Newsletter 1 I coloranti naturali: nuove prospettive per l'agricoltura e l'industria agroalimentare

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2 Newsletter 1 I coloranti naturali: nuove prospettive per l'agricoltura e l'industria agroalimentare Il Progetto Biocolor, che è impegnato nella sperimentazione di tecniche per il recupero di coloranti ed estratti naturali da scarti di origine vegetale, quali per esempio, bucce e scarti del pomodoro e da colture algali, apre nuove vie per l integrazione del reddito aziendale delle imprese agricole e agroalimentari. I coloranti naturali, di origine vegetale o animale, sono stati impiegati per millenni nel settore tessile, cosmetico, alimentare e in quello artistico (dai dipinti su tela e tavola ai tessuti e arazzi, alla miniatura). La maggior parte di essi è stata soppiantata verso la fine del XIX secolo con l'avvento di quelli sintetici, caratterizzati da una maggiore uniformità e costi più contenuti. Recentemente nei Paesi industrializzati si sta assistendo a un crescente interesse verso i prodotti di origine naturale, e tra questi i coloranti vegetali, percepiti come più salubri e più rispondenti alle

3 esigenze di un consumatore, oggi maggiormente attento alla qualità della vita e alla tutela dell ambiente. Le caratteristiche di maggiore biodegradabilità e compatibilità ambientale che caratterizzano i coloranti di origine naturale stanno aprendo nuove opportunità di impiego in diversi settori industriali che tradizionalmente si rivolgono a materie prime provenienti da sintesi chimica. L impiego dei coloranti nei diversi settori produttivi, è oggi disciplinato da normative ben precise che indicano le sostanze consentite. Tali disposizioni di legge sono dettate dalla necessità di proteggere il consumatore da sostanze non controllate dal punto di vista dell innocuità. La legislazione attuale si basa su alcune direttive dell Unione Europea, recepite in Italia senza particolari modifiche, tuttavia la normativa comunitaria sui coloranti è in continua evoluzione soprattutto per quanto riguarda la non tossicità e l'innocuità nei diversi settori d impiego. Noi europei possiamo considerarci all avanguardia in quanto a sicurezza degli ingredienti e degli additivi utilizzati negli alimenti. Il Progetto Biocolor prevede l estrazione di sostanze coloranti da due fonti: gli scarti (principalmente bucce) della lavorazione del pomodoro e la coltura in appositi impianti di microalghe Spirulina. Entrambi i coloranti sono additivi alimentari. L Unione Europea ha sottoposto gli additivi a un processo di valutazione della sicurezza prima di essere autorizzati per l'uso alimentare. La valutazione viene eseguita dall'agenzia per la Sicurezza Alimentare (EFSA). Essi sono definiti come: "qualsiasi sostanza normalmente non consumata come alimento in quanto tale e non utilizzata come ingrediente tipico degli alimenti, indipendentemente dal fatto di avere un valore nutritivo, che aggiunta intenzionalmente ai prodotti alimentari per un fine tecnologico nelle fasi di produzione, trasformazione, preparazione, trattamento, imballaggio, trasporto o immagazzinamento degli alimenti, si possa ragionevolmente presumere che diventi, essa stessa o i suoi derivati, un componente di tali alimenti, direttamente o indirettamente" (Direttiva del Consiglio 89/107/CEE).

4 Quindi gli additivi sono delle aggiunte migliorative, che si possono a loro volta suddividere in: Additivi che aiutano a preservare la freschezza degli alimenti: conservanti, che rallentano la crescita di microbi, e antiossidanti, che prevengono i fenomeni di irrancidimento. Additivi che migliorano le caratteristiche sensoriali degli alimenti: coloranti, addensanti, emulsionanti, dolcificanti, esaltatori di sapidità. Additivi tecnologici, usati per facilitare la lavorazione degli alimenti ma che non hanno una specifica funzione nel prodotto finale (definiti anche adiuvanti): agenti antischiuma, antiagglomeranti ecc. Vediamo qui di seguito quali sono gli additivi raggruppati per categorie: Coloranti Conservanti Antiossidanti e regolatori di acidità Addensanti, stabilizzanti ed emulsionanti Regolatori di acidità e anti-agglomeranti Esaltatori di sapidità Vari Altri prodotti Come si vede, ognuna delle categoria comprende numerose sostanze, ciascuna classificata e testata dall'agenzia per la Sicurezza Alimentare. Abbiamo esploso i due colori che interessano il progetto: il rosso e il verde Coloranti gialli arancione rossi blu e violetti verdi E marroni e neri E 160a E 160b altri E 160c E 160d E 160e E 160f Clorofille e clorofilline i) clorofille ii) clorofilline Caroteni i) Caroteni misti ii) Beta-carotene Annatto, Bissina, Norbissina Estratto di paprica, Capsantina, Capsorubina Licopina beta-apo-8 -carotenale (C30) Estere etilico dell acido Beta-apo-8 -carotenico

