*Giuseppe Di Sanzo, 

* Vincenzo Larocca, 

** Antonio Molino, 

* Maria Martino

Un progetto di ricerca realizzato da un team internazionale che lavora alla sperimentazione di metodi innovativi per la coltivazione di microalghe, come quello magnetico, con una serra che riduce al minimo le contaminazioni e le variabili legate a temperatura e umidità. Un sistema che consente di ridurre sensibilmente la quantità d’acqua utilizzata, di aumentare la produzione di biomassa e ridurre i costi di produzione. E per l’estrazione dei principi attivi si utilizzano processi “green” come la CO₂ in condizioni supercritiche.

La richiesta di composti di origine vegetale e di estratti naturali è in continua crescita grazie al loro uso nelle applicazioni farmaceutiche, nella medicina naturale, nei prodotti cosmetici. Si tratta di settori che necessitano di prodotti sicuri, di alta qualità e prezzi competitivi. In tale direzione, le microalghe possono contribuire alla riduzione negli usi di sostanze di sintesi chimica, difatti grazie al loro contenuto di composti ad alto valore aggiunto possono fare da volano per lo sviluppo di molti settori industriali attraverso metodi  ecosostenibili e a basso impatto ambientale [1, 2].

Le microalghe, grazie alla loro elevata varietà di specie, possono contribuire in tal senso allo sviluppo di diversi settori, da quello nutraceutico, cosmetico, nella mangimistica e come biopesticidi, come la possibilità di produrre sostanze con proprietà benefiche da poter utilizzare nella nutraceutica: gli acidi grassi polinsaturi (PUFA) a cui appartengono gli omega-3 e omega-6, i carotenoidi tra cui il beta-carotene, la luteina e l’astaxantina. Le microalghe possono essere coltivate in sistemi chiusi come i fotobioreattori oppure aperti, laghi o pozze artificiali, su terreni marginali o improduttivi, senza aver bisogno dell’uso di erbicidi o pesticidi, riducendo così sia i costi e sia l’impatto ambientale. Un’altra importante potenzialità è la loro capacità di sequestrare la CO₂ durante la fase di accrescimento che può essere sfruttata per scopi ambientali [4, 5, 6]. In particolare, la quantità di CO₂ che la microalga riesce a catturare equivale a circa 1,8 kg per ogni kg di biomassa secca prodotta [7, 8].  

In tale scenario, il vero problema nello sviluppo di bioprocessi dalle alghe è legato ai costi di produzione che ne limitano fortemente l’applicabilità in ambito industriale, rilegandola ai soli settori, la cui produzione è a elevato valore aggiunto. Il progetto VALUEMAG (Valuable Products from Algae Using New Magnetic Cultivation and Extraction Techniques) punta a una drastica riduzione del costo di produzione delle microalghe grazie a soluzioni innovative di coltivazione ed estrazione dei principi attivi e, nel contempo, alla messa a punto di processi estrattivi “green” e “low carbon impact” quali l’utilizzo della CO₂ in condizioni supercritiche. 

Tale progetto è stato avviato lo scorso 1° aprile 2017 e finanziato dal Programma BIO BASED INDUSTRIES PPP (H2020-BBI-JTI-2016 Topic: BBI-2016-R09 RIA), prevede un team internazionale di ricerca composto da 11 partner provenienti da 9 Paesi UE, che lavorerà alla sperimentazione di innovativi metodi di coltivazione, come quella magnetica. Una serra ospita il sistema per l’esposizione alla luce solare, riducendo al minimo la contaminazione e le incertezze temperatura-umidità. La quantità d’acqua è ridotta al minimo e la raccolta sarà veloce ed economica. Queste innovazioni consentono di coltivare in modo ottimale, migliorare la produttività della biomassa e ridurne drasticamente i costi [https://www.valuemag.eu].

L’ENEA partecipa alle attività di RS&T finalizzate alla estrazione e caratterizzazione di sostanze a uso nutraceutico, cosmetico, da impiegare come additivi alimentari e agenti ad attività antifungina, mediante l’impiego di tecnologie non convenzionali quali l’utilizzo della CO₂ in condizioni supercritiche (CO₂-SFE), che offre importanti vantaggi rispetto all’utilizzo di solventi convenzionali [9, 10, 11] i quali limitano la degradazione di tali sostanze nella fase estrattiva, ottimizzandone pertanto la qualità e la produttività in termini di sostanze bioattive. 

