2.1 GLI STAGNI APERTI a canale profondo rappresentano il sistema più usato ed economico per la coltivazione di microalghe e consistono in due o più canali affiancati, in cui circola acqua, alghe e sostanze nutritive per mezzo di un sistema meccanico a pale \citep{Aci_n_2017} ed utilizzano l’irradiazione solare come fonte di energia gratuita. L’area occupata da questi impianti va da 100 a 5000 m2, i canali hanno un rapporto lunghezza/larghezza pari a 10-20, una profondità compresa tra 20-40 cm e un rapporto superficie/volume di 5-10 m-1. Il costo oscilla tra 0,13 a 0,37 M€/ha \citep{Norsker_2011} e la concentrazione di biomassa è pari a 0,5-1 g/L per favorire la penetrazione della luce.
La produttività di biomassa segnalata in questi sistemi raggiunge i 40 g/m2 d (Lundquist et al., 2010) e dipende fortemente dalla specie microalgale, dalle condizioni metro-climatiche e dalla profondità del canale\citep{Aci_n_2017}.
Esistono anche stagni a strato sottile che massimizzano l’utilizzo della luce e aumentano la concentrazione di biomassa grazie alla minore profondità (0,5-5 cm).
A tale categoria di sistemi appartengono le piattaforme e le cascate inclinate, caratterizzate da un alto rapporto superficie/volume superiore a 25-50 m-1, da un'elevata produttività e densità microalgale maggiore (5-10 g/L).
2.2 I FOTOBIOREATTORI TUBOLARI sono dei sistemi cilindrici costituiti da una serie di tubi trasparenti, disposti in orizzontale, verticale o inclinati \citep{Slegers_2013}. In essi la coltura circola per mezzo di pompe o flussi d’aria, hanno un rapporto superfice/volume fino ad 80 m-1 ed il diametro dei tubi è generalmente di 0,05-0,1 m \cite{Severo_2018}. La pulizia delle pareti dei PBR tubolari è un fastidioso problema che limita la penetrazione della luce \citep{ZHU_2013}.
I fotobioreattori tubolari possono essere suddivisi in tre gruppi principali: serpentina, collettore ed elicoidale
I fotobioreattori a serpentina sono costituiti da tubi diritti collegati da curve ad U. Questa tipologia necessita di quantitativi energetici elevati per la circolazione del mezzo all’interno dei tubi che secondo stime sono pari a circa 15 KWh/d m3 \citep{Aci_n_2012}.
I fotobioreattori a collettore sono costituiti da una serie di tubi paralleli, collegati alle estremità da due collettori, il primo utilizzato per la distribuzione e miscelazione mentre l’altro per la raccolta della sospensione algale ed il degasaggio \citep{Aci_n_2017}.
I fotobioreattori elicoidali sono costituiti da tubi flessibili di piccolo diametro (2-5 cm) \citep{P_aczek_2017} avvolti a spirale attorno ad una struttura portante di forma cilindrica o conica \citep{Hase_2000}.
Tale tipologia occupa un’area di suolo piccola rispetto agli altri fotobioreattori, ma si riscontrano problemi come eccessiva crescita di biofilm algale, difficoltà di pulizia interna e stress idrodinamico \citep{P_aczek_2017}.
Il costo dei fotobioreattori tubolari è di 0,51 M€/ha \citep{Norsker_2011}.
2.3 I FOTOBIOREATTORI A COLONNA DI BOLLE sono cilindri con il diametro interno superiore a 20 cm, e tali da soddisfare la condizione geometrica H/D = (2 - 8). Sono sistemi economici, con elevato rapporto superfice/volume e adatti per coltivazione di alghe sia indoor che outdoor.
In tali reattori, l'agitazione della sospensione è realizzata dalla introduzione di aria, sotto forma di piccole bolle generate da un diffusore posto nella parte inferiore della colonna.
Il principale svantaggio consiste nella formazione di biofilm sulle pareti della colonna che limita la penetrazione della luce e quindi l'efficacia della fotosintesi.
