Al fianco di chi cambia le regole del gioco nel settore in crescita delle alghe
08 Jul 2019
Ricca fonte di acidi grassi polinsaturi, proteine, enzimi, vitamine, minerali e oligoelementi, non sorprende che le alghe siano diventate una materia prima molto ricercata per numerosi prodotti del settore farmaceutico, chimico e alimentare. Da oltre 50 anni, GEA accompagna le start-up e i produttori di alghe supportando la ricerca e lo sviluppo e tecnologie di lavorazione di alta qualità che soddisfano i rigorosi standard industriali.
Le alghe sono le principali consumatrici di CO2 del nostro pianeta e 1 kg di biomassa di alghe è in grado di immagazzinare circa 2 kg di CO2 rilasciando al contempo 1,6 kg di ossigeno. Oltre a questo compito molto importante, le alghe vengono utilizzate in innumerevoli applicazioni, come nella produzione di dentifricio, lucido da scarpe, crema per il viso, mangimi, alimenti e integratori alimentari, coloranti alimentari naturali, fertilizzanti biologici, ammendanti, nel trattamento delle acque reflue e come legante di metalli pesanti. E la lista sta diventando sempre più lunga.
Esistenti in forma marina o d'acqua dolce, le alghe sono ulteriormente classificate in base alle dimensioni - macro o microalghe - e al colore: blu, verde, marrone o rosso. Le macroalghe includono piante acquatiche più grandi come il kelp e le varietà di alghe marine che possono crescere fino a 50 metri di lunghezza. Le microalghe, come ad esempio Chlorella e Spirulina:
- sono generalmente organismi unicellulari microscopici (dimensione media delle cellule tra i 2-10 micrometri)
- non hanno radici, steli o foglie
- possono essere coltivate in fotobioreattori (PBR) o in stagni aperti e alimentati con acque reflue, compresi gli scarichi fognari, o coltivate tramite fermentazione eterotrofica, dove le alghe sono alimentate con zuccheri anziché con la luce solare
- la coltivazione può avvenire su terreni non adatti alle colture alimentari senza quindi competere con la produzione alimentare.
La lavorazione, o raccolta, è necessaria per separare la biomassa algale dall'acqua in cui è stata coltivata - un campo in cui GEA è attiva dagli anni '60, con tecnologie per la concentrazione, l'estrazione e il lavaggio, nonché l'essiccazione delle alghe.
Dal punto di vista nutrizionale, le alghe hanno proprietà particolari e uniche. Pesci come il salmone, ad esempio, contengono oli preziosi come gli omega-3, che non producono naturalmente, ma piuttosto attraverso il consumo di microalghe. Da ciò risulta ancora più evidente che l'olio di alghe ha il potenziale per sostenere le esigenze nutrizionali globali e se più ampiamente utilizzato nella farina di pesce, ad esempio, può contribuire a ridurre la pressione sull'offerta globale di pesce. Allo stesso modo, la crescente domanda di fonti di energia affidabili, sostenibili e a basso costo e di plastiche biodegradabili è uno dei principali fattori che dovrebbero guidare la crescita in questo entusiasmante settore.
Un trattamento delicato: ridurre l'azione di taglio per aumentare il tasso di sopravvivenza delle alghe
La moderna lavorazione delle alghe richiede una tecnologia centrifuga per concentrare, estrarre e lavare le sospensioni di alghe raccolte. A causa della composizione biologica delle alghe, le centrifughe sono spesso l'unico mezzo economico per trattare efficacemente le microalghe, non solo perché consumano meno energia rispetto alla filtrazione a membrana ceramica, ma anche perché le dimensioni delle cellule causano legami o blocchi nei tradizionali filtri rotativi sottovuoto.
Detto questo, il ricorso alla centrifuga implica l'azione di una forza centrifuga e mantenere in vita le cellule algali mentre sono esposte a una forza fino a 15.000 g può essere difficile. Durante questo processo, ci sono due fasi critiche: far entrare le cellule nel campo centrifugo e farle uscire di nuovo. GEA ha risolto il problema di dover introdurre le cellule sensibili in un sistema rotante diversi anni fa con il suo sistema di alimentazione idroermetico brevettato. Il sistema consiste in un disco all'estremità di un tubo che alimenta le cellule al di sotto del livello del liquido nella vasca preriempita - simile all'effetto che si ottiene continuando a riempire un secchio con un tubo sotto la superficie dell'acqua, evitando così gli spruzzi.
