impiego dell'alga verde chlamydomonas reinhardtii per la ... - CIRIAF

7° Congresso Nazionale CIRIAF – Atti (Perugia 30/31 marzo 2007)IMPIEGO DELL’ALGA VERDE CHLAMYDOMONAS REINHARDTII PER LAPRODUZIONE DI IDROGENOInes Montecarlo 1 , Naida Corsi 2 , Margherita Giuliobello 2 , Federico Rossi 3 , Elio Cenci 1 , Francesco Bistoni 1 ,Antonella Mencacci 11 Sezione di Microbiologia, Dipartimento di Medicina Sperimentale e Scienze Biochimiche,Università degli Studi di Perugia, Via del Giochetto, 06122 Perugia.2 IPASS-Consorzio Ingegneria Per l’Ambiente e lo Sviluppo Sostenibile, Via G. Guerra 23, 06127 Perugia.3 Sezione di Fisica Tecnica, Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Perugia, ViaDuranti 67, 06125 Perugia.SOMMARIOLa produzione fotobiologica di idrogeno da parte dell’alga verde Chlamydomonas reinhardtii ha sviluppato notevoleinteresse nel campo della ricerca sulle energie rinnovabili. La quantità di idrogeno prodotto da quest’alga dipende da varifattori quali la composizione del terreno di coltura, l’esposizione alla luce solare, la presenza di ossigeno, etc.Nel nostro studio stiamo sperimentando le migliori condizioni di coltura dell’alga, al fine di ottenere una produzioneottimale di idrogeno. La sperimentazione relativa alla coltivazione di C. reinhardtii in terreni con diversa composizionechimica ha dimostrato che, in accordo con la letteratura specifica, la più elevata produzione di idrogeno si ottiene in terrenoTris-acetate phosphate (TAP) privo di zolfo e solfati. Sono stati condotti due esperimenti sottoponendo le colture a diversecondizioni di illuminamento. Nel primo esperimento sono stati utilizzati due tipi di lampade fluorescenti a vapori di mercuriocon diverse temperature di colore (rispettivamente 5.600 e 2.700 K), e una lampada allo xeno con una temperatura di colore di6.800 K. Nel secondo esperimento sono state impiegate due delle lampade già utilizzate nel primo esperimento (una lampadafluorescente a vapori di mercurio con una temperatura di colore di 2.700 K e una lampada allo xeno con una temperatura dicolore di 6.800 K). Inoltre alcuni campioni sono stati sottoposti ad illuminazione naturale. Lo scopo è stato quello di stabilirel’effetto delle diverse condizioni di illuminamento sulla produzione di idrogeno da parte delle colture.INTRODUZIONEL’utilizzo indiscriminato di fonti non rinnovabili comportasia il problema di garantire la sicurezzadell’approviggionamento di energia che quello di arginarel’impatto ambientale relativo a tale uso. Da qui la necessità didover ricorrere a fonti di energia rinnovabili ovvero forme dienergia che si rigenerano rapidamente mediante processinaturali. Una delle possibili alternative ai combustibili fossili èrappresenta dall’ idrogeno in quanto fonte di energia pulita erinnovabile. L’affermarsi di questa tecnologia, una voltasuperati i suoi limiti intrinseci, è sicuramente una delle piùaffascinanti e stimolanti prospettive nell’ottica di uno sviluppoambientale e sociale realmente sostenibile.Lo sviluppo di una economia fondata sull’idrogenorichiede quindi l’implementazione di metodi di produzione,economicamente e tecnicamente competitivi. La produzione diidrogeno a partire da molecole inorganiche da parte dimicrorganismi rappresenta una attraente e ambiziosapossibilità. Allo stato attuale delle conoscenze, gli studiindicano per tale processo un livello di efficienza diconversione energetica (rapporto tra energia prodottadall’idrogeno ottenuto e energia impiegata) compreso tra il 5%e il 10%. Nonostante il rendimento energetico sia troppo bassoper un’applicazione su larga scala in termini economicamentevantaggiosi, tale tecnologia rappresenta un’interessantealternativa ai sistemi di conversione che impiegano fontienergetiche tradizionali, anche in considerazione dei notevolimargini di miglioramento offerti dai sistemi biologici.Il lavoro sperimentale descritto nel presente articolo ha loscopo di individuare le condizioni ottimali di coltivazionedell’alga verde Chlamydomonas reinhardtii, finalizzate allaproduzione d’idrogeno, al fine di progettare un fotobioreattoread elevata efficienza per la produzione biologica di tale gas.MATERIALI E METODIColtivazione di C. reinhardtii.Le colture di C. reinhardtii (7.5 x 10 4 cellule/ml terreno dicoltura) sono state inoculate all’interno di bottiglie graduate da500 ml in vetro borosilicato (figura 1).Figura 1: Bottiglia graduataLe bottiglie sono dotate di tappo in Politereftalato di Butile(PBT) resistente fino a 180 °C con guarnizione in PolitetraFluoroetilene (PTFE). Ogni bottiglia presenta 5 attacchi contappi forati dotati di setto poroso in butile/teflon.

