Biorreactor y procedimiento para hacer funcionar un biorreactor.

Biorreactor para el cultivo de organismos fototrópicos en una cámara de reactor con:

una carcasa (2) permeable a la luz en forma de paralelepípedo y placa, en cuyo interior está dispuesta la cámara de reactor (6), presentando la carcasa (2) dos paredes laterales (3) opuestas mayores, que forman superficies exteriores extendidas de la carcasa (2) en forma de placa, dos paredes laterales (4) menores opuestas y dos paredes frontales (5a, 5b) opuestas, que delimitan la cámara de reactor (6), y determinando la distancia entre las paredes laterales (4) menores la anchura de la cámara de reactor (6), la distancia entre las paredes frontales (5a, 5b) determina la longitud de la cámara de reactor (6) y la distancia entre las paredes laterales (3) mayores determina el grosor de la cámara de reactor (6),

una pluralidad de paredes intermedias (8), que están dispuestas paralelas a las paredes laterales (4) menores y paralelas entre sí en las proximidades de una primera (5a) de las dos paredes frontales (5a, 5b) y separadas de la 15 primera pared frontal (5a) y que se extienden a lo largo de la totalidad del grosor de la cámara de reactor (6) y a lo largo de una parte de la longitud de la cámara de reactor (6), de manera que una sección de conducción de la corriente (7) de la cámara de reactor (6) se forma con una pluralidad de canales de conducción de la corriente (9), de los que cada uno se encuentra entre dos paredes intermedias (8) contiguas o entre una de las paredes laterales (4) menores y una pared intermedia (8) contigua, y que está prevista, entre los extremos de las paredes intermedias (8) alejados de la primera pared frontal (5a) y la segunda (5b) de las dos paredes frontales (5a, 5b), una sección de mezcla (16) libre de la cámara de reactor (6),

y un dispositivo de suministro de gas para la introducción de gas en cada segundo canal de conducción de la corriente (9) en las proximidades de la primera pared frontal (5a),

caracterizado porque la sección de mezcla (16) se extiende a lo largo de por lo menos 50% de la longitud de la cámara de reactor (6) y los canales de conducción de la corriente (9) presentan una anchura de por lo menos 5 cm.

Biorreactor y procedimiento para hacer funcionar un biorreactor.

La invención se refiere a un biorreactor para el cultivo de organismos fototrópicos y a un procedimiento para hacer funcionar un biorreactor de este tipo para el cultivo de organismos fototrópicos.

Los organismos fototrópicos, a los que pertenecen los microorganismos unicelulares y pluricelulares tales como, por ejemplo, algas, cianobacterias y cultivos de células vegetales, se caracterizan porque, mediante fotosíntesis, utilizan la luz como fuente de energía y degradan con ello la biomasa. Su cultivo tiene lugar con el objetivo de producirla (biomasa) o de producir sus productos de metabolismo. Para ello se utilizan también los biorreactores denominados fotobiorreactores. Los reactores de este tipo presentan, en general, una carcasa permeable a la luz, que rodea una cámara de reactor. En la cámara de reactor se disponen los organismos correspondientes en un medio de cultivo o nutritivo, y a continuación se irradia luz a través de la carcasa de reactor al interior de la cámara de reactor.

Al mismo tiempo el problema fundamental consiste en que la intensidad de la luz decrece mucho a causa de la absorción de la luz por parte de los organismos y el medio de cultivo y a causa de efectos de sombra con el aumento de la profundidad de penetración en el medio de cultivo, de manera que un suministro de luz suficiente está garantizado únicamente en una determinada capa en las proximidades de las zonas de carcasa iluminadas. Además, debe considerarse también que los organismos no pueden procesar de forma continua la luz incidente sino que, en teoría, pueden absorber incluso únicamente durante un tercio del tiempo la luz y la pueden aprovechar para la obtención de energía. Por este motivo se consigue un aprovechamiento óptimo y una actividad de fotosíntesis de los organismos fototrópicos cuando los organismos pasan, en un medio estadístico, un ciclo luz-oscuridad, de manera que durante un primer intervalo de tiempo absorben luz de una intensidad relativamente alta y a continuación, durante un segundo intervalo de tiempo, regresan a una oscuridad relativa.

