Il reattore Fitoplan realizzato da Exenia
L’idea su cui si basa il rettore Fitoplan è nata negli anni 90’ da un gruppo di ricerca del CNR (Comitato Nazionale della Ricerca). Tutti sistemi di illuminazione erano precedentemente installati sopra o attorno alla biomassa, indipendentemente dalla geometria del reattore. A quel tempo esistevano solo i pannelli piatti, che sono più semplici da costruire ma non usano efficientemente la luce, sprecandone moltissima.
Per la produzione di biomassa si usavano i sacchi di plastica usa e getta, che venivano illuminati solo da un lato.
La maggior parte della luce veniva dispersa dalla grande quantità d’acqua, impedendo di raggiungere concentrazioni elevate, generalmente non superiori a 25 x 106 cellule/ml. La bassa concentrazione rendeva necessario costruire grandi sale alghe in cui coltivare centinaia di metri cubi d’acqua di mare. La superficie media occupata dai sacchi era importante, da 200 a 300 m2. Inoltre il continuo prelievo di biomassa e il successivo ripristino della coltura richiedeva l’utilizzo di molto personale, pompe idrauliche per la movimentazione di grandi masse di acqua, ecc…
L’idea di utilizzare tutti i fotoni emessi dalle lampade fu la chiave per sviluppare i reattori anulari. I reattori anulari sono costituiti da due cilindri concentrici, uno con un diametro più grande ed uno con un diametro più piccolo. La parte di volume racchiusa fra i due cilindri costituisce la camera di coltura. Mettendo la lampada all’interno del cilindro più piccolo, potremo utilizzare la luce nel modo più efficiente possibile, mai superato da alcun altra configurazione.
Sviluppo del reattore
Lo sviluppo durò quasi 3 anni, alla ricerca dei materiali adatti, capaci resistere alle sollecitazioni termiche, alla forte luce artificiale, ai graffi e dalla trasparenza cristallina. Le proporzioni furono il secondo obbiettivo da raggiungere. La quantità di luce che doveva raggiungere la biomassa non doveva essere insufficiente o eccessiva. Nessuno però immaginava che si potessero raggiungere e superare concentrazioni di 1 x 109 cellule/ml. Dovemmo ricalibrare le ricette dei nutrienti, modificare la geometria dei reattori, cambiare le lampade e rivedere il moto dei fluidi all’interno del reattore. Dopo molte prove e molti insuccessi nel 1996 nacque il primo reattore Fitoplan. La prima installazione al di fuori dei centri di ricerca fu presso il C.B.F. a Montepaldi (Firenze), uno spin-off dell’Università di Firenze e di Exenia, la società di R&D del gruppo SCFN di cui Separeco è il partner industriale.
Il primo sistema Fitoplan
Il primo Fitoplan era completamente manuale. Nella foto qui sopra è visibile il primissimo cluster venduto nel 1997 alla società Panittica Pugliese. Il primo Fitoplan aveva scatole elettriche molto grandi, che occupavano interamente il pannello frontale del cluster. Non erano presenti controlli di alcun tipo, solo le sicurezze lettriche indispensabili. Il controllo del pH non era integrato nel sistema e l'operatore doveva verificarlo ciclicamente con uno strumento portatile e, sulla base della lettura, regolare la porata di CO2 sul riduttore di pressione.
Nel corso degli anni il progetto fu perfezionato e furono aggiunti controlli elettronici sul pH e sulla temperatura. Nel 2005 vide la luce il primo Fitoplan standard, dotato di controlli elettronici automatici, una novità assoluta nel settore. Furono ridotte le dimensioni delle scatole elettriche e razionalizzato il progetto della struttura, che ora sosteneva i reattori e tutta la strumentazione di bordo, piping compreso.
Nel 2012 venne introdotto il controllo via software ed il sistema equipaggiato con PLC; nacque il Fitoplan Electronic. Vennero sostitute le scatole con gli accenditori con trasformatore con i nuovi accenditori elettronici ad alta efficienza, una novità appena introdotta da Osram. I nuovi accenditori consentono di risparmiare circa il 30% sui consumi evitando la dispersione di energia tipica dei trasformatori. Venne inserito il controllo di portata dell’aria e, su richiesta, il controllo automatico della concentrazione. Per la prima volta fu inserito il software di controllo ed un web server che permette di monitorare la crescita della biomassa con grafici e tabelle.
Superficie occupata
La superficie occupata dal sistema produttivo nella sua versione base da 6 cilinrdi è di 2 m2. Più cluster da 6 cilindri possono essere disposti uno accanto all'atro per formare supercluster da 12, 18, 24 o 36 cilindri. In questi casi ogni singolo cluster funziona in modo autonomo. L'aria, la CO2 e l'acqua di servizio vengono diatribuiti con una dorsale installata sul muro interno dietro al cluster.
Consumi energetici
Il consumo energetico per l'illuminazione indoor dei fotobioreattori è pari a 0.5 kW cadauno.
Vista la particolare geometria degli stessi, è possibile valutare l'utilizzo dei cicli luminosi misti (luce artificiale / naturale) in modo da ridurre il fabbisogno energetico a circa 1/3. I risparmi di energia elettrica ottenuti sono del 60% per effetto del minimo volume del mezzo liquido illuminato, liquido che contiene una concentrazione di cellule prodotte fino a 50 volte superiore rispetto ai sistemi tradizionali.
Ultima frontiera: il supercluster
Nuovi mercati richiedono soluzioni differnti. In particolare le esigenze di grandi aziende che producono enormi quantità di avannotti hanno richeisto sistemi più performanti, capaci di produrre grandi quantotà di biomassa, alcuni addirittura hanno richiesto un sistema completamente automatico.
Questa sfida è stata raccolta. Nel 2015 è nato il Jumbo clauster, capace di raggruppare ben 60 reattori in un singolo cluster. E' stata liberata la parte superiore del rettore per agevolare la pulizia periodica dei reattori e aggiunto un sistema di controllo dellla produzione automatico, con ricette di funzionamento dedicate alle singole realtà. Il sistema preleva automaticamente la biomassa inviandola alla cisterna di raccolta e provvede al ripristino del terreno di coltura, reintegrando la biomassa rimanente. Il sistema controlla la densità e tutti i valori vitali, inviandoli al controllo PLC montato a bordo macchina. Il sistema utilizza pompe di circolazione ad aria compressa, riducendo a zero il pericolo di subire uno shock elettrico anche in caso di guasto o rottura. Inoltre il sistema può essere replicato in più unità e controllato a distanza da un sistema computerizzato che permette di contraollare ogni singolo cluster ed ogni singolo reattore. Il sistema computerizzato è in grado di controllare anche la preparazione del terreno di coltura, mantenerlo miscelato alla giusta temparatura, pronto per essere inviato ai reattore appena necessario. Il sistema funziona con ricette diversificate in base alla microalga che si intende coltivare. Quin sotto è visibile un supercluster da 48 reattori.
