Fotobiorreactor con sistema rotatorio de homogeneización e iluminación interior incorporada.

Sistema cerrado para el cultivo de algas y microalgas que comprende:

al menos una envolvente (1) unida por su parte inferior a un fondo (2) y por su parte superior a una cubierta (3) que puede ser móvil a modo de tapa, conformando estos elementos un reactor (4) el cual contiene la masa biológica. Un sistema rotor (8) ubicado en el interior del reactor (4) formado por al menos un eje (5) paralelo a la envolvente (1) al que se unen perpendicularmente en su extremo superior al menos dos radios superiores (7A, 7B) y en su extremo inferior al menos dos radios inferiores (6A, 6B) disponiendo al menos dos dispositivos de iluminación (9A, 9B) fijados por su parte superior a uno de los al menos dos radios superiores (7A, 7B) y por su parte inferior a uno de los al menos dos radios inferiores (6A, 6B) y disponiendo al menos dos entradas de gas (10A, 10B) instaladas en cada uno de los al menos dos radios inferiores (6A, 6B). El sistema rotor (8) cuenta a su vez con al menos un anillo inferior (13) que une los al menos dos radios inferiores (6A, 6B) y al menos un anillo superior (14) que une los al menos dos radios superiores (7A, 7B). Los dispositivos de iluminación (9) se disponen comprendidos entre los al menos dos radios inferiores (6A, 6B) y los al menos dos radios superiores (7A, 7B) así como comprendidos entre el al menos un anillo inferior (13) y el al menos un anillo superior (14). El sistema rotor (8) gira junto con todos sus componentes en torno al eje de la envolvente (1) promoviendo el mezclado y homogeneización del medio de cultivo, facilitando la difusión de la luz y gases sobre toda la masa biológica.

FOTOBIORREACTOR CON SISTEMA ROTATORIO DE HOMOGENEIZACIÓN E ILUMINACIÓN

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema para el cultivo de algas y microalgas en entornos artificiales creados para tal fin y más concretamente a sistemas que permiten optimizar el crecimiento de la masa biológica mediante la regulación y control de los diferentes parámetros que influyen sobre su desarrollo denominados comúnmente como fotobiorreactores

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Uno de los principales problemas derivados del consumo energético a los que se enfrenta la sociedad actual es el denominado efecto invernadero y su consecuencia más inmediata es el cambio climático. Este hecho se está viendo acentuado en las últimas décadas por la emisión a la atmósfera de C02 procedente de la actividad humana. En esta línea, de acuerdo con la Agencia Internacional de la Energía, las emisiones de C02 aumentarán el130% de aquí a 2050. En la actualidad, para compensar la situación descrita, se pretenden disminuir las emisiones de C02 a la atmósfera mediante la captura, almacenaje y valorización de este gas. Uno de los métodos de captura que más expectativas está generando es el empleo de algas y microalgas como medio para mitigar y reducir la concentración de C02 en la atmósfera. Cuando hablamos de algas y microalgas nos referimos a un grupo muy diverso de organismos fotosintéticos que han colonizado una amplia variedad de sistemas acuáticos y terrestres debido, sobre todo, a su alta actividad metabólica consistente en la generación de biomasa a partir de elementos inorgánicos de partida como nitrógeno, oxígeno, carbono, fósforo, azufre y energía solar. Las algas y microalgas cuentan con múltiples usos como son la alimentación animal y humana, su empleo como fertilizantes, la producción de sustancias de interés químico-farmacéutico o la depuración de aguas. De entre todas las aplicaciones posibles, cabe destacar, una muy importante como es la producción de aceites para la generación de biocombustibles, en este caso el aprovechamiento de las algas o microalgas tiene un doble beneficio por un lado se absorbe C02 de la atmósfera durante el proceso de producción de los aceites y por otro se reducen las emisiones derivadas del uso de combustibles fósiles. Dentro de las técnicas que se han venido utilizando para el cultivo de algas y microalgas destacan dos tipos de dispositivos: sistemas abiertos y sistemas cerrados. Los sistemas abiertos se caracterizan por no estar protegidos de los factores externos y estar expuestos a la acción de agentes ambientales como la contaminación, la lluvia, la acción de insectos, así como la proliferación de especies biológicas invasoras o cualquier otro factor externo que pueda interferir de manera perjudicial sobre las condiciones del cultivo. Los sistemas abiertos artificiales son estanques, balsas o piscinas que permiten un cierto control sobre las condiciones de cultivo, pero que ofrecen bajos rendimientos debido a que presentan