Più recentemente, GEA ha sviluppato una soluzione molto utile per scaricare dal sistema rotante cellule estremamente sensibili al taglio come diatomee e aptofite senza danneggiarle o distruggerle, dato che i tassi di mortalità possono superare il 90% anche a velocità ridotte. La maggior parte dei prodotti lavorati può affrontare un trattamento grossolano senza alcun effetto negativo, e durante la normale espulsione, la vasca viene aperta mentre funziona a velocità massima o ridotta e i solidi accumulati vengono semplicemente scaricati nel raccoglitore.
Nel caso delle alghe, la centrifuga concentra le cellule e le raccoglie durante il funzionamento nello spazio di accumulo ai bordi della vasca - il punto esatto in cui le forze centrifughe sono più elevate. Con la propria soluzione GEA intendeva soprattutto trovare un modo per rallentare i solidi durante lo scarico, riducendo così la velocità con cui le cellule urtano contro la parete del raccoglitore. Questo ha portato allo sviluppo del sistema di espulsione assistito con idrofreno di GEA. Il sistema di assistenza alla frenata funziona come una cortina di fluido attraverso la quale vengono espulsi i solidi. Montando una serie di ugelli nebulizzatori sul raccoglitore, non appena il pistone viene attivato, il sistema di controllo attiva gli ugelli e una cortina di fluido viene spruzzata nel raccoglitore, rallentando o frenando sostanzialmente la velocità di espulsione dei solidi. Il fluido utilizzato è normalmente acqua, ma può essere utilizzata anche la fase limpida separata. Poiché gli ugelli spruzzano solo per un breve periodo di tempo quando il secondo pistone è attivato, è possibile attenuare la ridiluizione delle alghe concentrate.
Vista in sezione di un separatore GEA che mostra lo schema di flusso del liquido, compreso il sistema di scarico.
Riduzione delle perdite di prodotto dal 95 al 2% con una nuova funzione
Nel 2018, la OP Bio Factory in Giappone, che ricerca e sviluppa prodotti naturali da risorse marine per l'utilizzo in potenziali farmaci e sostanze funzionali, ha iniziato ad utilizzare il nuovo freno idraulico GEA. Con un sistema di espulsione convenzionale, il 95% delle cellule di alghe del cliente veniva distrutto durante lo scarico. Con la nuova funzione di assistenza, le perdite di cellule di alghe sono state ridotte ad appena il 2%, il che rappresenta un enorme miglioramento dei costi e dell'efficienza. Così ora la OP Bio Factory è in grado di centrifugare con successo anche le cellule algali più sensibili.
Partnership per soddisfare la crescente domanda globale di prodotti a base di alghe
Per le start-up e le imprese del settore delle alghe, il finanziamento è fondamentale per passare dalla fase di laboratorio alla fase pilota. Prima di impegnare fondi, gli investitori in genere vogliono avere prove che dimostrino che una data tecnologia funziona su piccola scala o può essere scalata fino a produrre diverse tonnellate di biomassa algale o galloni di olio di alghe. I fattori chiave per aumentare con successo la produzione e la lavorazione delle alghe sono la riduzione del consumo energetico e dei costi operativi.
Dal 2015 GEA sostiene una start-up biotecnologica francese con cui ha iniziato prove di separazione in loco. Collaborando con il cliente, GEA ha contribuito allo sviluppo di un processo personalizzato di raccolta delle alghe che produce su scala industriale biomassa di microalghe di alta qualità da utilizzare nell'alimentazione animale, alimentare e cosmetica. Nella separazione eterotrofica delle microalghe si utilizza ad esempio il separatore a ugelli viscon® di GEA per ottenere un concentrato omogeneo di alghe con la massima sostanza secca grazie a una macchina completamente compatibile con il sistema CIP per un'elevata efficienza di separazione.