De esta manera pueden, por una parte, participar más organismos en la actividad fototrópica y, por la otra, los organismos están sometidos durante un tiempo breve a la intensidad de luz máxima, que en el caso de luz intensa puede conducir incluso a una saturación de organismos (llamada fotoinhibición) .

En el estado de la técnica se conocen diferentes mecanismos con los cuales se ha intentado tener en cuenta de forma los más óptima posible los aspectos mencionados. En un biorreactor, descrito en el documento DE 199 16 597 A1, se basa en el principio de los llamados biorreactores Airlift o Airlift-lazos. En este tipo de biorreactor se pone el medio de cultivo en movimiento en un lazo predeterminado, gracias a que en un lado se introduce mediante tobera gas en el biorreactor, que asciende entonces en el medio de cultivo.

El biorreactor conocido a partir del documento DE 199 16 597 A1 presenta dos placas conductoras o paredes intermedias, dispuestas simétricamente en el interior de una cámara de reactor en forma de paralelepípedo, que discurren paralelas entre sí y con respecto a dos paredes laterales opuestas de la carcasa del biorreactor y que se extienden a lo largo de una gran parte de la longitud de la cámara de reactor. Las paredes intermedias, las cuales están separadas en cada caso por sus dos extremos de las paredes frontales de la carcasa de reactor, forman entre sí un canal de conducción de la corriente central y, entre cada pared intermedia y la pared lateral contigua de la carcasa del reactor, se forma en cada caso un canal de conducción de la corriente exterior. El gas se introduce mediante una tobera en un lado del biorreactor, a través de la pared frontal correspondiente, de la manera en la cámara de reactor, que el gas asciende, a través del canal conducción de la corriente central, hacia arriba en el medio de cultivo, con el cual es llenada la cámara de reactor. De esta manera se forma una corriente de líquido que sigue, en el canal de conducción de la corriente central, la corriente de gas y que está conducida en dirección contraria en los canales de conducción de la corriente exteriores, es decir que existen dos lazos conectados en forma de ocho.

La irradiación de luz en la cámara de reactor tiene lugar desde el lado, paralelamente con respecto a las paredes intermedias y perpendicularmente con respecto a la dirección de extensión de los canales de conducción de la corriente y, con ello, también perpendicularmente con respecto a la corriente de líquido en los canales de conducción de la corriente. Con el fin de conseguir un movimiento de los organismos, mediante el cual pasan en el medio estadístico por un ciclo luz-oscuridad, se conduce de forma turbulenta la corriente de líquido descrita. Para el aumento de la turbulencia se propone, por un lado, el montaje de mezcladores estáticos o de rompedores de corriente y, por el otro, un aumento de la tasa de absorción de gas. De esta manera deben generarse en la totalidad de la cámara de reactor turbulencias tridimensionales buscándose proporcionar para los organismos un ciclo luzoscuridad con una frecuencia de más de 1 Hz. En la sección de cámara de reactor entre la pared frontal de la carcasa reactor, la cual se opone a la pared frontal, a través de la que tiene lugar la absorción de gas, y los extremos contiguos de las paredes intermedias, se encuentra un espacio de cabeza pequeño altamente turbulento, que se aprovecha para el intercambio de gas y la regulación de la temperatura.

Se ha demostrado, sin embargo, que la turbulencia que se puede conseguir mediante el biorreactor conocido no es suficientemente grande para conseguir unas frecuencias óptimas para el ciclo luz-oscuridad y con ello un aprovechamiento óptimo de la luz y para evitar una cobertura de las superficies de reactor con algas (el llamado

Biofouling) , lo que bloquea de nuevo la entrada de luz en la cámara de reactor. Además se imponente unos límites, para un aprovechamiento mejorado de la luz, al aumento deseable de la relación de la superficie lateral de carcasa que se puede iluminar con respecto al volumen de la cámara de reactor en los biorreactores conocidos, a causa de su formación necesaria para la formación de una gran turbulencia, límites a un grosor mínimo, en los cuales existe todavía necesidad de mejora. Además, el biorreactor debe hacerse funcionar en posición vertical, es decir en un ángulo de 90º con respecto a la superficie de disposición, de manera que no es posible una orientación de la pared de reactor iluminada con respecto al sol para la maximización de la entrada de luz y la minimización de la reflexión.