Sono stati effettuati due diversi esperimenti in cui le colturesono state sottoposte a diverse condizioni di illuminazione(naturale e artificiale) ed è stata determinata la produzione diidrogeno a diversi tempi di coltura. A tal fine sono stateallestite differenti postazioni, ognuna costituita da una scatolacon pareti riflettenti rivestite in alluminio, all’interno dellequali le bottiglie contenenti le colture sono state posizionate(Figura 2).Figura 2: Postazioni di provaMisurazione dell’drogeno prodottoPer la rilevazione dei gas contenuti nelle bottiglie è statoutilizzato un gascromatografo con rilevatore TCD in grado dimisurare la percentuale in termini di concentrazione in volumedi idrogeno (ma anche dell’azoto, dell’ossigeno e dell’anidridecarbonica) presente all’interno dei contenitori di vetro durantel’intero periodo di durata della prova.In ognuno dei due esperimenti effettuati la prima di nmisurazioni è stata condotta al momento dell’inoculo (t 0 =tempo zero).Con T è indicato il periodo di durata totale della prova econ T i l’intervallo di tempo tra una misurazione e l’altra con i= 1… n-1Indicando con x i la percentuale in volume di idrogenorilevata dallo strumento e con vi il volume prelevato dalcontenitore nel corso di ogni misurazione, il volume totale diidrogeno prodotto nel corso della prova V H2 sarà dato da:n 1VH2xprodottoi⋅ vi+ VH 2i 1in cui:VH 2prima= ∑ −=del prelievo i=n∑ − 1i=1x ⋅Viliberoprima del prelievo iCondizioni di coltura nel primo esperimentoNel primo studio C. reinhardtii è stata coltivata parallelamentein terreni con diversa composizione chimica: Tris-acetatephosphate(TAP) con zolfo e TAP privo di zolfo e solfati (15 x10 6 C. reinhardtii in 200 ml di terreno TAP/ bottiglia). Levi(1)(2)colture sono state esposte contemporaneamente a diversetemperature di colore mediante l’impiego di due tipi dilampade fluorescenti a vapori di mercurio con temperature dicolore di 5600 e 2700 K, e una lampada allo xeno con unatemperatura di colore di 6800 K. (Tabella 1)Tabella1. Caratteristiche delle lampade installate nelle trepostazioniTIPO DILAMPADATONALITÀDI LUCEPOTENZANOMINALE(W)Indice di resacromatica R aFlussoluminosoФ(lm)Lunghezza xdiametro(mm)TEMP. DICOLORET C (K)ILLUMIN.E V (lux)Lampadafluorescentea vapori dimercurio(765 BASICOSRAM)Luce biancadiurnaDAYLIGHTLampadafluorescentea vapori dimercurio(865LUMINUXOSRAM)Luce biancatono caldoWARMWHITE3x30 =90 3x30 =90 3570…79 80…89 >901900(63 lm/W)2400(80 lm/W)Lampadaallo xenoULTRAWHITE895x26 895x26 40x76500(valoremisurato5600)3000(valoremisurato2700)2500(70 lm/W)8000(valoremisurato6800)12600 15300 3400Per la sperimentazione svolta sono stati preparati 6campioni codificati in base al tipo di terreno e alla lampadautilizzata.La codifica dei campioni è riportata nella Tabella 2Tabella 2. Codifica dei campioniTipologie di coltureC. reinhardtii interreno senza zolfoC. reinhardtii interreno con zolfoLampade - Tc (K)2700 5600 6800A B CAS BS CSCondizioni di coltura nel secondo esperimentoColture di C. reinhardtii in terreno TAP senza zolfo sono statesottoposte ad illuminazione continua con lampada fluorescentecon Tc= 2700 K e lampada allo xeno e parallelamente le stessecolture sono state esposte alla sola luce del sole.Sono stati preparati 6 campioni codificati in base al tipo diterreno e alla lampada della postazione di prova in cui è statoposizionato il campione.La codifica dei campioni è riportata nella Tabella 3

