Fotobioreattori a spirulina per ripulire l’aria in città: la bioarchitettura che trasforma gli edifici in filtri viventi.
I fotobioreattori a spirulina tubolari rappresentano un’evoluzione ad alta efficienza della coltivazione della spirulina, infatti superano alcuni dei limiti delle tradizionali vasche aperte. Grazie a circuiti chiusi in vetro borosilicato e a elevati flussi di illuminazione, un fotobioreattore per spirulina può favorire una resa fotosintetica fino a dieci volte superiore rispetto agli alberi, contribuendo alla cattura di anidride carbonica e polveri sottili.
La coltivazione di microalghe con un fotobioreattore entra così anche negli spazi urbani attraverso i fotobioreattori urbani, trasformati in veri e propri filtri viventi integrati negli edifici. Questa soluzione unisce il sequestro della CO2 nella spirulina alla produzione circolare di biomassa ad alto valore aggiunto, aprendo nuove prospettive per la bioarchitettura delle microalghe e per il risanamento dell’aria nelle città.
Il problema del biofouling nei tubi
Il principale collo di bottiglia dei fotobioreattori tubolari è il biofouling, cioè la formazione di una patina biologica sulle pareti interne dei tubi. Come risulta da diversi studi, la spirulina tende infatti ad aderire alle superfici, creando un film che ostacola progressivamente il passaggio della luce e, di conseguenza, limita la fotosintesi. La pulizia diventa quindi un aspetto essenziale della gestione dell’impianto.
Per questo i materiali dei tubi devono combinare trasparenza, resistenza e stabilità nel tempo. Il vetro borosilicato offre un’elevata trasparenza e una maggiore resistenza ai raggi UV, al calore e agli agenti chimici, mentre materiali plastici come PMMA e policarbonato sono più leggeri ed economici, ma possono degradarsi maggiormente con l’esposizione prolungata ai raggi UV. Per garantire un’illuminazione adeguata, la trasmittanza luminosa richiesta è superiore al 92% per vetro borosilicato e PMMA.
Secondo gli esperti del settore, il problema può essere affrontato con sistemi di pulizia automatizzata, dalle sfere magnetiche idrodinamiche che rimuovono meccanicamente il biofilm durante il funzionamento agli ultrasuoni ad alta frequenza, applicati dall’esterno per far vibrare le pareti del tubo e distaccare le incrostazioni senza interrompere necessariamente il processo. In assenza di un controllo efficace del biofouling, la perdita di resa fotosintetica può arrivare fino al 60% in soli 14 giorni.
Cos’è la spirulina e la come interviene nei sistemi a circuito chiuso
La spirulina, comunemente identificata con il cianobatterio Arthrospira platensis, cresce in sistemi controllati dove luce, temperatura, pH, concentrazione di CO₂, ossigeno disciolto e idrodinamica devono essere costantemente bilanciati. Nei fotobioreattori chiusi la coltura rimane isolata dall’ambiente esterno, permettendo un controllo più preciso dei parametri di processo e del trasferimento di massa.
Il meccanismo idrodinamico ad air-lift per eliminare lo shear stress
La circolazione deve essere sufficientemente efficace da mantenere le cellule in sospensione, ma senza sottoporle a uno shear stress (forza di taglio) eccessivo che spezzerebbe i delicati filamenti a spirale dei tricomi di Arthrospira platensis, causandone la morte cellulare.
Per questo, nei sistemi ad air-lift, l’aria immessa alla base sotto forma di bolle genera una differenza di densità che mette in movimento il fluido, assicurando miscelazione e ricambio senza ricorrere necessariamente a una forte azione meccanica.
L’obiettivo è mantenere un flusso uniforme, evitando sia il deposito cellulare sia condizioni idrodinamiche troppo aggressive. La velocità indicata per i tubi è di circa 0,2-0,5 m/s per evitare il deposito cellulare senza generare turbolenze dannose.
La gestione dell’ossigeno disciolto e il rischio di foto-inibizione
Durante le ore di maggiore insolazione la fotosintesi intensifica la produzione di ossigeno molecolare (O₂). Nei circuiti chiusi questo può accumularsi fino a livelli di sovrasaturazione: l’eccesso di ossigeno favorisce stress ossidativo e foto-inibizione, riducendo l’assimilazione del carbonio e quindi la crescita della coltura. Nei fotobioreattori tubolari sono perciò necessarie colonne di degasificazione, generalmente collocate nella parte superiore dei moduli, che consentono di allontanare l’O₂ in eccesso.
Come riferimento progettuale, una concentrazione di ossigeno disciolto superiore a 25-30 mg/l viene indicata nel brief come soglia critica; in realtà studi su A. platensis mostrano che nei sistemi tubolari l’ossigeno può raggiungere anche concentrazioni molto più elevate, rendendo il degasaggio un passaggio essenziale per evitare l’inibizione della crescita.
L’efficienza di massa nel trasferimento di anidride carbonica
La CO₂ viene immessa nel circuito sotto forma di micro-bolle, così da aumentare la superficie di contatto tra gas e liquido e migliorare il trasferimento dell’anidride carbonica. Una volta disciolta, la CO₂ entra nell’equilibrio del carbonio inorganico formando anche ioni bicarbonato (HCO₃), che l’Arthrospira può utilizzare come fonte di carbonio per la fotosintesi e la produzione di biomassa. Il controllo della CO₂ disciolta è quindi fondamentale per evitare sia la limitazione di carbonio sia un trasferimento inefficiente del gas.