La presente invención se plantea el problema de proporcionar un biorreactor para el cultivo de organismos fototrópicos y de un procedimiento para el funcionamiento de un biorreactor de este tipo, mediante los cuales se pueda continuar mejorando el aprovechamiento de la luz por parte de los organismos.

Este problema se resuelve mediante un biorreactor con las características de la reivindicación 1 y mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 11. Las formas de realización preferidas del biorreactor y del procedimiento son objeto de las reivindicaciones dependientes en cada caso correspondientes.

Según la presente invención está previsto que, un biorreactor para el cultivo de organismos fototrópicos, dispuestos en una cámara de reactor del biorreactor, presente una carcasa permeable a la luz, en forma de paralelepípedo y de placa, en cuyo interior está dispuesta la cámara de reactor. La carcasa es, de acuerdo con ello, plana y está limitada, en dos lados opuestos, en cada caso por una pared lateral con una superficie mucho más extendida ó grande en relación con el grosor. Junto a estas dos paredes laterales existen además dos paredes laterales opuestas entre sí adicionales con una superficie menor y dos paredes frontales opuestas entre sí. A causa de la estructuración en forma de placa de la carcasa presenta cada una de las cuatro paredes de carcasa mencionadas en último término una superficie, la cual es mucho menor o está menos extendida que la mayor o la mayor de las paredes laterales extendidas mencionadas en primer lugar. La distancia entre las paredes laterales menores o pequeñas define la anchura de la cámara de reactor, la distancia entre las paredes frontales define la longitud de la cámara de reactor, y la distancia entre las paredes laterales mayores define el grosor... [Seguir leyendo]

1. Biorreactor para el cultivo de organismos fototrópicos en una cámara de reactor con:

una carcasa (2) permeable a la luz en forma de paralelepípedo y placa, en cuyo interior está dispuesta la cámara de reactor (6) , presentando la carcasa (2) dos paredes laterales (3) opuestas mayores, que forman superficies exteriores extendidas de la carcasa (2) en forma de placa, dos paredes laterales (4) menores opuestas y dos paredes frontales (5a, 5b) opuestas, que delimitan la cámara de reactor (6) , y determinando la distancia entre las paredes laterales (4) menores la anchura de la cámara de reactor (6) , la distancia entre las paredes frontales (5a, 5b) determina la longitud de la cámara de reactor (6) y la distancia entre las paredes laterales (3) mayores determina el grosor de la cámara de reactor (6) , una pluralidad de paredes intermedias (8) , que están dispuestas paralelas a las paredes laterales (4) menores y paralelas entre sí en las proximidades de una primera (5a) de las dos paredes frontales (5a, 5b) y separadas de la 15 primera pared frontal (5a) y que se extienden a lo largo de la totalidad del grosor de la cámara de reactor (6) y a lo largo de una parte de la longitud de la cámara de reactor (6) , de manera que una sección de conducción de la corriente (7) de la cámara de reactor (6) se forma con una pluralidad de canales de conducción de la corriente (9) , de los que cada uno se encuentra entre dos paredes intermedias (8) contiguas o entre una de las paredes laterales (4) menores y una pared intermedia (8) contigua, y que está prevista, entre los extremos de las paredes intermedias (8) alejados de la primera pared frontal (5a) y la segunda (5b) de las dos paredes frontales (5a, 5b) , una sección de mezcla (16) libre de la cámara de reactor (6) , y un dispositivo de suministro de gas para la introducción de gas en cada segundo canal de conducción de la corriente (9) en las proximidades de la primera pared frontal (5a) , caracterizado porque la sección de mezcla (16) se extiende a lo largo de por lo menos 50% de la longitud de la cámara de reactor (6) y los canales de conducción de la corriente (9) presentan una anchura de por lo menos 5 cm.