2.4 I FOTOBIOREATTORI A PIASTRA PIATTA sono costituiti da due pannelli paralleli, realizzati in materiale trasparente (in genere PVC, policarbonato, polimetilmetacrilato), posti a una distanza di pochi millimetri. Consentono la penetrazione ottimale delle radiazioni nel mezzo di coltura ed elevate produttività di biomassa. Vengono progettati con un alto rapporto superfice/volume, generalmente tra 16-80 fino a raggiungere i 400 m-1 \citep{P_aczek_2017}.
La miscelazione è realizzata tramite bolle d'aria o agitazione meccanica, ed i consumi energetici associati al trasferimento di massa sono minori rispetto a quelli dei fotobioreattori tubolari \citep{Kumar_2011}.
Sono sistemi costosi da realizzare, difficili da pulire e facilmente soggetti alla fluttuazione della temperatura e all'inibizione della luce \citep{Wang_2012}.
2.5 I FOTOBIOREATTORI A SACCA DI PLASTICA ‘big-bag’ negli ultimi anni attirano molta attenzione per la produzione commerciale di microalghe a causa del loro basso costo, facilità di costruzione e buon rapporto superficie/volume. I sacchetti vengono sospesi ad apposite strutture per poi essere riempiti con la sospensione di microalgale e sono dotati di sistemi di areazione/miscelazione sul fondo. Il volume massimo dei sacchetti è di 200 L in quanto un ulteriore aumento riduce la produzione di biomassa.
Tale tipologia comporta alcuni svantaggi come: fotolimitazione e miscelazione inadeguata in alcune zone a causa della deformazione delle borse; frequenti perdite dovute della fragilità dei sacchetti che ne rendono breve la vita utile ed inoltre, lo smaltimento di grandi quantità di sacchetti di plastica che rappresenta un problema per l’ambiente \citep{Huang_2017}
3. PRINCIPALI FATTORI NELLA PROGETTAZIONE DI UN FOTOBIOREATTORE
In condizioni naturali, le alghe assorbono la luce solare, assimilano l'anidride carbonica dall'aria e le sostanze nutritive dagli habitat acquatici. Pertanto, la produzione artificiale dovrebbe replicare e migliorare le condizioni di crescita naturali. Nella progettazione di un fotobioreattore, la penetrazione, la cattura e la distribuzione della luce sono i fattori dominanti. Inoltre, una buona miscelazione, nonché temperatura e pH favorevoli possono migliorare significativamente la crescita delle microalghe \citep{Huang_2017}.
La luce naturale viene spesso impiegata per la coltivazione delle microalghe, con conseguente notevole riduzione dei costi. Tuttavia, la luce solare muta inevitabilmente a causa delle condizioni metereologiche, dei cicli giornalieri e delle stagioni, rendendo tale applicazione redditiva per la produzione commerciale solo nelle aree con un'elevata radiazione solare. Per superare tali limiti vengono impiegati anche mezzi artificiali come lampade fluorescenti. L'illuminazione artificiale permette una produzione continua, ma con un input energetico significativamente più elevato. Spesso la fornitura di elettricità per l'illuminazione artificiale è derivata da combustibili fossili annullando l'obiettivo primario di sviluppare un biocombustibile competitivo in termini di prezzo e con bassa impronta di carbonio dei sistemi. La distribuzione della luce non è uniforme all'interno di un PBR bensì subisce un’attenuazione in funzione della lunghezza d'onda della luce, dalla concentrazione cellulare, dalla geometria del PBR e dalla distanza di penetrazione della luce \citep{Quan_2004}. È noto che l'intensità della luce diminuisce al crescere dello spessore del PBR. Se l'intensità della luce raggiunge il livello di saturazione, la crescita è inibita dalla luce (fotoinibizione), mentre se l'intensità della luce è al di sotto del livello necessario per attivare la fotosintesi, la crescita è limitata dalla luce (fotolimitazione).