L'azienda olandese Duplaco sta inoltre avvalendosi del know-how di separazione di GEA per trattare le microalghe clorella, coltivate tramite fermentazione eterotrofica, che possono essere utilizzate nella produzione di alimenti sani, come frullati, hamburger o pasta di alghe, in integratori alimentari o mangimi. Le soluzioni GEA aiutano a garantire un'alta qualità costante delle alghe in polvere e degli integratori alimentari di Duplaco, riducendo al minimo i costi energetici e l'impatto ambientale della produzione.
Essere in grado di collaborare per tempo con i clienti è fondamentale quando si tratta di sviluppare processi di raccolta delle alghe, soprattutto se si considera la necessità di ridurre i costi di produzione e unitari" - Alexander Piek, Application Manager - Separation, Algae, GEA Renewables
- Alexander Piek, Application Manager - Separation, Algae, GEA Renewables
La crescente attenzione alla raffinazione delle alghe per sostenere una produzione alimentare sostenibile ha indotto GEA e diversi partner della comunità scientifica e imprenditoriale dell'UE a creare nel 2016 il progetto Sustainable Algae Biorefinery for Agriculture and Aquaculture (SABANA). Nell'ambito del programma Horizon 2020 finanziato dall'UE, il gruppo ha sviluppato una bioraffineria a base di microalghe integrata su larga scala per la produzione di mangimi e additivi per mangimi, compresi biostimolanti, biofertilizzanti e biopesticidi, dimostrando la fattibilità tecnica, ambientale e sociale della produzione di sottoprodotti di qualità a base di alghe con il solo utilizzo di acqua marina e acque reflue come fonte di nutrienti.*
Per quanto riguarda i biopesticidi, il team sta coltivando, testando e lavorando ceppi di alghe con agenti antimicrobici che contrastano vari agenti patogeni delle piante. Per trattare la biomassa sensibile, GEA ha fornito competenze e attrezzature, tra cui centrifughe per la raccolta e la concentrazione delle microalghe, omogeneizzatori per il frazionamento cellulare e uno spray dryer per l'essiccazione della biomassa e il test dei principi attivi: i risultati di tutte queste attività saranno disponibili alla fine del 2021.
Fotobioreattori tubolari producono microalghe presso l'impianto dimostrativo di ricerca e sviluppo SABANA, centro di ricerca IFAPA, Almeria, Spagna. Per gentile concessione di SABANA
GEA ha gli strumenti giusti
Per il processo di concentrazione GEA offre diversi separatori e decanter, ognuno con vantaggi specifici, da scegliere in base al tipo di alghe e alle condizioni di coltivazione. La scelta di un separatore dipende anche dai volumi da trattare, dalla viscosità del prodotto, dal contenuto di solidi, dal valore di pH nel brodo di fermentazione e dalla struttura cellulare. Per l'ulteriore concentrazione e separazione dei liquidi della biomassa o la classificazione delle microalghe, il passo successivo nel processo di lavorazione è rappresentato da un decanter GEA.
Quando si tratta di lavorare microalghe rosse e verdi, gli omogeneizzatori GEA sono l'ideale, in quanto forniscono la materia prima di altissima qualità necessaria per integratori alimentari e vitaminici, nonché biomateriali o bioplastiche. Questa tecnologia garantisce componenti affidabili e di lunga durata che soddisfano i requisiti asettici e prodotti pienamente conformi a tutte le normative. L'omogeneizzazione è un processo meccanico che rompe la parete cellulare esterna con una pressione fino a 1500 bar per rilasciare il fluido intracellulare. Offre vantaggi in termini di affidabilità e di recupero dei costi totali di proprietà:
- si tratta di un processo rapido e continuo
- i risultati ottenuti in laboratorio sono al 100% riproducibili su scala industriale
- è possibile variare la pressione per trovare il giusto grado di rottura cellulare
- non c'è possibilità di contaminazione del prodotto con altre sostanze
Mentre le centrifughe possono rimuovere dalle sospensioni di alghe la maggior parte dell'acqua libera, per alcune applicazioni occorrono alghe in polvere che devono essere sottoposte a spray drying. La polvere di alghe essiccate contiene proteine di alta qualità e può essere utilizzata, ad esempio, come additivo nell'alimentazione animale.
* Questo progetto ha ricevuto un finanziamento dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea nell'ambito della convenzione di sovvenzione n. 727874.