Tabella 3. Codifica dei campioniTipologia di coltura15 x 10 6C. reinhardtii/200 mlTAP15 x 10 6C. reinhardtii/200 mlTAP15 x 10 6C. reinhardtii/200 mlTAP30 x 10 6C. reinhardtii/400 mlTAP30 x 10 6C. reinhardtii/400 mlTAP30 x 10 6C. reinhardtii/400 mlTAPLampada AfluorescenteT C =2700 K14Tipo di illuminazioneLampada Callo XenoT C =6.800 K25Lucesolare36con Tc= 5600 K). Tali valori sono pari a 15 mmol per ilcampione AS e 7 mmol per il campione BS.Il campione CS (cultura di C. reinhardtii in terreno conzolfo sottoposto ad illuminazione continua con lampada alloxeno) ha presentato un andamento crescente nel tempo durantetutto il periodo di durata della prova raggiungendo un valoremassimo di 7,6 mmol dopo 27 giorni dall’ inoculo.idrogeno prodotto (mmoli)20018016014012010080604020Produzione idrogeno00-205 10 15 20 25 30 35t inoculo (gg)ABCRISULTATIPrimo esperimentoI campioni che hanno dato i migliori risultati in termini diquantità di idrogeno prodotto sono quelli delle colture A e Covvero C. reinhardtii coltivata in terreno senza zolfosottoposto ad illuminazione continua con lampada fluorescentecon Tc=2700 K (coltura A) e con lampada allo xeno conTc=6800K (coltura C)In particolare (Figura 3) per l campione A la quantità totaledi idrogeno prodotto è stata crescente nel tempo finoall’undicesimo giorno dall’inoculo in corrispondenza del qualeè stato raggiunto il valore massimo di 164 mmol.Dall’undicesimo al ventiduesimo giorno dall’inoculo si èregistrato un andamento decrescente e la quantità totale diidrogeno è scesa fino a 96 mmol. Dal giorno 22 al giorno 32 siè registrato un andamento oscillante con valore massimo diidrogeno prodotto di circa 120 mmol.Per il campione C la quantità totale di idrogeno prodotto èstata crescente nel tempo fino al ventesimo giorno dall’inoculoin corrispondenza del quale è stato raggiunto il valoremassimo di 177 mmol. Dal ventesimo al ventiduesimo giornosi è registrato un andamento decrescente e la quantità totale diidrogeno è scesa fino a 105 mmol. Dal giorno 22 al giorno 32si è registrato un andamento oscillante, con valore massimo diidrogeno prodotto di circa 132 mmol.Per quanto riguarda i campioni delle culture in terreno conzolfo (AS, BS e CS) gli andamenti della quantità totale diidrogeno prodotto erano oscillanti durante i primi 11 giornidall’inoculo (Figura 4). Tuttavia è durante tale periodo chesono stati raggiunti i valori massimi per i campioni AS(cultura di C. reinhardtii in terreno con zolfo sottoposto adilluminazione continua con lampada fluorescente con Tc=2700 K) e BS (cultura di C. reinhardtii in terreno con zolfosottoposto ad illuminazione continua con lampada fluorescenteFigura 3: Quantità totale di idrogeno prodotto dalle colture diC. reinhardtii in 200 ml di terreno TAP senza zolfo infunzione del tempo.idrogeno prodotto (m moli)161412108642-2Produzione idrogeno00 5 10 15 20 25 30 35t inoculo (gg)Figura 4: Andamento della quantità totale di idrogeno prodottodalle culture coltivate in 200 ml di terreno TAP senza zolfo infunzione del tempo di inoculoI risultati ottenuti permettono di trarre le seguenticonclusioni:1) a parità di condizioni di illuminazione il terreno di crescitamigliore è risultato essere quello senza zolfo;2) le condizioni di luce più favorevoli per una maggiorproduzione di idrogeno da parte delle colture sono stateASBSCS