5 Conservanti Antiossidanti e regolatori di acidità Addensanti, stabilizzanti e emulsionanti Regolatori di acidità e anti-agglomeranti Esaltatori di sapidità sorbati benzoati solfuri fenoli e formiati nitrati acetati lattati propionati altri ascorbati (vitamina C) gallati e eritorbati lattati citrati e tartrati fosfati malati e adipati succinati e fumarati altri alginati gomma naturale altri agenti naturali (C30) derivati del poliossietilene emulsionanti naturali fosfati derivati della cellulosa derivati degli acidi grassi altri acidi e basi inorganiche cloruri e solfati solfati e idrossidi sali dei metalli alcalini silicati stearati e gluconati altri glutammati inosinati altri Vari cere

6 glasse agenti ausiliari gas per confezionamento dolcificanti schiumogeni Altri prodotti Sostanze che non rientrano nelle classificazioni sopra indicate I coloranti sono sostanze largamente usate nelle bevande che si trovano in commercio, nei dolciumi, nei gelati, sciroppi di frutta, frutta candita, marmellate, alimenti sott'olio e sott'aceto e in generale nei prodotti preconfezionati. I coloranti possono essere naturali o sintetici. I coloranti naturali ottenuti dai processi di estrazione del Progetto Biocolor corrispondono alla produzione di due tipi di sostanze naturali: LICOPENE: il licopene (o licopina) è il carotenoide presente principalmente nel pomodoro e nei prodotti da esso derivati (salse, sughi, concentrati, etc.). Esso è responsabile della loro colorazione rossa, ed è caratterizzato da un'energica attività antiossidante (E160 d)

7 CLOROFILLA: la clorofilla è un pigmento verde che si trova negli organismi fotosintetici. E presente nei grani dei cloroplasti delle cellule vegetali, o negli organismi procarioti che realizzano la fotosintesi clorofilliana. E responsabile della colorazione verde (E140). La grande maggioranza dei prodotti alimentari che acquistiamo e consumiamo contiene additivi alimentari. È sufficiente leggere con attenzione dell etichetta dei prodotti che acquistiamo. Scopriremo che per moltissimo di essi l elenco è lungo, comprendendo coloranti, addensanti, conservanti, etc. Alcuni di essi sono ottenuti per sintesi chimica, altri, come il licopene e la clorofilla sono di provenienza naturale. Si può facilmente comprendere come l impiego diffuso degli additivi alimentari abbia creato una vasta economia parallela all industria agroalimentare, con volumi di produzione e vendita in costante crescita. L ambizioso obiettivo del Progetto Biocolor sta nello sperimentare un modello di produzione di alcune di queste sostanze che avvenga all interno della filiera ortofrutticola delle aziende. In fondo, per la produzione di licopene occorrono bucce di pomodoro, risorsa ottenibile dalla lavorazione del pomodoro a livello locale e regionale, mentre, per produrre alghe occorrono sostanzialmente due cose: luce e caldo, entrambi presenti nelle serre e negli stabilimenti degli agricoltori.

8 Se la sperimentazione avrà successo e l analisi dei costi-benefici darà indicazioni di fattibilità economica, si apriranno concrete possibilità di integrazione del reddito agricolo e saranno fatti concreti passi avanti nel riutilizzo dei materiali di scarto ottenuti dai processi produttivi. Per quanto riguarda il Licopene, un recente studio del Dipartimento Ingegneria, Chimica Materiali Ambiente dell Università La Sapienza di Roma ha mostrato come in Italia siano valutabili in oltre t. ogni anno gli scarti solidi prodotti. E ciò a fronte della presenza negli scarti (bucce) fino a cinque volte il contenuto di licopene presente nel pomodoro intero e che il licopene sia tra i più potenti antiossidanti naturali, sia indicato nella protezione di alcune gravi patologie (cancro, malattie cardiovascolari) e che il suo mercato è in rapida espansione a livello mondiale nei diversi possibili impieghi: integratori alimentari coloranti alimentari functional food (alimenti con azione preventiva sulla salute) cosmeceuticals (cosmetici con funzioni terapeutiche) Secondo la ricerca la crescita di vendita del Licopene dal 1990 al 2009 è stata rapidissima negli USA, raggiungendo i 26 milioni di $, e altrettanto ci si attende in Europa, dove un indagine di Frost&Sullivan al 2009 stimava consumi pari a 2, 5 ton/anno per un valore di circa 13, 8 milioni di euro. Il licopene ottenuto da pomodori è autorizzato come colorante alimentare per alimenti e bevande (E160d) dal Non è comunque consentito evidenziare la dicitura contiene licopene con l intento di suggerire eventuali benefici di tipo salutistico. La normativa sui novel foods approvata dalla UK s Food Standards Agency nel 2005 fornisce via libera all uso di licopene negli alimenti fino a 5mg per porzione, considerata la dose utile per avere effetti benefici sulla salute.

