3-D printed corals, new bioreactors to boost microalgae production for biofuels / Coralli stampati in 3D, nuovi bioreattori per aumentare la produzione di microalghe per i biocarburanti

3-D printed corals, new bioreactors to boost microalgae production for biofuels / Coralli stampati in 3D, nuovi bioreattori per aumentare la produzione di microalghe per i biocarburanti

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa /  Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

The structure of coral polyps provide an ideal habitat for colonies of Symbiodinium sp. algae to grow. / La struttura dei polipi corallini fornisce un habitat ideale per le colonie di Symbiodinium sp. alghe per crescere.  Image credit - Dr Wangpraseurt

Using light as an energy source, photosynthetic microalgae can be used to produce products like biofuels and cosmetics. But algae grown in a reactor block out the light on which they feed. New reactor designs could solve this problem and help the industry move forward.

Photosynthetic algae – tiny algae that use light to grow – offer an alternative to traditional fossil fuels. The small amount of lipids each cell produces can be harvested to produce biofuel for the transport industry.

Currently, there are two main designs to grow the algae: either through an outdoor artificial ‘pond’ or through a closed ‘photobioreactor’ – usually a transparent tube or bag.

Both have their problems. Although an open pond can be big enough for industrial production, it is difficult to control the pond’s temperature and the water can easily get infected with unwanted bacteria.

An indoor photobioreactor reduces both these risks, but few designs can be used for industrial production. In both types, the photosynthetic microalgae begin to block out the light as they grow.

‘Often what you have is too much light at the surface of the culture and too little light as you go deeper,’ said Dr Daniel Wangpraseurt, a marine scientist at Cambridge University in the UK, who is researching how best to grow microalgae.

Efficiently producing biofuels starts by finding the best way possible to grow microalgae. ‘What we would like to do is to use a strain that produces lots of lipids that can then be converted to biodiesel,’ said Dr Wangpraseurt. The better a strain can grow in a bioreactor, the larger the yield of biofuel.

Coral reefs

Dr Wangpraseurt and his BioMIC-FUEL project took inspiration from how microalgae grow on tropical coral reefs. By recreating coral structures, he and his team hoped to recreate the best conditions for biofuel production.

As Dr Wangpraseurt explains, these corals have a unique structure that allows photosynthesising algae to thrive in an environment with a lot of competition for space and light. For example, the coral skeleton is made from calcium carbonate, which allows the coral to scatter light in a way that it can reach dense microalgae growing on it. 

The next step was to create a 3D printing technique that could replicate the shape of corals, including their unique light-scattering chemical structure. This involved working with bioengineers with expertise in ‘printing’ cells in artificial organ research.

Researchers investigating how to recreate liver tissue were able to advise Dr Wangpraseurt’s team on how to recreate fine structures and details found on the surface of corals. A ‘bio-ink’ loaded with nutrients and chemicals was designed to help the microalgae grow well within the 3D tissue construct.

‘There's lots of different things that end up in this cocktail that we call bio-ink – one of the most time-consuming aspects was to tune this bio-ink to be beneficial for the growth of the algae,’ said Dr Wangpraseurt.

This allowed them to create artificial structures that had similar strength, softness, and light-scattering qualities as natural corals. After finding the right mix, Dr Wangpraseurt and colleagues were able to grow microalgae up to 100 times as dense as those found in natural corals.

Dr Wangpraseurt says that work is underway to optimise the technology and scale it up so that businesses can use it.

The skeleton structure of the coral Stylophora pistillata (left) is reflected in the 3D printed material (right). / La struttura dello scheletro del corallo Stylophora pistillata (a sinistra) si riflette nel materiale stampato in 3D (a destra). Credito d'immagine - Dr Wangpraseurt

Light

Right now, businesses looking for an indoor bioreactor still have few options – the technology still runs into problems such as controlling the light and nutrients in the reactor, and minimising contamination risk.

‘Companies in the past tried solving this issue and have come to some solutions, but not something at scale,’ says Yonatan Golan, the CEO of Brevel, a small company based in Israel developing a large-scale photobioreactor.

As Golan explains, adding lights into the reactor creates extra niches for unwanted bacteria to grow and contaminate the reactor. Extra cleaning elements can be installed in the reactor, though this then causes shadows within the bioreactor, reducing the amount of light for the microalgae.

Brevel’s bioreactor design uses patented lighting and cleaning techniques to illuminate the photobioreactor inside while reducing the risk of infection by bacteria. The new lighting techniques mean that light in the reactor can be both smaller and brighter, without heating up the bacterial mixture. Digital image analysis and online monitoring means that the Brevel photobioreactor is also more automated than other photobioreactors available to industry.

