I sistemi aperti sono ampiamente utilizzati grazie ai bassi costi operativi/costruzione ed alla capacità di assorbire la CO2 direttamente dall’atmosfera ambientale \citep{Wu_2017} ma sono caratterizzati da una bassa concentrazione di biomassa microalgale.
I sistemi chiusi (fotobioreattori) permettono, invece, una coltivazione ad alta concentrazione di biomassa, di controllare efficacemente le condizioni di crescita e garantiscono un facile controllo di eventuali contaminazioni \citep{Chisti_2007}.
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 \citep{Nikolaou_2008,Naddeo_2013}. 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.