9 Prima era considerato nella legislazione sugli additivi unicamente come colorante. La DGA (dose giornaliera ammissibile) è valutata fra 0-0,5 mg/kg dalla JECFA. Per l intensità della sua colorazione, il licopene è proponibile come colorante per alimenti e bevande, ma l effettivo impiego è limitato dall elevato costo. A causa delle positive proprietà, il licopene è interessante per un possibile impiego nell industria alimentare come integratore e trova applicazioni anche in combinazione con altri carotenoidi quali beta-carotene e luteina. Inoltre, i suoi benefici effetti sulla salute ne fanno prevedere un applicazione nell industria farmaceutica. Il licopene agisce da antiossidante, come scavenger (sequestrante) dei radicali liberi ed è considerato un prodotto con effetti decisamente positivi nella prevenzione di molti agenti che possono causare forme tumorali. Infine il licopene ha un effetto nella prevenzione delle cause che portano all invecchiamento della pelle e viene utilizzato a questo scopo nell industria della cosmesi. I coloranti del gruppo E 140 estratti dalla Spirulina offrono prospettive commerciali rilevanti, anche per la possibilità di ottenere una gamma di colore dal blu brillante al verde. La Spirulina (Spirulina platensis) vive nel nostro pianeta da più di 3 miliardi e mezzo di anni ed è una microalga a forma di spirale di colore verde blu che si riproduce grazie alla fotosintesi, come le piante. Rispetto a carne, pesce e formaggi che contengono il 20% di proteine, legumi e uova che ne contengono il 13%, la spirulina vanta anche oltre il 65% di proteine, già trasformate in aminoacido. La Spirulina unisce infatti all'altissimo contenuto proteico a un'eccezionale concentrazione di Vitamine (complesse B, D, E, K), Minerali (Calcio, Magnesio, Ferro, Potassio, Zinco, Rame, Manganese, Cromo, Selenio), 8 Aminoacidi essenziali e Betacarotene. Originaria dell'america Centrale, gli Atzechi la estraevano dai laghi della valle di Anahuacusata e

10 la definivano Il Cibo degli Dei. In Africa, da secoli, le gestanti migrano verso i laghi dove cresce spontaneamente, per garantire un cibo completo al feto. Alcuni coloranti blu sono stati banditi dall UE perché ritenuti tossici, come l E130 Blu antrachinone, blu d'indantrene R. vietato dal L industria ha cercato coloranti sostitutivi, tra cui la multinazionale Mars Inc, che ha ottenuto nel 2012 dalla FDA (USA Food and Drug Administration) l aggiornamento degli elenchi dei coloranti alimentari ammettendo il blu ricavato da un estratto di Spirulina ottenuto da biomasse essiccate del cianobatterio Arthrospira platensis. Il colorante potrà essere utilizzato nelle caramelle e nelle gomme da masticare. Il suo uso è ammesso da tempo in molte legislazioni alimentari. Il batterio contiene clorofilla e ficobilina, pigmenti che oltre a dare il colore caratteristico alla microalga, assorbono la luce solare e intervengono nella fotosintesi. Poiché le quantità di coloranti usati negli alimenti sono autolimitanti, FDA non ha introdotto un limite superiore di utilizzo per il colorante blu e per le ficocianine in esso contenute. L agenzia ha però limitato, alle quantità previste dalle GMP, l uso dell estratto di spirulina in caramelle e gomme da masticare; ha indicato i limiti massimi ammessi per piombo, arsenico e mercurio apportati dall estratto. Ha inoltre richiesto l assenza della microcistina, una tossina prodotta da alcune specie di cianobatteri potenzialmente presenti nelle acque dove è coltivata e raccolta la A. platensis. In effetti, la spirulina viene prodotta in paesi del mondo (attualmente la spirulina è coltivata in diverse aree del mondo: i maggiori produttori sono Stati Uniti, Tailandia, India, Cina, Pakistan, Taiwan, Cile e Myanmar) dove non sempre viene garantita la salubrità delle acque con cui si effettuano le culture, fatto che provoca la possibilità di contaminazione.

11 Il metodo di produzione utilizzato da Biocolor non prevede l impiego di coltivazione in vasca, ma impianti tubolari in grado di eliminare alcuni inconvenienti tipici dei sistemi aperti quali l evaporazione e la contaminazione fisica e biologica delle colture microalgali. Accanto all impiego come colorante naturale, le prospettive di commercializzazione dell estratto di spirulina interessa il vasto campo della produzione di proteine a basso costo e basso impatto ambientale e degli integratori alimentari. Quest ultimo è un settore che ha avuto in Europa e negli Stati Uniti un trend di sviluppo rapidissimo, occupando una posizione di rilievo in quel settore.

