I fotobioreattori rappresentano i sistemi di coltivazione delle microalghe e sono fondamentali per l'efficace bioconversione della CO2 \citep{Naddeo_2020}. Convenzionalmente, le microalghe sono state coltivate in stagni aperti o fotobioreattori chiusi, entrambi i quali richiedono grandi volumi di acqua e una quantità elevata di energia immessa per la coltivazione, la raccolta e il drenaggio di microalghe \citep{Murena_2019}.
È stato stimato che l’economia globale delle alghe abbia un fatturato annuo compreso tra 7 e 8 miliardi di dollari \citep{Zhang_2019}.
Tra i sistemi aperti hanno maggiore rilevanza due tipologie: stagni aperti e raceway. Gli stagni aperti sono sistemi molto semplici con un gigantesco miscelatore rotante al centro dello stagno \citep{Comia_2019}.
Le piste canalizzate (raceway) hanno invece la direzione del flusso d'acqua canalizzata e controllata dalla velocità di rotazione delle ruote a pale. I sistemi chiusi si basano su fotobioreattori in cui il gas viene inserito attraverso un filtro per gas per evitare la contaminazione \citep{Yen_2019}.
Esistono moltissime tipologie di fotobioreattori chiusi, alcune delle quali sono: fotobioreattori tubolari (orizzontali, verticali, inclinati), sacchetti in polietilene (big bags), fotobioreattori a pannelli, fotobioreattori elicoidali a forma di cono troncopiramidale \citep{P_aczek_2017}.
Esiste un’ulteriore tecnologia che presenta molteplici vantaggi come un funzionamento semplice, un facile ridimensionamento, un basso consumo di energia e nessun uso di sostanze chimiche: tale tecnologia è quella a membrana \citep{Oliva_2019}.
Le membrane sono generalmente utilizzate in sistemi di fotobioreattori chiusi o semi-chiusi: una combinazione di fotobioreattore (PBR) e membrana è generalmente chiamato fotobioreattore a membrana (MPBR) \citep{Zarra_2012}. L'MPBR può essere classificato in fotobioreattore a membrana di carboidrati (C-MPBR) e fotobioreattore a membrana di ritenzione di biomassa (BR-MPBR) \citep{Millanar_Marfa_2021}.
Nel sistema C-MPBR la membrana migliora il rilascio di anidride carbonica (CO2) nel mezzo di coltivazione, mentre in BR-MPBR, la membrana esercita una barriera per separare i solidi di biomassa dal liquido \citep{Scannapieco_2014}.
Gli MPBR, rispetto ai sistemi convenzionali a membrana, hanno alcune caratteristiche differenti tra cui un non troppo elevato tempo di ritenzione dei fanghi (al di sotto dei 20-30 giorni) \citep{Praveen_2019}. Pertanto, non vi è dubbio che la tecnologia con le membrane può svolgere un ruolo vitale nell'intensificazione dei processi della bioraffineria microalgale, compresa la coltivazione, la raccolta e il drenaggio delle microalghe \citep{Zhang_2019}.