton in Cina), la specie Laminaria Japonica è la più coltivata con 4.2 Mton prodotte. Biomassa algale: biologia e classificazione