Un fotobiorreactor para el cultivo de organismos fotótrofos, que comprende un depósito (15,

25, 35, 45, 55, 65) que a su vez comprende un medio de cultivo y biomasa en el interior de dicho depósito y en contacto con dicho medio de cultivo. El fotobiorreactor comprende además al menos una estructura cónica o troncocónica transparente o translúcida (11, 21, 31, 41, 51, 61) situada total o parcialmente en el interior de dicho depósito (15, 25, 35, 45, 55, 65) a través de la cual o las cuales una radiación luminosa penetra en dicho depósito

Fotobiorreactor para el cultivo de organismos fotótrofos.

Campo de la invención

La presente invención corresponde al sector técnico del cultivo de microorganismos fotótrofos, tales como microalgas, para la obtención de productos de interés en diversos sectores de la industria.

Antecedentes de la invención

Durante los últimos años ha crecido el interés por el cultivo de microalgas con diferentes objetivos: desde su uso con fines ambientales como la biorremediación y la fijación de CO₂ hasta su producción con fines comerciales en diferentes sectores de la industria (farmacéutica, nutracéutica, acuicultura, etc).

Son muchas las aplicaciones que se han encontrado para los productos extraídos de las microalgas, si bien recientemente se ha observado su potencial como productoras de aceites que podrían ser empleados como materia primea para la elaboración biocombustible.

Entre los diseños existentes para la producción de organismos fotótrofos se pueden distinguir los sistemas abiertos y los sistemas cerrados. En los primeros el cultivo está expuesto a la atmósfera y se lleva a cabo en tanques poco profundos (15-30 cm), en los que normalmente el medio de cultivo es impulsado mediante paletas rotatorias. Generalmente requieren amplias superficies de terreno (500-5000 m²). Como principales ventajas presentan su relativo bajo coste y su sencillez tanto en la construcción como en la operación, sin embargo presentan muchas limitaciones como la facilidad de contaminación por otros organismos, las pérdidas por evaporación, la ocupación del suelo, etc. Pero sin lugar a dudas una de las grandes desventajas de este tipo de cultivo es la baja eficiencia en la utilización de la luz por parte de los organismos debido a la atenuación de la misma a medida que penetra en profundidad.

Para tratar de paliar estos problemas surgió el cultivo en sistemas cerrados o fotobiorreactores donde es posible llevar a cabo un control más exhaustivo de las condiciones mejorando así el crecimiento y la producción celular y evitando la contaminación. Sin embargo, a pesar de las ventajas que presentan los fotobiorreactores, tienen importantes limitaciones en aspectos como la transferencia de masa, el control de la temperatura, la acumulación de oxígeno, el control de la iluminación, las dificultades de limpieza y el consumo energético.

A pesar de los avances logrados en el desarrollo de fotobiorreactores la producción de organismos fotótrofos sigue siendo muy costosa y sólo resulta rentable cuando el producto obtenido es de alto valor económico, no así para otros potenciales productos como los ácidos grasos que serían empleados en la producción de biocombustibles. Es por ello que actualmente los esfuerzos en el campo del cultivo de organismos fotótrofos se centra en la mejora de los sistemas de producción de biomasa, con el objetivo de obtener un diseño que reúna las condiciones necesarias para que las aplicaciones biotecnológicas de este tipo de organismos sean viables en el mercado.