ottenute con la lampada fluorescente con temperatura di coloredi 2700 K e con la lampada allo xeno. Con quest’ultima è stataregistrata la massima produzione di idrogeno (177 mmol)dopo 20 giorni dall’inoculo.Secondo esperimento350300Produzione idrogenoLe colture di C. reinhardtii sottoposte a lampadafluorescente e lampada allo xeno hanno permesso di ottenereandamenti e valori di idrogeno prodotto abbastanza simili esicuramente migliori rispetto alle condizioni di illuminazionenaturale.In particolare i risultati più soddisfacenti sono statiraggiunti con il campione 1 (C. reinhardtii sottoposta ailluminazione artificiale con lampada fluorescente con Tc =2700K), in cui la quantità totale di idrogeno prodotto è statacrescente nel tempo fino all’undicesimo giorno dall’inoculo incorrispondenza del quale è stato raggiunto il valore massimodi 116 mmol (Figura 5). Dall’undicesimo al trentatreesimogiorno dall’inoculo si è registrato un andamento decrescente ela quantità totale di idrogeno è scesa fino a 67 mmol.idrogeno prodotto (m moli)2502001501005000 5 10 15 20 25 30 35-50t inoculo (gg)456idrogeno prodotto (m moli)14012010080604020-20Produzione idrogeno00 5 10 15 20 25 30 35t inoculo (gg)Figura 5: Quantità totale di idrogeno prodotto dalle colture diC. reinhardtii in 200 ml di terreno TAP senza zolfo infunzione del tempo.Per le colture 4, 5, e 6, in cui la quantità di terrenoall’interno di ciascuna bottiglia era doppia rispetto alle colture1, 2, e 3, e, di conseguenza, la quantità di cellule coltivate eraraddoppiata, i risultati più soddisfacenti sono stati raggiunticon il campione 5 (C. reinhardtii sottoposta a illuminazioneartificiale con lampada allo xeno con Tc = 6800K) in cui laquantità totale di idrogeno prodotto è stata crescente nel tempofino al quattordicesimo giorno dall’inoculo in corrispondenzadel quale è stato raggiunto il valore massimo di 286 mmol/400ml di TAP (Figura 6). Dal quattordicesimo al diciassettesimogiorno dall’ inoculo si è registrato un andamento decrescente ela quantità totale di idrogeno è scesa fino a 17-18 mmol e talevalore si è mantenuto costante fino al trentatreesimo giorno.123Figura 6: Quantità totale di idrogeno prodotto dalle colture diC. reinhardtii in 400 ml di terreno TAP senza zolfo infunzione del tempo.CONCLUSIONII risultati della sperimentazione descritta dimostrano che:1) l’uso di terreno TAP privo di zolfo e solfati per lacoltivazione dell’alga C. reinhardtii si associa ad unamaggiore produzione di idrogeno,2) la quantità di idrogeno prodotto è proporzionale al numerodi cellule di Chlamydomonas coltivate,3) la esposizione delle colture a luce artificiale è associata aduna maggiore produzione di idrogeno rispetto all’esposizionea luce solare,4) la massima produzione di idrogeno (286 mmol/400ml diTAP) è stata registrata dopo esposizione alla luce da lampadaallo xeno, dopo 14 giorni dall’ inoculo.Non si è ritenuto opportuno normalizzare i quantitativi diidrogeno prodotto al volume di terreno poiché tale produzionedipende sia dal volume della coltura, sia dalla superficie liberadi interfaccia con l’aria che con la superficie direttamenteesposta alla luce solare.BIBLIOGRAFIA1. Belcher H. and Swale E., Culturing algae: a guide forschool and colleges. Culture collection of Algae adProtozoa, Ambleside, England, U.K. 1988.2. Bistoni F., Mencacci A., Cenci E., Montecarlo I.,Corbucci C., Rossi F., Giuliobello M., Sviluppo di undispositivo per l’ottenimento di idrogeno medianteprocessi fotobiologici. 6° Congresso Nazionale CIRIAF– Atti (Perugia 7/8 aprile 2006).3. Gaffron H., Reduction of CO 2 with H 2 in green plants.Nature, vol. 143, pp 204-205, 1939.4. Gaffron H. and Rubin J., Fermentative andphotochemical production of hydrogen in algae. Journalof General Physiology, vol. 26, pp. 219-240, 1942.

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