Their results are already promising. They were able to reduce the cost of growing photomicroalgae by 90% and produce yields 200 times higher than state-of-the-art outdoor photobioreactors.

A large bioreactor (left) and smaller labscale bioreactors (right). / Un bioreattore di grandi dimensioni (a sinistra) e bioreattori su scala di laboratorio più piccoli (a destra). Image credit - Yonatan Golan, Brevel

Salmon

The bioreactor has applications beyond biofuel. Salmon grown in fish farms do not have the pink colour seen in the wild. To compensate, salmon farmers add an artificial pigment called astaxanthin to feed that gives farmed salmon meat a pinkish hue.

As Golan explains, this synthetic pigment is made from petrochemicals, which researchers note is not approved to be directly consumed by people, though is safe to eat in farmed fish. This pigment constitutes 10% of the final price of salmon.

The scaled-up Brevel bioreactor can make this same pigment at the same price organically, and at the same price as the synthetic version. Organically made pigment is also proven to be safe to eat directly and is naturally higher in antioxidants. Its price is likely to fall as time goes on, Golan adds. The company is also looking at producing products for the nutrition and cosmetics industry.

Next year, Golan hopes to build the first photobioreactor factory and hire more engineers. He believes that microalgae also make sustainable business sense. 

‘We can actually make a profit from the high value (nutrition and cosmetics) products and be left with the biomass which contains proteins and lipids,’ he said. ‘These can be either for the protein market, or it's possible to produce biofuel from them.’

ITALIANO

Utilizzando la luce come fonte di energia, le microalghe fotosintetiche possono essere utilizzate per produrre prodotti come biocarburanti e cosmetici. Ma le alghe coltivate in un reattore bloccano la luce di cui si nutrono. Nuovi progetti di reattori potrebbero risolvere questo problema e aiutare l'industria ad andare avanti.

Le alghe fotosintetiche - minuscole alghe che usano la luce per crescere - offrono un'alternativa ai tradizionali combustibili fossili. La piccola quantità di lipidi prodotta da ciascuna cellula può essere raccolta per produrre biocarburanti per l'industria dei trasporti.

Attualmente, ci sono due progetti principali per far crescere le alghe: o attraverso uno "stagno" artificiale all'aperto o attraverso un "fotobioreattore" chiuso, solitamente un tubo o un sacchetto trasparente.

Entrambi hanno i loro problemi. Sebbene uno stagno aperto possa essere abbastanza grande per la produzione industriale, è difficile controllare la temperatura dello stagno e l'acqua può essere facilmente infettata da batteri indesiderati.

Un fotobioreattore da interni riduce entrambi questi rischi, ma pochi modelli possono essere utilizzati per la produzione industriale. In entrambi i tipi, le microalghe fotosintetiche iniziano a bloccare la luce mentre crescono.

"Spesso quello che hai è troppa luce sulla superficie della cultura e troppo poca luce man mano che vai più in profondità", ha detto il dott. Daniel Wangpraseurt, uno scienziato marino presso l'Università di Cambridge nel Regno Unito, che sta cercando il modo migliore per coltivare le microalghe.

La produzione efficiente di biocarburanti inizia trovando il modo migliore possibile per far crescere le microalghe. "Quello che vorremmo fare è utilizzare un ceppo che produca molti lipidi che possono poi essere convertiti in biodiesel", ha detto il dott. Wangpraseurt. Migliore è la crescita di una varietà in un bioreattore, maggiore è la resa di biocarburante.

Barriere coralline

Il dottor Wangpraseurt e il suo progetto BioMIC-FUEL si sono ispirati al modo in cui crescono le microalghe sulle barriere coralline tropicali. Ricreando le strutture coralline, lui ed il suo gruppo speravano di ricreare le migliori condizioni per la produzione di biocarburanti.

Come spiega il dottor Wangpraseurt, questi coralli hanno una struttura unica che consente alle alghe fotosintetizzanti di prosperare in un ambiente con molta concorrenza per lo spazio e la luce. Ad esempio, lo scheletro del corallo è costituito da carbonato di calcio, che consente al corallo di diffondere la luce in modo che possa raggiungere le microalghe dense che crescono su di esso. 

Il passaggio successivo è stato quello di creare una tecnica di stampa 3D in grado di replicare la forma dei coralli, inclusa la loro struttura chimica unica di diffusione della luce. Ciò ha comportato la collaborazione con bioingegneri esperti nella "stampa" di cellule nella ricerca sugli organi artificiali.