12 Newsletter 2 Progetto Biocolor: la giornata di formazione sull uso dell impianto di produzione ed estrazione dei coloranti naturali Il 1 ottobre a Gela, presso l azienda Gela Fruit, si è tenuta una giornata di formazione sull uso e la manutenzione dell impianto sperimentale di trattamento ed estrazione di coloranti naturali da residui della produzione del pomodoro e colture cellulari fotosintetiche. La sessione ha avuto luogo nell ambito del progetto BIOCOLOR, finanziato dal PSR Sicilia 2007/ Misura 214 Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale. Hanno partecipato rappresentanti dei partner progettuali impegnati nella sperimentazione, Asi Irsap, GelaFruit, Confagricoltura, Parco Scientifico Tecnologico, oltre all impresa che ha realizzato l impianto e che ha illustrato le caratteristiche del prototipo. Erano presenti anche gli esperti della fase WP5, comunicazione, in rappresentanza del partner Provincia Regionale di Caltanissetta. L incontro ha avuto luogo a conclusione delle fasi progettuali WP2 (Progettazione, realizzazione e collaudo di un impianto a scala pilota precompetitiva per la produzione di colture unicellulari fotosintetiche ricche in coloranti) WP3 (Progettazione, realizzazione e collaudo di un impianto a scala pilota precompetitiva per la produzione di colture unicellulari fotosintetiche ricche in coloranti). L impianto realizzato è il frutto di un percorso di ricerca e sperimentazione che ha avuto inizio con la fase WP1 (Selezione e messa a dimora di linee di pomodoro a elevato contenuto di licopene e

13 standardizzazione della produzione) che ha permesso di verificare sperimentalmente quali varietà di pomodoro fossero più adatte, sia in termini di produttività, sia di contenuto di licopene, per ottenere il massimo delle prestazioni nei processi di estrazione dei coloranti. Parallelamente si è svolto uno studio che ha interessato le attività delle fasi WP2 e WP3, che hanno consentito di individuare la specie microalgale da indagare e del relativo metodo di coltivazione, la selezione delle tecniche di estrazione dei pigmenti e la messa a punto di un protocollo d indagine. Lo studio ha individuato la coltivazione sperimentale delle microalghe del genere Arthrospira (Arthrospira spp.) per la notevole richiesta di sostanze estratte da tale alga nei settori dell industria alimentare, cosmetica, nutraceutica e farmaceutica. Inoltre considerazioni di varia natura hanno indotto a scegliere impianti interni, maggiormente produttivi e meno soggetti a inquinamenti ambientali. Nel corso della sessione formativa sono state illustrate le caratteristiche dell impianto sperimentale ed è stato analizzato il Manuale d uso che fornisce le informazioni dettagliate per il suo funzionamento e la sua manutenzione. L impianto è in grado di effettuare le coltivazioni algali, di trattare gli scarti dei pomodori (bucce) e le alghe raccolte e di estrarne i relativi coloranti, il tutto in un unico processo razionalmente progettato e realizzato. La struttura dell impianto mostra come le due linee produttive pomodoro-alga si integrino:

14 L intero impianto è composto da diverse unità che corrispondono ad altrettante fasi di produzione/trattamento: Unità di produzione (PBR) Unità di filtrazione (VV) Unità di stoccaggio (SER) Unità di lavorazione del pomodoro (PAS) Unità di essiccazione (ESS) Unità di estrazione (EST) Rete idraulica

15 Come si può osservare, nonostante l impianto sia multifunzionale, in quanto prevede sia il trattamento degli scarti del pomodoro, sia la produzione e il successivo trattamento dell alga Spirulina, esso è fortemente integrato in uno spazio limitato. Il ciclo dell alga spirulina Il ciclo produttivo della microalga Spirulina richiede pochi elementi che possono essere agevolmente resi disponibili in una struttura agricola come una serra: Luce; Anidride carbonica; Supporto di crescita; Nutrimento; Temperatura controllata (25-35 C) La luce viene integrata con lampade a neon; l anidride carbonica viene fornita immettendo aria all interno; acqua e nutrienti preconfezionati forniscono il supporto di crescita atto a garantire lo sviluppo della coltura algale; la temperatura è regolata attraverso l integrazione della temperatura ambiente mediante il calore generato dalle lampade a neon. La fase successiva consiste nella filtrazione della biomassa algale. Essa viene effettuata utilizzando una particolare apparecchiatura (vibrovaglio) che permette di separare la biomassa algale in due flussi: un flusso di biomassa concentrato (che sarà poi avviato alle successive fasi di essiccazione ed eventuale estrazione) e un flusso di liquido chiarificato (che sarà poi avviato all unità di stoccaggio).