2. Biorreactor según la reivindicación 1, en el que el grosor de la cámara de reactor (6) es de 1, 5 a 5 cm. 30

3. Biorreactor según la reivindicación 2, en el que el grosor de la cámara de reactor (6) es de por lo menos 2, 0 a 3, 0 cm.

4. Biorreactor según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la anchura de los canales de conducción de la 35 corriente (9) es de por lo menos 15 cm.

5. Biorreactor según una de las reivindicaciones anteriores, en el que a lo largo de la longitud de las paredes intermedias (8) está prevista en las mismas una determinada cantidad de aberturas separadas entre sí, a cuyo través puede tener lugar un intercambio de líquido entre los canales de conducción de la corriente (9) contiguos.

6. Biorreactor según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo de suministro de gas presenta uno o varios tubos (11) , que discurren en la cámara de reactor (6) entre la primera pared frontal (5a) y los extremos, orientados hacia ésta de las paredes intermedias (8) y presentan perforaciones o ranuras (10) , a cuyo través se suministra gas a los canales de conducción de la corriente (9) correspondientes.

7. Biorreactor según la reivindicación 6, en el que el dispositivo de suministro de gas está adaptado para introducir, con la cámara de reactor (6) llena con el medio de cultivo líquido y los organismos fototrópicos, gas en forma de burbujas de gas individuales (20) en los canales de conducción de la corriente (9) correspondientes, presentando las burbujas de gas (20) un diámetro grande de por lo menos 3 cm.

8. Biorreactor según la reivindicación 6 ó 7, en el que el dispositivo de suministro de gas está adaptado para introducir el gas por golpes en los canales de conducción de la corriente (9) correspondientes, de manera que únicamente entonces se genera una nueva burbuja de gas (20) , cuando la burbuja de gas (20) precedente ha atravesado completamente el medio de cultivo en la cámara de reactor (6) .

9. Biorreactor según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la longitud de la cámara de reactor (6) es mayor que su anchura.

10. Biorreactor según una de las reivindicaciones anteriores, en el que en la sección de mezcla (16) está dispuesta

60 una pluralidad de columnas (17) separadas entre sí, que conectan entre sí cada una de ellas las dos paredes laterales (3) grandes de la carcasa (2) y están formadas cada una de ellas de tal manera que se estrechan en dirección hacia por lo menos uno de sus dos extremos.

11. Procedimiento para el cultivo de organismos fototrópicos en un biorreactor según una de las reivindicaciones 65 anteriores, que presenta las etapas siguientes:

la introducción de un medio de cultivo líquido en la cámara de reactor (6) de un biorreactor (1) según una de las reivindicaciones anteriores, la introducción de los organismos fototrópicos en la cámara de reactor (6) , la irradiación de una pared lateral (3) 5 grande de la carcasa (2) del biorreactor (1) con luz, y la introducción de gas en cada segundo canal de conducción de la corriente (9) con la ayuda del dispositivo de suministro de gas, siendo introducido el gas en forma de burbujas (20) individuales, cuyo diámetro grande es de por lo menos 3 cm.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que el gas es introducido de tal manera con la ayuda del dispositivo de suministro de gas, que la velocidad de las burbujas de gas (20) que atraviesan el medio de cultivo en los canales de conducción de la corriente (9) es de por lo menos 0, 5 m/seg.

13. Procedimiento según la reivindicación 11 ó 12, en el que el gas es introducido a través de una pared frontal (5a) con una relación del caudal con respecto a la superficie de la pared frontal, a través de la que es introducido el gas, de por lo menos 0, 02 m/seg.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 11 a 13, en el que el gas es introducido por golpes en los canales de conducción de la corriente (9) correspondientes, de manera que únicamente entonces se genera una nueva burbuja de gas (20) , cuando la burbuja de gas (20) anterior ha atravesado completamente el medio de cultivo en la cámara de reactor (6) .