Un aparato biorreactor en el que un contenedor tiene paredes laterales,

un suelo y un techo que definen una cámara que contiene una suspensión de sólidos de agua, nutrientes y microorganismos fotosintéticos. Una pluralidad de fibras ópticas, cada una de las cuales tiene un primer extremo dispuesto fuera de la cámara y un segundo extremo en la mezcla. Un colector de luz espaciado del contenedor tiene luz incidente sobre él y focaliza la luz en los primeros extremos de la pluralidad de fibras ópticas, permitiendo de esta manera transmitir la luz a la mezcla para promover la fotosíntesis. Al menos una tobera está en comunicación fluida con una fuente de gas, tal como gas de escape de una planta generadora de energía de combustión de combustibles fósiles que contiene dióxido de carbono. La tobera está dispuesta en la mezcla por debajo de los segundos extremos de las fibras ópticas para inyectar el gas en la mezcla.

APARATO y MÉTODO PARA CRECER ORGANISMOS BIOLÓGICOS PARA COMBUSTIBLE Y OTROS PROPÓSITOS

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

1. Campo De La Invención

Esta invención se refiere a un aparato y a un método para crecer microorganismos fotosintéticos, posiblemente a partir de gas de escape que contiene dióxido de carbono.

2. Descripción de La Técnica Relacionada

lOEs muy conocido que el suministro de los combustibles fósiles, tales como los combustibles derivados del petróleo, es limitado. Además, la combustión de dichos combustibles aporta una cantidad sustancial de carbono a la atmósfera. La liberación de carbono almacenado en dichos combustibles es el objeto de una preocupación global referida al cambio climático y a otros problemas medioambientales. Sin embargo, los

combustibles fósiles son la mayor fuente de combustible para los automóviles y las instalaciones productoras de energía.

Los biocombustibles se obtienen de organismos vivos o de sus subproductos metabólicos pero contienen moléculas que contienen hidrógeno y carbono diferentes de las de los combustibles fósiles. Los biocombustibles contienen una entalpía suficiente

para competir con los combustibles fósiles para la producción de combustible para los vehículos y de energía. La mayoría de los biocombustibles se consideran neutros en cuanto a su liberación de carbono a la atmósfera ya que los organismos vivos eliminan el carbono del aire, pero este carbono se libera posteriormente durante la reacción química que produce trabajo a partir de la energía solar almacenada.

Los biocombustibles son una fuente de energía renovable a diferencia de otros recursos naturales tales como petróleo, carbón y combustibles nucleares. Algunos biocombustibles pueden crecerse en un marco convencional, tal como un campo agrícola, mientras que otros deben crecerse en marcos únicos, controlados. Un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que implica

organismos o sustancias bioquímicamente activas procedentes de dichos organismos.

Los biorreactores conocidos toman los gases de escape, por ejemplo, de plantas generadoras de energía basadas en la combustión de combustibles fósiles y utilizan el C02 de éstas para "estimular" el crecimiento de microalgas y de otros microorganismos fotosintéticos. Dichos biorreactores impiden que el carbono de la corriente de los gases de escape se libere al aire y producen biocombustible a partir de éste lo que proporciona una energía adicional. Los sistemas de biorreactores de tipo estanque abierto han existido durante algún tiempo pero no son adecuados por varias razones, especialmente debido a las grandes fuentes de CO2•

Las microalgas tienen unas velocidades de crecimiento mucho más rápidas que los cultivos terrestres. Dependiendo del biorreactor y de la cepa, se estima que el rendimiento por unidad de área de aceite de las algas es muchas veces superior al mejor cultivo siguiente, que es el aceite de palma. El aceite de las algas se procesa en biodiesel tan fácilmente corno el aceite obtenido de los cultivos terrestres. Las dificultades en la producción eficaz de biodiesel a partir de las algas se basan en encontrar un biorreactor rentable que sea el más adecuado para una cepa de alga que contiene suficientes lípidos.

Las investigaciones en algas para la producción a gran escala de combustible se centran principalmente en las microalgas, en comparación con las macro algas (algas marinas) . Las microalgas son organismos fotosintéticos que tienen un diámetro menor de 2 mm. Éstas incluyen las diatomeas y las cianobacterias. Esta preferencia hacia las: microalgas se debe principalmente a que tienen una estructura menos compleja, velocidad de crecimiento rápida y alto contenido en aceite en algunas especies.