16 Il ciclo del pomodoro La produzione di licopene è prevista utilizzando come substrato di partenza gli scarti della lavorazione del pomodoro provenienti dalle limitrofe attività conserviere. La fase comune dell essicazione L operazione di essiccazione è svolta sia per la biomassa algale, precedentemente filtrata e strizzata, che per gli scarti del pomodoro. L impianto si avvale di un unità di essiccazione, costituita da un armadio essiccatore contenente 20 vassoi e un riscaldatore portatile. L apparecchio consente di ottenere in poche ore l essiccazione degli scarti di pomodoro e delle alghe.

17 A questo punto i processi di lavorazione si dividono: mentre la biomassa microalgale secca subirà una fase di frantumazione in modo tale da ottenere una polvere finissima che può essere direttamente utilizzata come colorante verde alimentare, gli scarti secchi del pomodoro subiranno una fase di estrazione che consentirà di isolare licopene in forma di cristalli da utilizzare come colorante rosso alimentare. Alle due sostanze, clorofilla e licopene, potrà essere successivamente affiancata la produzione di altre sostanze come ad esempio la ficocianina ricavabile dalla biomassa microalgale.

18 La fase dell estrazione La massa secca di scarti di pomodoro richiede un ultimo trattamento per ottenere il licopene: l estrazione. Da progetto è previsto che l unità di estrazione sia adibita all estrazione del licopene dai pomodori. Si verificherà in una successiva fase di up-grading dell impianto la possibilità di svolgere, con lo stesso macchinario, anche l estrazione delle ficocianine dalla biomassa algale. Dovranno essere compiute valutazioni di carattere economico e gestionale poiché, mentre per l estrazione del licopene dagli scarti del pomodoro si utilizza come solvente la semplice acqua, per l eventuale estrazione della ficocianina dalla biomassa microalgale occorre utilizzare come solvente l alcool. Il processo di estrazione utilizza un estrattore rapido solido-liquido dinamico che sfrutta la differenza di pressione generata dalla compressione del liquido estraente (in generale acqua) sulla matrice solida (scarti di pomodoro). Tra interno ed esterno del solido si produce infatti un gradiente di pressione che consente di estrarre, per effetto prevalentemente fisico, le sostanze non chimicamente legate all interno della matrice solida che vengono quindi trascinate via dal liquido estraente. L estrattore ha un volume di camera d estrazione di circa 5 litri con la possibilità di ridurre il volume con l installazione di un opportuno riduttore.

19 Una volta terminata la fase di estrazione del licopene, quest ultimo subisce ancora due trattamenti: la filtrazione dei cristalli di licopene, utilizzando il vibrovaglio in dotazione, e la loro essiccazione, similmente a quanto previsto per le alghe.

20 Newsletter 3 Progetto Biocolor: è stato realizzato l'impianto sperimentale per la produzione di licopene e clorofilla Il 2 ottobre del 2013 presso i locali della GelaFruit sono stati effettuati i collaudi dell impianto per la produzione di coloranti naturali. Il Progetto Biocolor, finanziato dal PSR Sicilia 2007/ Misura 214 Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo e alimentare, e in quello forestale, prevede l estrazione di sostanze coloranti da due fonti: gli scarti (principalmente bucce) della lavorazione del pomodoro e la coltura in appositi impianti di microalghe Spirulina. Per raggiungere questo obiettivo il programma è passato attraverso tre precedenti fasi progettuali: WP1: Selezione e messa a dimora di linee di pomodoro ad elevato contenuto di licopene e standardizzazione della produzione WP2: Progettazione, realizzazione e collaudo di un impianto a scala pilota precompetitiva per la produzione di colture unicellulari fotosintetiche ricche in coloranti WP3: Realizzazione di un impianto a scala pilota per il pretrattamento delle biomasse vegetali ed algali e delle frazioni solide ottenibili dai residui del pomodoro ed estrazione e conservazione del prodotto. Il prototipo, che prevede l integrazione di tutte le fasi di trattamento in un unico L'impianto sottoposto a collaudo impianto produttivo competitivo sul mercato. sistema multi-funzione, è in grado di trattare gli scarti della lavorazione del pomodoro e, insieme, di produrre le alghe per successivamente lavorarle per l estrazione dei coloranti naturali. L impianto, come espressamente previsto dal Progetto Biocolor, è sperimentale e come tale non può essere considerato un

21 Le principali funzioni dell impianto L impianto è stato progettato e disegnato per la produzione di biomasse fotosintetiche (microalghe unicellulari) e il successivo trattamento in seguito a operazioni di filtrazione, essiccazione ed estrazione di sostanze quali la clorofilla ed, eventualmente, le ficocianine. Inoltre, l impianto è in grado di effettuare la lavorazione degli scarti di pomodoro derivanti dalle industrie agroalimentari per l estrazione del licopene. Lo schema di funzionamento dell'impianto La produzione di biomasse fotosintetiche consiste nella coltivazione di microrganismi unicellulari fotosintetici in condizioni controllate di insufflamento aria, di nutrienti, temperatura, ph e illuminazione, partendo da inoculi precedentemente selezionati e sufficientemente concentrati.