I ricercatori che studiavano come ricreare il tessuto epatico sono stati in grado di consigliare il gruppo del dottor Wangpraseurt su come ricreare strutture e dettagli fini trovati sulla superficie dei coralli. Un "bioinchiostro" caricato con sostanze nutritive e sostanze chimiche è stato progettato per aiutare le microalghe a crescere bene all'interno della struttura del tessuto 3D.

"Ci sono molte cose diverse che finiscono in questo cocktail che chiamiamo bioinchiostro: uno degli aspetti più dispendiosi in termini di tempo è stato quello di mettere a punto questo bioinchiostro per essere benefico per la crescita delle alghe", ha detto il dottor Wangpraseurt.

Ciò ha permesso loro di creare strutture artificiali che avevano forza, morbidezza e qualità di diffusione della luce simili a quelle dei coralli naturali. Dopo aver trovato il giusto mix, il dottor Wangpraseurt e colleghi sono stati in grado di coltivare microalghe fino a 100 volte più dense di quelle che si trovano nei coralli naturali.

Il dott. Wangpraseurt afferma che sono in corso lavori per ottimizzare la tecnologia ed ampliarla in modo che le aziende possano utilizzarla.

Luce

Al momento, le aziende che cercano un bioreattore da interni hanno ancora poche opzioni: la tecnologia incontra ancora problemi come il controllo della luce e dei nutrienti nel reattore e la riduzione al minimo del rischio di contaminazione.

"Le aziende in passato hanno cercato di risolvere questo problema e sono arrivate ad alcune soluzioni, ma non a qualcosa su larga scala", afferma Yonatan Golan, CEO di Brevel, una piccola azienda con sede in Israele che sviluppa un fotobioreattore su larga scala .

Come spiega Golan, l'aggiunta di luci nel reattore crea nicchie extra per la crescita di batteri indesiderati e la contaminazione del reattore. È possibile installare elementi di pulizia aggiuntivi nel reattore, anche se questo provoca ombre all'interno del bioreattore, riducendo la quantità di luce per le microalghe.

Il progetto del bioreattore di Brevel utilizza tecniche brevettate di illuminazione e pulizia per illuminare il fotobioreattore all'interno riducendo il rischio di infezione da batteri. Le nuove tecniche di illuminazione significano che la luce nel reattore può essere sia più piccola che più luminosa, senza riscaldare la miscela batterica. L'analisi delle immagini digitali e il monitoraggio online significano che il fotobioreattore Brevel è anche più automatizzato di altri fotobioreattori disponibili per l'industria.

I loro risultati sono già promettenti. Sono stati in grado di ridurre del 90% il costo della crescita delle microficroalghe e produrre rese 200 volte superiori rispetto ai fotobioreattori per esterni all'avanguardia.

Salmone

Il bioreattore ha applicazioni che vanno oltre i biocarburanti. Il salmone coltivato negli allevamenti ittici non ha il colore rosa visto in natura. Per compensare, gli allevatori di salmone aggiungono al mangime un pigmento artificiale chiamato astaxantina che conferisce alla carne di salmone d'allevamento una tonalità rosata.

Come spiega Golan, questo pigmento sintetico è costituito da prodotti petrolchimici , che i ricercatori notano non è approvato per essere consumato direttamente dalle persone , sebbene sia sicuro da mangiare nei pesci d'allevamento. Questo pigmento costituisce il 10% del prezzo finale del salmone.

Il bioreattore Brevel ingrandito può produrre questo stesso pigmento allo stesso prezzo organicamente ed allo stesso prezzo della versione sintetica. Il pigmento prodotto biologicamente ha anche dimostrato di essere sicuro da mangiare direttamente ed è naturalmente più ricco di antiossidanti. È probabile che il suo prezzo scenda con il passare del tempo, aggiunge Golan. L'azienda sta anche cercando di produrre prodotti per l'industria della nutrizione e dei cosmetici.

L'anno prossimo, Golan spera di costruire la prima fabbrica di fotobioreattori ed assumere più ingegneri. Crede che le microalghe abbiano anche senso per gli affari sostenibili. 

"Possiamo effettivamente trarre profitto dai prodotti di alto valore (nutrizione e cosmetici) e rimanere con la biomassa che contiene proteine ​​e lipidi", ha detto. "Questi possono essere per il mercato delle proteine ​​oppure è possibile produrre biocarburanti da loro."

Da:

https://horizon-magazine.eu/article/3-d-printed-corals-new-bioreactors-boost-microalgae-production-biofuels.html?utm_medium=email&utm_source=icf&utm_content=This+week+in+Horizon%3A+3D-printed+corals%2C+side-effects+and+genetics%2C+and+the+wider+health+effects+of+vaccines&utm_campaign=