El principal problema en el cultivo de células fotosintéticas es lograr una correcta distribución de la energía luminosa. En muchas configuraciones en las capas más superficiales la intensidad de luz es demasiado alta, mientras que a medida que la luz atraviesa la suspensión se atenúa rápidamente hasta situarse en valores por debajo del mínimo necesario para la fotosíntesis. Es por ello que el diseño de un fotobiorreactor debe estar basado, principalmente, en un suministro adecuado de luz que permita un buen crecimiento de la biomasa, minimizando los procesos de fotoinhibición y fotolimitación. En un fotobiorreactor con baja densidad celular y en una capa delgada, aproximadamente todas las células reciben la misma cantidad de luz, pero al hablar de cultivos en profundidad y con una elevada densidad celular se dan otros fenómenos que hacen que las células reciban una determinada cantidad de luz según su posición. Por una parte en los cultivos en tanques abiertos con cierta profundidad, aparece un gradiente de iluminación debido a la atenuación de la energía al atravesar la suspensión celular. Por otra parte también se produce una dilución de la luz debido al sombreado que producen unas células sobre otras, de modo que la posición de las células en cada instante determina la intensidad de luz a la que están expuestas.

Con el propósito de conseguir una buena distribución de la luz dentro del fotobiorreactor se han desarrollado ciertos diseños que utilizan fuentes artificiales de luz. Lee et al. en su artículo "Photoacclimation of Chlorella vulgaris to Red Light from Light-Emitting Diodes Leads to Autospore Release Following Each Cellular División" Biotechnology Progress (1996) utilizaron LEDs, mientras que Ogbonna et al. en su artículo "A Novel Internally Illuminated Stirred Tank Photobioreactor for Large-Scale Cultivation of Photosynthetic Cells" Journal of fermentation and Bioengineering (1996) muestran el empleo de tubos fluorescentes.

Sin embargo, el elevado coste de la producción de organismos fotosintéticos deriva principalmente del consumo energético por utilización de fuentes de luz artificiales y por la agitación necesaria para mantener el sistema en suspensión.

Por estas razones, más recientemente se ha tratado de utilizar la luz natural solar, ya que supone una gran ventaja económica y medioambiental. Actualmente la única fuente de luz con la que podría resultar económicamente viable producir ciertos derivados de las microalgas como aceites para la producción de biodiesel, en cultivos en exterior, es la luz solar. Los principales problemas encontrados al respecto son las variaciones cíclicas de iluminación y la excesiva intensidad de radiación en las capas más superficiales del cultivo, produciéndose fotoinhibición. Para solucionar estos problemas se ha estudiado la posibilidad de captar, concentrar y redistribuir la luz de forma conveniente dentro del cultivo. De hecho, hasta hace algunos años se pensaba que el único modo de suministrar luz solar en cultivos de elevada productividad volumétrica era mediante su captura, concentración y redistribución. Sin embargo, este tipo de técnicas encarece el proceso y en algunos casos reduce la eficiencia debido a pérdidas energéticas.

Con el objeto de introducir la luz en el interior del fotobiorreactor han surgido diseños que utilizan fibra óptica, como el que muestran Ogbonna et al. en su artículo "An integrated solar and artificial light system for internal illumination of photobioreactors" Journal of Biotechnology (1999), pero es un sistema que resulta muy costoso económicamente y presenta ciertas dificultades técnicas que sería necesario resolver.

Más recientemente han aparecido diseños que tratan de distribuir la luz hasta una mayor profundidad en tanques abiertos, por ejemplo el sistema que presentan Hsieh et al. en el artículo "A novel photobioreactor with transparent rectangular chambers for cultivation of microalgae" Biochemical Engineering Journal (2009), en el cual la luz se transmite a través de compartimentos vacíos de paredes transparentes.

Con el objetivo de aprovechar toda la radiación solar incidente sobre la superficie del reactor sin que se produzca fotoinhibición en las capas superficiales, Zijffers et al. muestran en su artículo "Capturing sunlight into a photobioreactor: Ray tracing simulations of the propagation of light from capture to distribution into the reactor" Chemical Engineering Journal (2008), otro diseño en el que se trata de captar la energía mediante concentradores solares y redistribuirla en el interior del cultivo mediante una guía de plástico que transporta el haz de luz concentrado.