22 La raccolta delle biomasse microalgali è svolta eseguendo una filtrazione di tipo meccanico attraverso una rete filtrante sottoposta a vibrazioni (il macchinario utilizzato viene detto vibrovaglio). Successivamente, la fase di essiccazione permette di disidratare la biomassa in modo tale da ridurne il contenuto d acqua. In questo modo è possibile sottoporre l alga secca al trattamento di estrazione aumentando in modo considerevole il rendimento del processo estrattivo. La produzione di licopene prende il via dagli scarti della lavorazione del pomodoro provenienti dalle limitrofe attività conserviere. Qualora non fossero disponibili gli scarti di pomodoro (prevalentemente bucce e semi) si procede con l attivazione dell unità di lavorazione del pomodoro durante il quale i pomodori vengono trattati per mezzo di una macchina passatrice, così come si è proceduto nella fase sperimentale di collaudo dell impianto. Anche gli scarti di pomodoro sono sottoposti al trattamento di essicazione, che permette di eliminare l eccesso d acqua contenuta in essi e di ottimizzare il rendimento della successiva fase di estrazione. L estrazione è la fase finale del trattamento ed è comune agli scarti di pomodoro e alle masse algali essiccate. Si otterranno così, licopene ed eventuali altre sostanze di interesse dalle microalghe. La descrizione dell impianto Descritto il funzionamento generale dell impianto, passiamo ora a esaminare più in dettaglio le diverse componenti l impianto. L impianto è costituito da una serie di unità indipendenti: Unità di produzione della biomassa algale. Si tratta di quattro fotobioreattori alloggiati su una struttura metallica portante. Tale unità è attrezzata con tutti i servizi necessari per favorire e garantire la crescita dei microrganismi fotosintetici.

23 Unità di filtrazione della biomassa algale. L unità è costituita da un vibrovaglio che permette di separare la biomassa algale in due flussi: un flusso di biomassa concentrato (che sarà poi avviato alle successive fasi di essiccazione e di estrazione) e un flusso di liquido chiarificato (che sarà poi avviato all unità di stoccaggio). Unità di stoccaggio del liquido chiarificato e dei sali nutrienti (miscela di Zarrouk). L unità è costituita da un serbatoio in polietilene della capienza di litri. Unità di lavorazione del pomodoro. L impianto è pensato per il trattamento di scarti della lavorazione del pomodoro che sono direttamente forniti dalle industrie limitrofe di lavorazione del pomodoro. Qualora, per motivi di diversa natura, l impianto dovesse essere sprovvisto di scarti di lavorazione si può procedere all attivazione dell unità di lavorazione del pomodoro che prevede la passatura di pomodoro fresco tramite una passatrice meccanica. Unità di essiccazione, costituita da un armadio essiccatore per la disidratazione della biomassa algale e degli scarti di pomodoro. Unità di estrazione, costituita da un estrattore per l ottenimento del licopene dagli scarti del pomodoro e di eventuali altre sostanze di interesse dalle microalghe.

24 I fotobioreattori I fotobioreattori costituiscono la parte più affascinante dell impianto. Quattro cilindri che sembrano tratti da un film di fantascienza: sono contenitori in plexiglass alti più di un metro e mezzo e larghi 50 cm che possono contenere 240 litri ciascuno. Ognuno contiene al suo interno sei colonne che racchiudono le lampade per l illuminazione. Un altra colonna posta al centro consente il passaggio delle utenze destinate al funzionamento dell impianto. Collocati su di una base metallica, fanno parte di un apparato che è in grado di gestire autonomamente tutte le fasi di coltura delle microalghe, potendo fornire: Luce, per mezzo di lampade a neon; Anidride carbonica, tramite insufflaggio di aria; Terreno di coltura, tramite acqua arricchita di sali nutrienti. I fotobioreattori

25 I fotobioreattori non vengono messi in produzione tutti contemporaneamente, ma viene seguito un processo di messa a regime che consentirà di disporre di una produzione a ciclo continuo, consentendo così di evitare interruzioni di utilizzo dell impianto. Gli schemi che seguono illustrano il processo di inoculo del primo fotobioreattore, sino alla messa a regime dell intera batteria dei fotobioreattori: Si fornisce un inoculo per un primo fotobioreattore. Il fotobioreattore è illuminato da 2 lampade a neon 24 ore al giorno. Nel serbatoio è stoccata la miscela di sali nutrienti (lo Zarrouk) in quantità sufficiente per l intera fase di messa a regime dell impianto (circa 750 litri) Si esegue lo smezzamento della coltura del PBR 1 nel PBR 2. Lo smezzamento viene eseguito senza l ausilio di pompa sfruttando il principio dei vasi comunicanti. Si procede con l integrazione di sali nutrienti (miscela di Zarrouk) fino a quota 240 litri. Si procede con l apertura della valvola che consente di insufflare aria anche nella coltura microalgale del PBR 2 e si accendono due lampade a neon del PBR 2 lasciandole accese 24 h al giorno.

