I microorganismi fitoplanctonici, sono piccoli organismi che vivono sospesi nei mari, nei laghi e nei fiumi e quindi soggetti al trasporto passivo e al moto di mescolamento turbolento (Margalef, 1978; Pedley e Kessler, 1992; Lauga et Powers, 2009) prodotto dal vento, dalle onde e dalle correnti.
Le caratteristiche idrodinamiche di questi ambienti, regolano la distribuzione lungo la colonna d’acqua di questi microorganismi e dei composti organici e inorganici disciolti e in sospensione.
Anche la stratificazione termica gioca in tutto ciò un ruolo chiave e consente alle masse di acqua in movimento di creare delle zone (termoclino) con un particolare gradiente di temperatura che oltre a creare le condizioni ideali per alcuni di questi microorganismi, permette loro di rimanere sospesi e di fluttuare in balia delle correnti.
Questi microorganismi nel corso dei millenni si sono evoluti mettendo in atto sistemi diretti e indiretti che gli hanno permesso di vincere le resistenze idrodinamiche gravitazionali modificando la propria densità cellulare rispetto all’ambiente esterno accumulando nei vacuoli sostanze lipidiche o semplicemente ossigeno e altri gas presenti in atmosfera che gli consentono di risalire lungo la colonna d’acqua e di rimanere in sospensione.
Le microalghe che non sono dotate di moto proprio, hanno generalmente una densità maggiore di quella dell’acqua e per questo motivo affondano.
La morfologia in queste dinamiche assume un ruolo fondamentale e da essa dipende la velocità di sedimentazione che è direttamente proporzionale al quadrato del diametro della sfera e alla differenza tra la densità del mezzo e delle particelle in immersione e inversamente proporzionale alla viscosità del mezzo stesso (Reynolds, 1984).
Ad esempio una delle cause per le quali la microalga S. obliquus è incline a formare cenobi di tre, quattro individui potrebbe essere proprio questa. Un considerevole aumento del rapporto superficie/volume, determina un importante rallentamento nella velocità di sedimentazione.
A seconda della concentrazione di cellule microalgali, diminuisce la probabilità che il singolo raggio fotonico possa attraversare la coltura senza subire variazioni in quanto le cellule che istantaneamente si frappongono tra loro nel cammino ottico della luce provocano il fenomeno dell’ombreggiamento.
Una parte della radiazione luminosa che va a collidere con la superficie della cellula, può essere riflessa e questo fenomeno, in particolare per le cellule microalgali di Spirulina è stato stimato nel valore inferiore al 2% del totale della radiazione luminosa disponibile sulla coltura microalgale (Mitsunori, 1987).
2.3.2 Degasamento dell’ossigeno e fenomeni di adesione cellulare alle
superfici con la formazione di colonie e biofilm cellulari
Le colture microalgali, durante la loro crescita scambiano con l’esterno ossigeno liberato dalle reazioni fotosintetiche di fissazione del carbonio. Per questo motivo, nella fase di progettazione dei fbr, si deve tenere conto dei fenomeni di biofotolisi diretta e occorre equipaggiarli di sistemi che possano consentire uno scambio continuo e agevole con l’esterno. In questo modo si evita la formazione di specie reattive dell’ossigeno che possono bloccare se non danneggiare le reazioni fotosintetiche.
In un lavoro di tesi di Irving, 2010 sono stati analizzati in particolare sulla S. obliquus i principali fattori che influenzano la formazione e lo sviluppo di biofilm microalgali. Questi fenomeni dipendono per grande misura dalle condizioni di sterilità e dalla presenza o meno di una o più specie microalgali in competizione tra loro. La capacità di produrre biofilm potrebbe dipendere anche dalla capacità del ceppo microalgale di produrre sostanze polimeriche extracellulari di aggregazione.
Altri fattori secondari quali la idrofobicità influenzano la formazione e lo sviluppo di biofilm di microalghe. In particolare su questo studio sono stati esaminati i diversi biofilm formati dalla S. obliquus su diversi materiali costituenti fbr, e senza dubbio la superficie di vetro è quella che risulta meno affetta da questa fenomenologia, particolarmente gravosa nelle coltivazioni industriali per la forte limitazione nella trasmissione della luce e per la propagazione di forme batteriche. Un elevato flusso e movimento delle colture microalgali previene la formazione di questi biofilm.
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Queste considerazioni si sono rivelate preziose nella fase di progettazione della geometria del fotobioreattore e del sistema di agitazione, che come si vedrà più avanti, è stato opportunamente caratterizzato con uno studio sulla disposizione dei filetti fluidi e dei microvortici.
2.3.3 Stress meccanico tollerato dalle alghe e sistemi di agitazione
Il fotobioreattore accelera il metabolismo dei microorganismi mettendoli in agitazione, impedendo la stratificazione termica, aiutando la distribuzione dei nutrienti, favorendo lo scambio dei gas. È necessario conoscere a priori quanta agitazione serve, perché si rischia di danneggiare le alghe a causa delle forze di taglio. In un recente lavoro di Scarsella et al., 2011 è stata ribadita l’importanza di questo stress prodotto sulle microalghe.
Per le analisi e gli approfondimenti sugli impatti provocati da questo stress, sono state apprese in bibliografia le problematiche inerenti la circolazione dei fluidi nei fotobioreattori, i sistemi avanzati denominati airlift ed i fenomeni di flocculazione spontanea. E’ stata valutata anche la possibilità di “estendere” gli esperimenti di acustica anche a matrici di cellule microalgali immobilizzate, al fine di studiarne il comportamento, nel tentativo di massimizzare l’efficienza e la velocità dei processi fotosintetici.
L’azione limitante delle forze di taglio è stata evidenziata con una coltura di Scenedesmus quadricauda (Hondzo et al., 1998) e con colture di Phaeodactylum tricornutum e Porphyridium cruentum (Mazzuca et al,. 2005), in cui si è riscontrata inibizione della crescita cellulare dovuta alla movimentazione del terreno di coltura che causava una evidente distruzione cellulare. La bioflocculazione spontanea, ovvero l’aggregazione spontanea di grandi fiocchi di cellule algali che si depositano sul fondo alla velocità proporzionale alla legge di Stokes, (Benemann et al., 2006), è promossa dalla formazione di polimeri aggregatori.