A pesar de las ventaj as científicas de los biocombustibles y a la disponibilidad: de biorreactores capaces de producir dichos combustibles, las desventajas económicas. han restringido el grado de implementación de los biorreactores. Por ejemplo, una' desventaja de los biorreactores convencionales es el hecho de que son factibles económicamente sólo cuando se utiliza luz natural. La capacidad de exponer microorganismos a una luz natural suficiente es una función del área superficial expuesta de los biorreactores convencionales. No siempre existe espacio disponible cuando se producen grandes cantidades de CO2• Los biocombustibles producidos a partir de dichos biorreactores solo pueden competir con los combustibles basados en el petróleo si su producción es suficientemente alta para que exista economía de escala. Esto resulta dificil con los biorreactores convencionales.

Por lo tanto, existe una necesidad de un biorreactor que haga que la eliminación

de carbono y la producción de biocombustible sea económicamente factible, lo suficiente como para que sea adoptado por la industria de producción de energía

RESUMEN BREVE DE LA INVENCIÓN

La producción de microalgas como materia prima base para ser refmada en biodiesel requiere biorreactores que son capaces de una productividad máxima en un espacio mínimo y con una luz artificial y otros aportes energéticos mínimos. Los diseños actuales de los biorreactores están limitados a operar durante las horas de luz solar, debido principalmente a que su diseño está basado completamente en la toma de luz del exterior y en que ésta penetre mediante transmisión a través de paredes transparentes en las algas. Un análisis económico sencillo muestra que la utilización únicamente de luz artificial es demasiado cara. Sin embargo, al no tener producción durante las horas nocturnas en las que no hay luz solar disponible, se pierde una productividad significativa.

El biorreactor de la invención se plantea los problemas significativos de los diseños de los biorreactores convencionales. En primer lugar, la invención utiliza dispositivos de recogida y transmisión de la luz solar de manera que la radiación fotosintéticamente activa pueda llegar a las microalgas en niveles óptimos. En segundo lugar, la invención utiliza un soporte de fibras de manera que las fibras de transmisión de la luz terminan en el interior del biorreactor, proporcionando de esta manera la aplicación directa de la luz sin un sistema de distribución adicional. En tercer lugar, la invención utiliza una suspensión de sólidos algal para incrementar la productividad. sobre un sistema de biopelícula. La suspensión de sólidos circulante utiliza procesos de· transporte para crear zonas oscuras en el interior del biorreactor para proporcionar tiempo para las reacciones en oscuridad y, por lo tanto, incrementar potencialmente en gran medida la productividad algal. Finalmente, el sistema de transmisión y distribución de la luz permite construir el biorreactor verticalmente, disminuyendo de esta manera la cantidad de espacio ocupada por la estructura respecto a un cultivador de tipo estanque

o estanque con recirculación de agua.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LAS DIFERENTES VISTAS DE LOS DIBUJOS La Fig. 1 es una vista en perspectiva que ilustra una realización preferida de la presente invención. La Fig. 2 es una vista en perspectiva que ilustra una vista del despiece de los componentes interiores preferidos de la realización preferida de la Fig. l.

La Fig. 3 es una vista lateral que ilustra la realización de la Fig. l.

La Fig. 4 es una vista superior que ilustra la realización de la Fig. l.

La Fig. 5 es una vista lateral que ilustra la realización de la Fig. l.

La Fig. 6 es una vista superior en sección que ilustra un soporte de fibras ópticas.

En la descripción de la realización preferida de la invención que se ilustra en los dibujos, se recurrirá a terminología específica por motivos de claridad. Sin embargo, no se pretende que la invención esté limitada al término específico seleccionado y debe entenderse que cada término específico incluye todos los equivalentes técnicos que operan de una manera similar para conseguir un propósito similar. Por ejemplo, se utiliza frecuentemente la palabra conectado o un término similar a éste. No están limitados a la conexión directa, sino que incluyen la conexión a través de otros elementos en la que...