26 Dopo due settimane dall inoculo, aprendo e chiudendo apposite valvole, si dimezza il contenuto dei PBR 1 e 2 rispettivamente nei PBR 3 e 4. Anche in questo caso si lascia scorrere la coltura per principio dei vasi comunicanti. Si procede con l integrazione di sali nutrienti (miscela di Zarrouk) fino a quota 240 litri. Aprendo delle valvole si insuffla aria anche nella coltura microalgale dei PBR 3 e 4. Ora tutti i fotobioreattori sono stati inoculati e sono pronti per la produzione. La fase di preparazione e di messa a regime è complessa e delicata, ma, seguendo con attenzione e scrupolo le procedure, l impianto garantisce da questo momento la produzione di Spirulina. Le sostanze nutrienti che si aggiungono all acqua prendono il nome di Zarrouk. In che cosa consiste il Zarrouk? La miscela di Zarrouk è una soluzione di sali nutrienti e acqua elaborata dal chimico C. Zarrouk nel Viene utilizzata come terreno di coltura per la crescita dei microorganismi fotosintetici. Essa è già predisposta in confezioni di sali nutrienti e di micronutrienti che vanno disciolti in proporzioni prestabilite in acqua all interno dell apposito serbatoio di stoccaggio

27 Qui di seguito la ricetta del Zarouk: Quelle che seguono sono immagini del processo di messa a regime dell impianto di produzione di Spirulina. Inoculo nel primo fotobioreattore Primo smezzamento

28 Primo smezzamento - ripristino livello Secondo smezzamento Secondo smezzamento - ripristino livello L impianto messo a regime L unità di filtrazione L unità di filtrazione è basata sulla filtrazione meccanica tramite passaggio di un flusso attraverso una rete filtrante. Tale operazione permette la separazione della coltura microalgale proveniente dai PBR in due flussi distinti: Il liquido chiarificato, cioè il liquido che attraversa la rete filtrante; La marmellata d alga che viene avviata al trattamento successivo.

29 Schema delle componenti l unità di filtrazione Elemento principale dell unità di filtrazione è il vibrovaglio. Il vibrovaglio è un sistema che combina il movimento del flusso attraverso una tela filtrante (movimento verticale indotto dalla forza di gravità) con il movimento del flusso lungo la tela filtrante (movimento orizzontale/rotativo indotto dalle vibrazioni). In questo modo la biomassa algale ha più tempo per sostare sulla rete filtrante, Il vibrovaglio in funzione aumentando così le prestazioni di separazione del sistema. In fase di impianto a regime è prevista la filtrazione di circa un quarto di coltura algale al giorno per ogni PBR, ottenendo così 60 litri da filtrare per PBR, per il totale di 240 litri da filtrare giornalmente. La coltura algale prelevata da un determinato

30 fotobioreattore viene vagliata nel vibrovaglio e separata dal liquido chiarificato per essere raccolta all interno di un sacchetto di taffetà e poi essere avviata alle successive fasi di lavorazione. Durante la fase di filtrazione la vaschetta dello scarico del vibrovaglio si va riempiendo progressivamente con il liquido chiarificato. Se si effettua la ricarica con il liquido chiarificato, ogni qualvolta che la vaschetta di raccolta del liquido L espulsione del liquido chiarificato chiarificato risulti piena lo si convoglia tramite pompa al serbatoio di filtrazione, dove sarà stoccato in attesa della successiva fase di ricarica. Se si effettua la ricarica con lo Zarrouk il liquido chiarificato viene direttamente eliminato tramite pompa e avviato al pozzetto di scarico. La ricarica dei bioreattori Ogni volta che si svuota parzialmente un bioreattore per prelevarne l alga da avviare alla filtrazione, occorre ripristinarne il livello originario, immettendo 60 litri di liquido chiarificato ricavato dalla fase di filtrazione. Tuttavia, per ottimizzare la produzione algale, dopo cinque reintegri di livello effettuate con il liquido chiarificato è prevista una ricarica con Zarrouk che sarà preparata e stoccata nel Alternanza dei reintegri serbatoio di stoccaggio. L unità di essiccazione L essiccazione è una fase comune al processo di lavorazione dell impianto: che si tratti di scarti di pomodoro o di massa algale, ci si trova avanti a materiali ancora troppo carichi di umidità per poter essere convenientemente trattati nella fase di estrazione. L armadio essiccatore contiene 20 vassoi e un riscaldatore portatile per la