Otros diseños que tratan de distribuir la luz mediante una ampliación de la superficie de recepción de la misma son los descritos en las solicitudes de patente JP10304872 y JP10108665 que incluyen elementos para conducir y dispersar la luz hacia el interior de cultivos celulares. El fotobiorreactor recibe la luz a través de una abertura estrecha y a continuación es difundida a través de una superficie mayor. Esta abertura atraviesa el elemento de difusión de la luz, que puede ser un prisma rectangular o un prisma triangular. La longitud de estas estructuras difusoras de luz ocupa toda la longitud del fotorreactor, por lo que éste queda dividido en varias cámaras separadas por los elementos difusores. Estos fotobiorreactores están orientados a la producción de hidrógeno mediante...

1. Un fotobiorreactor para el cultivo de organismos fotótrofos, que comprende un depósito (15, 25, 35, 45, 55, 65) que a su vez comprende un medio de cultivo y biomasa en el interior de dicho depósito y en contacto con dicho medio de cultivo,

caracterizado por que comprende además al menos una estructura cónica o troncocónica transparente o translúcida (11, 21, 31, 41, 51, 61) situada total o parcialmente en el interior de dicho depósito (15, 25, 35, 45, 55, 65), a través de la cual o las cuales una radiación luminosa penetra en dicho depósito.

2. El fotobiorreactor de la reivindicación 1, donde dicha radiación luminosa es luz solar, comprendiendo dicho fotobiorreactor un sistema de orientación configurado para orientar dicha al menos una estructura cónica o troncocónica (31) hacia la dirección de dicha radiación luminosa solar incidente.

3. El fotobiorreactor de la reivindicación 1, donde dicha radiación luminosa es luz artificial, comprendiendo dicho fotobiorreactor una fuente de luz artificial situada sobre dicho fotobiorreactor o situada en el interior de dicha al menos una estructura cónica o troncocónica (21).

4. El fotobiorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la base mayor de dicha al menos una estructura cónica o troncocónica (11, 21, 31, 41, 51, 61) se sitúa a una altura (29, 332) por encima del nivel máximo (27, 37) del medio de cultivo comprendido en el depósito (25, 35).

5. El fotobiorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha estructura cónica o troncocónica (11, 21, 31, 41, 51, 61) está fabricada en un material plástico transparente o translúcido.

6. El fotobiorreactor de la reivindicación 5, donde dicho material plástico transparente o translúcido comprende al menos una sustancia capaz de desplazar la longitud de onda de la radiación recibida.

7. El fotobiorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la estructura cónica o troncocónica (11, 21, 31, 41, 51, 61) tiene su base mayor abierta y se halla protegido por una superficie plástica transparente o translúcida a un altura determinada por encima del propio fotobiorreactor.

8. El fotobiorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un sistema de inyección y difusión de aire (28, 38, 48, 58, 68) que proporciona un aporte adicional de carbono.

9. El fotobiorreactor de la reivindicación 8, donde dicho sistema de inyección y difusión de aire (28, 38, 48, 58, 68) proporciona aire enriquecido en CO₂.

10. El fotobiorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un sistema para la separación de biomasa de un organismo fotótrofo y líquido que comprende un dispositivo (440) externo al fotobiorreactor, configurado para extraer (445) la biomasa y para recircular (444) el líquido hacia el depósito (45).

11. El fotobiorreactor de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, que comprende además un sistema para la separación de biomasa y líquido, integrado en el propio fotobiorreactor.

12. El fotobiorreactor de la reivindicación 11, donde dicho sistema para la separación de biomasa y líquido, integrado en el propio fotobiorreactor, se basa en la inclinación de las paredes (550) del depósito, para favorecer la concentración de dicha biomasa en el fondo del depósito.

13. El fotobiorreactor de la reivindicación 11, donde dicho sistema para la separación de biomasa y líquido, integrado en el propio fotobiorreactor, comprende al menos un dispositivo (660) extractor de materia flotante en la superficie.

14. El fotobiorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un sistema de aporte de nutrientes (443, 543, 643) y un sistema de aporte de agua (442, 542, 642).

15. El fotobiorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dichos organismos fotótrofos son microalgas.