1. Un aparato biorreactor que comprende:

(a) un contenedor que tiene paredes laterales, un suelo y un techo que definen una cámara que alberga una suspensión de sólidos de agua y microorganismos fotosiutéticos;

(b) una pluralidad de fibras ópticas, teniendo cada lUla de las fibras un pnmer extremo dispnesto fuera de la cámara y un segundo extremo dispuesto en la mezcla, teniendo el segundo extremo una punta de la que un haz de luz sale de la fibra, en donde la punta del segundo extremo de cada fibra es la única región de la fibra en la mezcla de la que sale una cantidad sustancial de luz;

(e) un colector de luz espaciado del contenedor, teniendo el colector de luz luz iucidente sobre él y focalizando la luz en los primeros extremos de la pluralidad de fibras ópticas; y

(d) al menos una tobera en comunicación fluida con una fuente de gas que contiene al menos dióxido de carbono, estando la tobera dispuesta en la mezcla por debajo de los segundos extremos de las fibras ópticas para iuyectar el gas en la mezcla y provocar que los microorganismos fluyan más allá de los segundos extremos de la fibras y estén expuestos a la luz que sale de los segundos extremos de las fibras.

2. El aparato biorreactor según la reivindicación 1, que comprende además un soporte montado en las paredes laterales del contenedor y a través del cual se extienden los segundos extremos de las fibras ópticas para espaciar los segundos extremos de las fibras entre sí lateralmente y para estabilizar las fibras.

3. El aparato biorreactor según la reivindicación 1, en el que dicha al menos una tobera comprende además una primera tobera dispuesta en una región de la cámara y una segunda tobera dispuesta en una segunda región más alta de la cámara, en el que la primera tobera está por debajo de al menos algunos de dichos segundos extremos de las fibras y la segunda tobera está por encima de la primera tobera y por debajo de al menos algunos de los segundos extremos de las fibras.

4. El aparato biorreactor según la reiviudicación 2, en el que el soporte mantiene los segundos extremos de las fibras en una posición axial sustancialmente fija.

5. Un método para crecer microorganismos, comprendiendo el método:

(a) disponer una mezcla de agua y microorganismos fotosintéticos en un contenedor que tiene paredes laterales y un suelo que defmen una cámara;

(b) exponer a la luz una pluralidad de primeros extremos de una pluralidad de fibras transmisoras de luz, donde dichos primeros extremos están fuera de la cámara;

(c) extender una pluralidad de segundos extremos de las fibras transmisoras de luz en la mezcla, donde los segundos extremos tienen puntas que son las únicas regiones de las fibras en la mezcla de las que sale una cantidad sustancial de luz para transmitir la luz a la cámara, creando de este modo regiones de luz en la cámara en las puntas de los segundos extremos de las fibras;

(d) disponer una tobera en la mezcla por debajo de los segundos extremos de las fibras transmisoras de luz; e

(e) inyectar materia que contiene gas, que es absorbido por los microorganismos a través de la tobera en la mezcla, provocando el gas inyectado que los microorganismos fluyan entre regiones de luz, que están solo próximas a los segundos extremos, y regiones más oscuras, que están separadas de los segundos extremos de las fibras y a lo largo de los laterales de las fibras .

6. El método según la reivindicación 5, que comprende además estabilizar al menos una parte de dicha al menos una fibra transmisora de luz respecto al contenedor.

7. El método según la reivindicación 5, que comprende además disponer un colector de luz fuera de la cámara, focalizar la luz en el primer extremo de dicha al menos una fibra transmisora de luz y desplazar el colector de luz para maximizar la luz incidente sobre él.

8. El método según la reivindicación 5, que comprende además disponer una primera tobera en una región de la cámara y una segunda tobera en una segunda región más alta de la cámara.

9. El método según la reivindicación 5, en el que la etapa de inyectar el gas comprende además desplazar la fibra lateralmente, causando de esta manera que su segundo extremo contacte con la pared lateral.

10. El método según la reivindicación 5, en el que el método comprende además colocar el contenedor dentro de una construcción.

11. El aparato biorreactor según la reivindicación 1, que comprende además un aparato generador de energía que tiene una construcción y crea gas de escape de la combustión de combustible fósil, y en el que el contenedor está dispuesto dentro de la construcción.

12. El biorreactor según la reivindicaciónll, que además comprende:

(a) una pluralidad de contenedores que tienen paredes laterales, un suelo y un techo que defmen una cámara que alberga un suspensión de sólidos de agua y

microorganismos fotosintéticos, estando dispuesto cada uno de dichos

contenedores en la construcción; y

(b) una pluralidad de toberas en comunicación fluida con el gas de escape, estando

dispuesta una de dichas toberas en cada uno de los contenedores, inyectando las toberas el gas de escape en la mezcla de un contenedor respectivo.