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I nanomateriali multifunzionali potrebbero sbloccare il vasto potenziale delle alghe microscopiche

Le microalghe sono una materia prima promettente per la produzione sostenibile di preziose sostanze chimiche e di biocarburanti. Un progetto finanziato dall’UE ha contribuito a una loro riuscita produzione sul piano industriale, riducendo i costi di produzione, la domanda di energia e la complessità.

Energia

La biomassa da microalghe potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nell’attenuare il riscaldamento climatico. Le microalghe sono infatti microrganismi fotosintetici a crescita rapida che convertono la luce e l’anidride carbonica in biomolecole ricche di energia con un fabbisogno minimo di nutrienti. Se le microalghe vengono coltivate e raccolte su scala industriale, possono essere convertite in una vasta gamma di prodotti per alimenti, mangimi, carburanti, pigmenti organici, prodotti farmaceutici e applicazioni chimiche. Questo approccio è analogo a quello della raffineria di petrolio greggio dove, a partire da un’unica materia prima, viene prodotta una gamma di articoli per ottimizzare il valore. Nonostante il loro potenziale, la produzione di grandi volumi e la redditività commerciale dei prodotti derivati dalle alghe sono attualmente limitate dagli elevati costi di raccolta, estrazione e purificazione. Cambiare le fasi della lavorazione della biomassa algale è quindi basilare per sviluppare il pieno potenziale delle alghe.

Combinare le operazioni di più unità in un unico processo

Il progetto CMHAlgae, finanziato dall’UE, si è posto l’obiettivo di superare questi ostacoli «sviluppando nanomateriali multifunzionali che combinano operazioni di più unità nella lavorazione a valle all’interno di un’unica tecnologia», osserva il coordinatore del progetto Praveen Ramasamy. Queste operazioni comprendono la raccolta, la disidratazione e la rottura cellulare. La raccolta e la disidratazione della biomassa sono operazioni complesse, a causa delle piccole dimensioni delle cellule microalgiche (circa 5 µm) e della sospensione stabile e della concentrazione relativamente bassa di biomassa nel terreno di coltura (circa 0,5 g/L). Inoltre, la presenza di una rigida parete cellulare che circonda le microalghe complica la rottura cellulare. Nell’ultimo decennio sono stati introdotti nanomateriali per superare questi problemi nella lavorazione a valle delle microalghe. Tuttavia, come spiega Praveen, «la maggior parte di loro si concentra sul miglioramento del funzionamento di una singola unità rispetto a una procedura di riferimento, che si tradurrebbe in un processo generale più complesso e costoso». In questo contesto, i nanomateriali multifunzionali potrebbero avere un impatto reale: potrebbero ridurre il costo e l’onere ambientale della lavorazione a valle delle microalghe nelle bioraffinerie di microalghe.

Nuovi nanomateriali ibridi a base di cellulosa

Il progetto ha integrato diverse promettenti e recenti scoperte nel campo della nanotecnologia per produrre nanomateriali ibridi magnetici cellulosici. Questi nanomateriali possono essere utilizzati per raccogliere e frazionare le cellule di microalghe in un unico passaggio e per separare rapidamente le cellule dal mezzo di coltura utilizzando un campo magnetico esterno. In primo luogo, i ricercatori hanno funzionalizzato i nanocristalli di cellulosa con imidazolio e piridinio che svolgono le attività di flocculazione e di rottura cellulare. La flocculazione è il processo attraverso il quale le particelle fini si aggregano insieme, mentre la rottura cellulare è il processo di rottura della parete cellulare per favorire il rilascio di molecole biologiche presenti all’interno di una cellula. I nanocristalli di cellulosa funzionalizzati sono stati poi collegati a nanoparticelle di ossido di ferro che hanno permesso una rapida separazione della biomassa dal terreno di coltura. In ultimo, i ricercatori hanno dimostrato l’efficacia della raccolta e della rottura cellulare dei nanomateriali ibridi sia in acqua dolce che in sistemi di modellazione microalgici marini.

Attività di divulgazione

Al fine di condividere i suoi risultati, il progetto è stato presentato in diversi incontri di ricerca e conferenze. Il progetto è stato presentato anche all’Università dei bambini di Lovanio in Belgio nel 2017. I due articoli di ricerca pubblicati online si trovano su Algal Research e anche su la stessa rivista. Inoltre, è in corso di revisione uno scritto per la pubblicazione sul Chemical Engineering Journal.

Parole chiave

CMHAlga, microalghe, biomassa, raccolta, rottura cellulare, nanomateriali multifunzionali, disidratazione, nanomateriali ibridi, nanocristalli di cellulosa

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