La miscelazione previene e limita la sedimentazione cellulare, la formazione di zone morte e l'attaccamento cellulare alle pareti del PBR. Inoltre, la miscelazione garantisce che tutte le cellule siano ugualmente esposte alla luce e promuove il trasferimento di massa. Tuttavia, un'eccessiva miscelazione può danneggiare le cellule e provocare il collasso della coltura, a causa delle forze di taglio generate \citep{Aci_n_Fern_ndez_2013}. La miscelazione garantisce anche un ciclo luce/buio periodico, dove le microalghe si spostano tra la zona illuminata (vicino alla superficie del PBR) e la zona scura (al centro del PBR), promuovendo la conversione fotosintetica \citep{Xue_2013}.
Il pH è un parametro fondamentale per la crescita della biomassa algale. La maggior parte delle specie di microalghe ha un intervallo di pH preferito tra 7 e 9. Tuttavia, alcune specie possono tollerare intervalli più acidi o basici \citep{Wang_2012}. È fondamentale mantenere il pH della coltura entro il valore ottimale per evitare che la coltura subisca danneggiamenti.
La temperatura durante la coltivazione può subire un notevole cambiamento a causa delle variazioni giornaliere e stagionali, pertanto, un sistema di controllo della temperatura affidabile ed economico è essenziale \citep{Wang_2012a}. Per il controllo della temperatura possono essere utilizzati teli ombreggianti \citep{Ugwu_2008}, irrigazione con acqua quando la temperatura della coltura è elevata, l’immersione totale o parziale del PBR in piscine d'acqua \citep{Carlozzi_2006} e l’installazione di scambiatori di calore connessi al PBR. I sistemi di controllo della temperatura incrementano i costi di coltivazione ed il metodo più efficace ed economico consiste nello spruzzo di acqua solo durante il surriscaldamento per poi riutilizzarla dopo il raffreddamento.
Il Controllo delle specie contaminanti e pulizia del sistema rappresentano altri due aspetti fondamentali. Si può tollerare un certo grado di impurità nelle colture di microalghe quando i prodotti generati sono di basso valore come i biocarburanti, ma bisogna evitare una contaminazione eccessiva per garantire una stabile qualità dei prodotti. La pulizia del PBR è di fondamentale importanza perché previene la formazione di biofilm sulla parete mantenendo un'elevata penetrazione della luce \citep{Wang_2012,Borea_2018}.
4. CONCLUSIONI
Il riscaldamento globale, l’aumento delle emissioni di CO2, il consumo di combustibili fossili ed il loro esaurimento sono fattori che negli ultimi anni spingono la ricerca a sviluppare fonti energetiche alternative, rinnovabili e pulite. In questo contesto, la biomassa algale sta diventando un’importante risorsa dalla quale è possibile estrarre biocombustibili. Alcuni studi presenti in letteratura riportano applicazioni delle tecnologie a base di alghe e testimoniano l’influenza della specie di microalga, della tipologia di sistema di coltivazione, del pH, della temperatura e della densità di biomassa iniziale sulle efficienze di rimozione della CO2. La coltivazione di microalghe viene effettuata in sistemi aperti e sistemi chiusi. I primi sono maggiormente utilizzati e comportano bassi costi di costruzione/gestione, facilità di esecuzione/manutenzione ma soffrono la scarsa penetrazione della luce, la contaminazione e la limitata produttività della biomassa. I secondi includono diverse configurazioni di fotobioreattori (PBR) sono più costosi e generalmente comportano un migliore trasferimento di massa, una biomassa di alta qualità, una maggiore produttività, ridotti consumi di acqua e un controllo efficace dei parametri di processo, CO2, OD ed eventuali forme di contaminazione. La crescita di microrganismi fotosintetici è un processo influenzato da molti fattori ambientali come luce, miscelazione, trasferimento di massa, temperatura e pH che necessitano di ulteriori studi per rendere la tecnologia applicabile a grande scala.