I principali vantaggi dell’estrazione CO₂-SFE sono legati all’utilizzo di un solvente di tipo GRAS (Generally recognized as safe solvent) quale la CO₂ che, a differenza dei solventi convenzionali, non lascia residui durante le operazioni di estrazione e pertanto è da considerarsi certamente più sicuro per gli ambiti alimentari e nutraceutici [12]; inoltre grazie alla sua pressione critica moderata, permette di contenere i costi di compressione, mentre la sua bassa temperatura critica consente l’estrazione di composti termosensibili evitando l’insorgere del fenomeno della degradazione. Inoltre, la CO₂ è inerte, non tossica e viene facilmente recuperata a valle dell’estrazione [13, 14]. 

Grazie a questi vantaggi l’estrazione con CO₂ supercritica risulta essere una tecnica molto promettente, pertanto rappresenterà la tecnologia utilizzata nel progetto VALUEMAG per l’estrazione delle biomolecole di interesse, come carotenoidi, e acidi grassi polinsaturi, destinati a diversi usi finali nel campo degli integratori alimentari, dell’industria dei mangimi e dei cosmetici [15, 16].

L’ENEA, in particolare nel Laboratorio Bioprodotti e Bioprocessi (SSPT-BIOAG-PROBIO), svolge attività di RST&D a supporto della competitività e della sostenibilità dei sistemi produttivi delle aree food e no-food, perseguendo la finalità generale di sviluppare prodotti e processi innovativi mediante l’utilizzo delle Tecnologie Abilitanti (KETs).

Particolare attenzione è dedicata allo sviluppo delle applicazioni delle biotecnologie industriali (White Biotechnologies) e delle Tecnologie di Processo, soprattutto Mild Technologies, nei settori produttivi dell’agroindustria e della bioindustria. Il Laboratorio si avvale della disponibilità di dotazioni infrastrutturali, strumentali, impiantistiche dalla scala laboratorio alla scala pilota (Hall Tecnologiche).

In ENEA C.R. Trisaia è presente il centro di Innovazione integrato “Agrobiopolis”, una infrastruttura di ricerca a supporto dello sviluppo delle biotecnologie e della green chemistry, che rappresenta un polo tecnologico con valenza multidisciplinare aperto alle collaborazioni con altri soggetti pubblici e privati, e si pone l’obiettivo di introdurre elementi di innovazione nei sistemi produttivi attraverso attività di R&ST, di dimostrazione, di diffusione e trasferimento tecnologico.

Impianti di estrazione a CO₂ Supercritica

Centro di Innovazione Integrato “Agrobiopolis”

L’estrazione con CO₂ supercritica (CO₂-SFE) è una valida alternativa ai processi tradizionali di estrazione con solvente presentando, rispetto a essi, molteplici vantaggi:

• condizioni di processo blande (Tc=31,1 °C);
• riconosciuta come sicura per prodotti alimentari;
• economica (impianti di grande scala o multiprodotto);
• facilmente disponibile;
• non tossica, ininfiammabile e inerte per la maggior parte dei materiali.

I vantaggi di questa tecnica rispetto alle tecnologie convenzionali di estrazione, specialmente per prodotti naturali nell’industria alimentare e farmaceutica, sono attualmente ben riconosciuti. Mediante tale tecnica si possono ottenere:

• estratti da prodotti naturali;
• principi attivi ad alta attività biologica;
• estratti con periodo di vita superiore;
• nessun solvente residuo;
• alta flessibilità nelle condizioni operative;
• controllo preciso della selettività del solvente supercritico;
• ottimizzazione agevole della qualità e della resa del prodotto desiderato;
• frazionamento simultaneo di estratti.

Le aree di intervento sono: alimentare/nutraceutico, agro-industriale, farmaceutico, cosmetico e ambientale. Il settore dei fitoterapici e dei prodotti salutistici di origine vegetale, per esempio, costituisce un settore estremamente attuale. Fra le applicazioni possibili si possono per esempio individuare nuove matrici vegetali e residui agroindustriali come fonti di sostanze bioattive, nutraceutici e/o antiossidanti (flavonoidi, fenilpropanoidi, antociani e secoiridoidi) con l’obiettivo di:

• sviluppare e applicare, fino a scala pilota, tecnologie eco-compatibili e ottenere ricadute della ricerca in termini sia scientifici che applicativi a livello industriale;
• approfondire la conoscenza, dal punto di vista chimico-biologico, di specie vegetali per la individuazione di nuovi prodotti per la cura di diverse patologie;
• fornire basi scientifiche all’utilizzo di piante medicinali e alimentari utilizzate nelle medicine popolari;
• ottimizzare le condizioni di estrazione di alcuni di questi composti ad azione antiossidante ricorrendo a tecnologie “mild” operanti in ambiente supercritico e pertanto in grado di non alterarne le caratteristiche chimico-fisiche;
• caratterizzazione e studio delle proprietà biologiche di oli essenziali e fitocomplessi da piante della flora mediterranea;

Il fine ultimo in ogni caso è quindi quello di mettere a punto processi su scala laboratorio e scala pilota, per l’estrazione da substrati naturali di composti ad alto valore aggiunto, da utilizzare come integratori o additivi nell’industria alimentare, cosmetica e farmaceutica.

Caratteristiche tecniche degli impianti
Impianto in scala da laboratorio:

• sistema di estrazione e raccolta in fase solida fino a 680 bar e 250 °C;
• pompa della CO₂ e pompa per cosolvente;
• capacità dei vessel 32 mL, 50 mL e 1 l;
• raccolta del campione off-line tramite trappola di solvente e/o sistemi SPE;
• PC per acquisizione dati.

UOP CO₂ SFE: 

• n° 2 estrattori da 15 o 8 l per matrici solide, n°1 estrattore da 5 L per fluidi a elevata viscosità fino a 600 bar e 80 °C ; 
• colonna a riempimento per il trattamento di liquidi da 16 L, fino a 350 bar e 80 °C; 
• pompa della CO₂ (fino a 130 kg/h a 600 bar) e pompa per cosolvente;
• n° 3 separatori per il recupero degli estratti da 5 L il primo e il secondo e 1,5 L il terzo; 
• strumentazione e PLC di controllo per la gestione e controllo automatico del processo.

http://www.trisaia.enea.it/it/laboratori-e-impianti/centro-di-innovazione-integrato-agrobiopolis

^* ENEA, Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile  Centro Ricerche Trisaia 

^** ENEA, Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile  Centro Ricerche Portici

BIBLIOGRAFIA

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2. O. Pulz, W. Gross. Valuable products from biotechnology of microalgae. Applied Microbiology and Biotechnology, Vol. 65, pp 635-648 (2004).
3. R.L. Mendes, J.P. Coelho, H.L. Fernandes, I.J. Marrucho, J.M.S. Cabral, J.M. Novais, A.F. Palavra. Applications of supercritical CO₂ extraction to microalgae and plants. Journal of Chemistry Technology and Biotechnology, Vol. 62, pp. 53-59 (1995).
4. G.J. Gil-Chávez, J.A. Villa, J.F. Ayala-Zavala, J.B. Heredia, D. Sepulveda, E.M. Yahia, G.A. Gonzalez-Aguilar. Technologies for Extraction and Production of Bioactive Compounds to be Used as Nutraceuticals and Food Ingredients: An Overview. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, Vol. 12, pp. 5-23 (2013).
5. J. M. Gordon, J. E. W. Polle. Ultrahigh bioproductivity from algae, Applied Microbiology and Biotechnology, Vol. 76, pp. 969-975 (2007).
6. R. Rawat, R. Ranjith Kumar, T. Mutanda, F. Bux. Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production. Applied Energy, Vol. 103, pp. 444-467 (2013).
7. L. Brennan, P. Owende. Biofuels from microalgae-a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.14, pp. 557-577 (2010).
8. N.H. Norsker, M.J. Barbosa, M.H. Vermue, R.H. Wijffels. Microalgal production-A close look at the economics. Biotechnology Advances, Vol. 29, pp. 24-27 (2011).
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11. A.M.F. Palavra, J.P. Coelho, J.G. Barroso, A.P. Rauter, J.M.N.A. Fareleira, A. Mainar, J.S. Urieta, B.P. Nobre, L. Gouveia, R.L. Mendes, J.M.S. Cabral, J. Novais. Supercritical carbon dioxide extraction of bioactive compounds from microalgae and volatile oils from aromatic plants. The Journal of Supercritical Fluids, Vol. 60, pp. 21-27 (2011).
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16. J. Viganó, A.P.D.F. Machado, J. Martínez, Sub- and supercritical fluid technology applied to food waste processing. The Journal of Supercritical Fluids, Vol. 96, pp. 272-286 (2015). 

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