problemas de evaporación además de no ser aptos para le estimulación del crecimiento de la

masa biológica mediante C02. Esta forma de cultivo se lleva a cabo en recipientes que ocupan

grandes extensiones de terreno y que requieren de sistemas de paletas para remover y

homogeneizar el medio de cultivo los cuales suponen un gasto de energía extra. Dentro de los

5 sistemas abiertos existe un tipo especial que son los sistemas de tipo inclinado que constan de

una superficie inclinada en la que se bombea el cultivo desde la parte baja a la parte alta

consiguiendo flujos turbulentos que permiten mantener elevadas concentraciones celulares y

permiten obtener una alta relación superficie/volumen aunque también sufren altas tasas de

evaporación y pérdida de C02 que escapa a la atmósfera. El método de bombeo utilizado en este

1 O tipo de sistema para el mezclado del medio de cultivo se caracteriza por tener asociados elevados

consumos energéticos y la generación de flujos turbulentos que en ocasiones pueden resultar

perjudiciales para la masa biológica.

El otro tipo de dispositivos que se utilizan para el cultivo de algas y microalgas son los sistemas

cerrados o fotobiorreactores (FBR) los cuales se caracterizan por la existencia de una separación

15 física entre el cultivo y el medio que lo rodea, de tal modo que permiten mantener de forma

relativamente controlada las condiciones del cultivo en cuanto a cantidades de C02 y nutrientes,

temperatura, luminosidad, así como de agitación y mezcla de la solución en la cual se desarrolla la

masa biológica.

Este tipo de sistemas cerrados cuentan con diversas ventajas frente a los abiertos, destacando

20 principalmente que evitan la contaminación del medio por agentes exteriores; permiten controlar

de modo más exhaustivo las condiciones físico-químicas del mismo, mejorando de este modo el

crecimiento y la producción celular; eliminan los problemas de evaporación y permiten trabajar con

altas concentraciones celulares.

No obstante los fotobiorreactores actuales presentan algunos problemas tales como la presencia

25 de oxígeno disuelto que es necesario extraer, la formación en el medio de cultivo de gradientes de

pH y temperatura, el crecimiento de las células en las paredes que impiden el paso de la luz, el

elevado coste de puesta en escala y altos costes energéticos de los métodos utilizados para el

mezclado y agitación.

Los fotobiorreactores se clasifican en cuatro tipos diferentes atendiendo a su forma y geometría:

30 FBR cilíndricos verticales, FBR de paneles planos, FBR con lazo externo, y FBR de bolsa.

Los FBR cilíndricos verticales constituyen un sistema de cultivo semicerrado, ya que por la parte

superior están abiertos a la atmósfera. Constan de un tubo vertical transparente con lo que la

fuente de iluminación es exterior en el que la agitación y homogeneización del cultivo se consigue

mediante el burbujeo de aire desde la base del reactor. Por su posición vertical, absorben menos

35 radiación que los dispuestos horizontalmente, pero tiene la ventaja de que no se acumula oxígeno

disuelto ya que éste pasa a formar parte del aire. Como desventajas destaca su relativa baja

relación superficie/volumen y su dificultad para manejar un gran volumen de cultivo, posibilidad de

contaminación, así como una baja penetración de la luz lo que impide su desarrollo a gran escala.