31 disidratazione degli scarti del pomodoro e della biomassa microalgale. Ovviamente, bisogna prestare molta cura nello stendere la massa algale e gli scarti di pomodoro nei vassoi dell essiccatore: occorre distribuirli uniformemente in un solo strato, evitando l ammasso del materiale, che non consentirebbe una buona essiccazione nei tempi programmati. Sistemazione della massa algale nei vassoi Sistemazione degli scarti di pomodoro nei vassoi Otterremo così i residui secchi dell alga e del pomodoro. Bucce di pomodoro essiccate Microalga Spirulina essiccata Mentre per ottenere il licopene è necessario sottoporre gli scarti secchi a un ulteriore lavorazione, l estrazione, la biomassa microalgale secca, in seguito a frantumazione per ottenerne una polvere finissima, può essere direttamente utilizzata come colorante verde alimentare. Tuttavia, anche la microalga necessita di ulteriori lavorazioni per ottenere altre sostanze. Da progetto è previsto che l unità di estrazione sia adibita all estrazione del licopene dai pomodori. Si verificherà in una

32 successiva fase di up-grading dell impianto la possibilità di svolgere, con lo stesso macchinario, anche l estrazione delle ficocianine dalla biomassa algale. Nello specifico si dovranno fare valutazioni di carattere economico e gestionale poiché, mentre per l estrazione del licopene dagli scarti del pomodoro si utilizza come solvente la semplice acqua, per eventuale estrazione della ficocianina dalla biomassa microalgale occorre utilizzare come solvente l alcool. L unità di estrazione La fase di estrazione delle sostanze di interesse del processo (licopene) avviene tramite l uso di un estrattore Naviglio. L'estrattore funziona alternando una fase di statica a una di dinamica; durante la fase di statica il solvente estraente viene portato alla pressione di circa 5-7 bar e tenuto in questo stato per un tempo sufficiente a raggiungere un equilibrio tra la pressione del liquido all esterno della matrice solida e il liquido all interno di essa; alla fase di statica segue una fase di dinamica che è prodotta da uno spostamento repentino dei pistoni che contribuisce a ridurre la pressione. Schema di funzionamento dell estrattore E in questo momento che si realizza l'estrazione della matrice solida, resa possibile da una

33 differenza di pressione che si genera tra l interno e l esterno del campione (Principio di Naviglio). Le sostanze estraibili del solido, a ogni ciclo di estrazione, vengono trascinate via per un vero e proprio effetto di "risucchio". La fase di dinamica consente inoltre un rimescolamento rapido e completo della matrice solida e una diffusione istantanea delle sostanze estratte in tutta la massa del liquido evitando così dei fenomeni di sovrasaturazione locali. In pratica, il procedimento prevede l introduzione degli scarti secchi di pomodoro in un sacchetto con maglia da 50 µm, in dotazione con l estrattore. Si introduce il sacchetto nella camera dell estrattore e si avvia la macchina. Dopo il carico del liquido da parte della pompa la macchina inizia il ciclo di lavoro. A fine ciclo la macchina provvede allo scarico del liquido all interno del serbatoio di scarico. Conclusa la fase di scarico si può aprire il coperchio, estrarre il sacchetto e svuotare il serbatoio di scarico. Premendo infine il tasto lavaggio sul pannello di controllo, la macchina provvede allo scarico del liquido all interno del serbatoio di scarico.

34 L estrattore Naviglio in dotazione all impianto Abbiamo così ottenuto il liquido contenete i cristalli di licopene, che dovrà essere ancora sottoposto a filtrazione ed essiccazione, similarmente a quanto è stato descritto precedentemente per le fasi di filtrazione ed essiccazione. Volendo, partendo dalla clorofilla essiccata, potremo ottenere, oltre all estratto di clorofilla, anche l estratto di ficocianina, utilizzando come solvente l alcool invece dell acqua. Gli estratti di clorofilla e di ficocianina

35 Concludendo, il processo di lavorazione degli scarti di pomodoro e della massa algale dell impianto realizzato dal Progetto Biocolor consentono di ottenere diverse sostanze utilizzabili, oltre che come coloranti alimentari, anche come additivo per l alimentazione animale, nella cosmesi, nel settore nutrizionale e terapeutico. Le caratteristiche di maggiore biodegradabilità e compatibilità ambientale che caratterizzano i coloranti di origine naturale stanno aprendo nuove opportunità di impiego in diversi settori industriali che tradizionalmente si rivolgono a materie prime provenienti da sintesi chimica. È un settore economico in rapida crescita, che apre nuove opportunità per l integrazione del reddito aziendale delle imprese agricole e agroalimentari. La galleria fotografica Offriamo qui di seguito una selezione fotografica di alcuni momenti della giornata di collaudo dell impianto del Progetto Biocolor.

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