Sul piano del bilancio di massa, il riferimento stechiometrico è di circa 1,8 kg di CO₂ fissata per ogni kg di biomassa secca prodotta.
La resa fotosintetica dei diversi layout vegetali
Dal punto di vista economico, il vantaggio dei fotobioreattori non consiste soltanto nella quantità di biomassa prodotta, ma soprattutto nella possibilità di ottenere elevate rese concentrando la coltura in spazi relativamente ridotti. Rispetto alle tradizionali vasche aperte, i sistemi chiusi permettono infatti un controllo più preciso di luce, CO₂, temperatura e condizioni della coltura, oltre a ridurre il rischio di contaminazioni. Le microalghe possono inoltre essere coltivate durante tutto l’anno e senza sottrarre necessariamente terreni destinati all’agricoltura.
L’efficienza spaziale aumenta ulteriormente nei layout verticali o modulari, nei quali un elevato rapporto tra superficie esposta alla luce e volume della coltura consente di incrementare concentrazione e produttività. I sistemi compatti possono quindi risultare particolarmente interessanti in contesti urbani, dove il terreno disponibile è limitato.
| Sistema di coltivazione | Efficienza dello spazio | Controllo della coltura | Investimento e gestione | Potenziale produttivo |
| Vasche aperte | Bassa | Limitato | Costi inferiori, ma maggiore esposizione a contaminazioni | Medio |
| Fotobioreattori tubolari | Alta | Elevato | Investimento iniziale e manutenzione maggiori | Alto |
| Fotobioreattori verticali/anulari | Molto alta | Elevato | Struttura compatta e facilmente modulabile | Molto alto |
| Fotobioreattori automatizzati | Molto alta | Molto elevato | Maggiore investimento, minore incidenza della manodopera | Molto alto |
Per i sistemi ad alta efficienza, la produttività può arrivare fino a 15-20 tonnellate di biomassa secca per ettaro equivalente all’anno, un valore che rende la resa per superficie uno dei principali argomenti economici a favore della tecnologia. Tuttavia, il bilancio complessivo deve considerare anche costi di costruzione, illuminazione quando necessaria, pompaggio, controllo dei parametri, raccolta e manutenzione.
L’integrazione bio-architettonica negli involucri edilizi e nelle città
I fotobioreattori urbani possono uscire dai laboratori e diventare parte integrante dell’architettura e dello spazio pubblico. L’idea è trasformare tubi e pannelli trasparenti in vere infrastrutture biologiche capaci di coltivare microalghe, sfruttando luce e CO₂ e integrandosi negli edifici e negli arredi cittadini. I fotobioreattori chiusi permettono infatti di controllare i parametri della coltura e di ottenere una maggiore produttività rispetto alle vasche aperte.
Facciate bioreattive ad intercettazione termica e filtraggio solare
Una delle applicazioni più interessanti consiste nell’inserire i tubi contenenti spirulina nei doppi involucri trasparenti degli edifici. La soluzione verde circola tra le superfici vetrate e può assorbire parte della radiazione solare, contribuendo a creare una schermatura dinamica che limita il surriscaldamento degli ambienti interni durante l’estate. In questo modo la facciata non è più soltanto un elemento passivo, ma diventa parte di un sistema biologico attivo. In alcune configurazioni ottimizzate, la riduzione dei consumi energetici dell’edificio può arrivare fino al 37%, mentre il dato specifico di -35% dell’energia HVAC per il condizionamento estivo è coerente con gli studi sulle biofacciate che mostrano un forte potenziale di riduzione del carico di raffrescamento.
Arredo urbano attivo per l’assorbimento delle polveri sottili
I fotobioreattori compatti possono essere integrati nelle pensiline degli autobus, nelle barriere fonoassorbenti autostradali e nei lampioni intelligenti, trasformando l’arredo urbano in un’infrastruttura ambientale attiva. Oltre ad assorbire la CO₂, le colture microalgali possono contribuire alla rimozione del particolato atmosferico: sistemi urbani sperimentali hanno mostrato la capacità di intercettare PM10 e PM2,5, insieme ad altri inquinanti presenti nell’aria.
Un recente studio sul sistema Liquid3, testato in diversi contesti urbani, documenta proprio la rimozione di entrambe le frazioni di particolato. Il potenziale abbattimento locale può arrivare fino al 15% nelle zone ad alto traffico, rendendo questi dispositivi particolarmente interessanti nei punti della città maggiormente esposti alle emissioni veicolari.
La valorizzazione della biomassa estratta per l’economia circolare
La spirulina estratta periodicamente dal circuito attraverso la filtrazione idraulica può diventare una risorsa anziché un rifiuto. La biomassa microalgale può infatti essere valorizzata per produrre bioplastiche biodegradabili, biofertilizzanti destinati anche alla gestione del verde urbano e biocarburanti di terza generazione. La letteratura scientifica documenta sia l’impiego delle microalghe come materia prima per bioplastiche, sia il loro potenziale nella produzione di biocarburanti e biofertilizzanti.
Le bioplastiche ottenute da biomassa microalgale possono essere 100% biodegradabili in acqua e suolo e rappresentano una possibile alternativa ai materiali di origine fossile. In questo modo la biomassa prodotta dal fotobioreattore rientra nella filiera produttiva e contribuisce a chiudere il ciclo dell’economia circolare.