Un ejemplo de FBR cilíndrico vertical se muestra en el documento ES2351566A1 que reivindica

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vertical transparente de forma cilíndrica, un fondo sobre el que apoya dicho cuerpo, una salida en

la parte inferior del fondo conectada a un conducto de salida que desemboca en un conducto de

recirculación conectado con una entrada ubicada en la parte superior del cuerpo. Un sistema

inyecta aire y eventualmente C02 en el conducto de circulación produciendo un vórtice en el

5 interior del cuerpo. Esta invención cuenta con dos limitaciones principales como son la dificultad

de implementación a gran escala y de penetración de la luz en el medio de cultivo.

Los FBR de paneles planos están formados por dos láminas de plástico rígido o flexible entre las

que se agita el cultivo mediante sistemas mecánicos o neumáticos. Pueden ser horizontales,

verticales o inclinados. Presentan una gran área de iluminación superficial por lo que con ellos se

1 O consiguen altas eficiencias fotosintéticas, son fáciles de construir y mantener, sin embargo, como

contrapartida presentan el problema de su paso de escala debido al gran área superficial que

requieren, incluyendo dificultades en el control de la temperatura de cultivo, la velocidad de

difusión del C02, así como la tendencia de las algas o microalgas a adherirse a las paredes.

Apenas se usan a escala industrial debido al elevado precio de los materiales transparentes con

15 los que se construyen. El documento ES2347515A1 describe un sistema FBR de paneles planos

que consiste en un fotobiorreactor laminar para la producción de microalgas, especialmente

indicado para absorber gases de emisión de alto contenido en anhídrido carbónico (C02) . Está

basado en la recirculación continua de un medio líquido que contiene microalgas a través de

láminas de tejido que facilitan la absorción de C02 y la iluminación de las microalgas. La invención

20 permite que dichos gases se puedan aportar al cultivo desde el interior de la cámara. Los

problemas asociados a la misma vienen marcados por la...

1. Sistema para el cultivo de algas y microalgas que comprende:

• Al menos una envolvente (1) unida por su parte inferior a un fondo (2) y por su parte superior a una cubierta (3) formando un reactor (4)

• Al menos un sistema rotor (8) formado por al menos un eje (5) al que se unen perpendicularmente en su extremo superior al menos dos radios superiores (7A, 78) Y en su extremo inferior al menos dos radios inferiores (6A, 68) disponiendo al menos dos dispositivos de iluminación (9A, 98) fijados por su parte superior a uno de los al menos dos radios superiores (7A, 78) Y por su parte inferior a uno de los al menos dos radios inferiores (6A, 68) Y disponiendo de al menos dos entradas de gas (10A, 108) instaladas en cada uno de los al menos dos radios inferiores (6A, 68) .

Estando el sistema rotor (8) emplazado en el interior del reactor (4) y girando en torno al eje de la envolvente (1) .

2. Sistema para el cultivo de algas y microalgas según la reivindicación 1 caracterizado porque la al menos una cubierta (3) es móvil actuando como de tapa o apertura.

3. Sistema para el cultivo de algas y microalgas según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque al menos un anillo inferior (13) une a los al menos dos radios inferiores (6A, 68) Y al menos un anillo superior (14) une a los al menos dos radios superiores (7A, 78) disponiéndose al menos un dispositivo de iluminación (15) entre el anillo inferior (13) y el anillo superior (14) .

4. Sistema para el cultivo de algas y microalgas según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dispone tres radios inferiores (6A, 68, 6C) y tres radios superiores (7A, 78, 7C) distribuidos de forma equidistante alrededor del eje (5) .

5. Sistema para el cultivo de algas y microalgas según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la al menos una envolvente (1) tiene al menos un dispositivo para la evacuación de gases (11) en su parte superior y próxima a su unión con la cubierta (3)

6. Sistema para el cultivo de algas y microalgas según cualesquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque cuenta con al menos un mecanismo de transmisión de giro (12) al al menos un eje (5)