Un fotobioreactor para el cultivo a gran escala de microalgas.

El fotobioreactor incluye una gran variedad de estaciones de fuente de luz superficial utiliza un elemento de diodo emisor de luz (LED), un elemento de diodo emisor de luz orgánico (OLED), o una lámina de LED flexible como fuente de luz. Las estaciones de fuente de luz superficial tienen forma de placa plana o de cilindro, se instalan a intervalos predeterminados en el espacio interior de un tanque de reacción con forma cuboide o cilíndrica, y emiten luz para el cultivo de microalgas de modo que están iluminadas desde el interior. Aquí, las estaciones de fuente de luz superficial se instalan de forma que están alternativamente en contacto con la primera y la segunda pared del tanque de reacción dispuestas en paralelo entre ellas de forma simétrica, y sirven como compartimentos que compartimentan el espacio interior del tanque de reacción y aumentan la distancia de flujo del gas.

Fotobioreactor para el cultivo a gran escala de microalgas.

Antecedentes de la invención

La presente invención está relacionada, en general, con un fotobioreactor para el cultivo a gran escala de microalgas, y más en particular, con un fotobioreactor para el cultivo a gran escala de microalgas que utiliza una fuente de luz superficial como un elemento de diodo emisor de luz (LED), un elemento de diodo emisor de luz orgánico (OLED), o un elemento de una lámina de LED flexible, que posee un espesor fino y gran eficiencia en el consumo de energía, para superar la limitación del escalaje en dos dimensiones debido a la limitación de la transmitancia de la luz en el momento del escalaje.

Se han hallado en todo el mundo varias sustancia útiles, de gran valor añadido, derivadas de las microalgas. Es indispensable una gran concentración de cultivo para la producción a gran escala de estas sustancias. Los sistemas de cultivo utilizados actualmente son principalmente cultivos a gran escala que utilizan instalaciones de cultivo externas como un gran estanque, que causan muchos problemas. Estos problemas incluyen, por ejemplo, contaminación, una baja densidad celular que dificulta la separación y la purificación, condiciones climáticas y de luminosidad irregulares, y la necesidad de una amplia área de cultivo, costes salariales, gran cantidad de matriz (particularmente, una fuente de nitrógeno), una gran calidad del agua, y así sucesivamente.

Particularmente, en términos de problemas de contaminación, es muy grave la predación provocada por protozoos, la depleción de la matriz provocada por los microorganismos fotosintéticos u otros microorganismos, etc., y requiere de un aparato caro por separado para concentrar los productos. Así, las tecnologías de cultivo estudiadas en cada país del mundo se dirigen principalmente en producir productos en exceso de un rendimiento en caso de utilizar un gran estanque en el aspecto cuantitativo utilizando un fotobioreactor de cultivo de alta densidad de interior de un tamaño relativamente pequeño, y simultáneamente producir un gran calidad de productos en alta concentración.

No obstante, en el caso de un aparato de cultivo de microorganismos de rutina, es posible aumentar cuantitativamente el rendimiento por medio de escalaje tridimensional. Por el contrario, en el caso de un cultivo de alta densidad, ya que siempre existe una limitación asociada con la transmitancia de la luz, es posible aumentar cuantitativamente el rendimiento sólo mediante el escalaje bidimensional. En detalle, en el caso del fotobioreactor, debe mantenerse alta la proporción del área de la superficie de una fuente de luz con el volumen de un espacio de reacción. En cualquier caso, ya que la distancia que atraviesa la luz es limitada, sólo es posible el escalaje bidimensional en una dirección paralela a la superficie de la fuente de luz.

Ejemplos de este fotobioreactor incluye un reactor agitado, un reactor planar, un reactor tubular, un reactor columnar y similares. Estos reactores presentan dificultades en el escalaje, por lo que es necesario un reactor más grande para un cultivo a gran escala.

Para poder solucionar este problema, se describe un "fotobioreactor modular utilizado para el cultivo a gran escala de microalgas" en la Publicación de Patente Coreana Nº 2003-0018197. En este documento, tal como se ilustra en las Figs. 1 y 2, el fotobioreactor 100 incluye una primera cámara de reacción 111 y una segunda cámara de reacción 112, que están separadas entre ellas de forma que estas partes, particularmente las porciones inferiores, se comunican entre ellas. La primera cámara de reacción 111 posee un puerto de inyección de medio 113 que se extiende hacia dentro de la porción superior de una pared lateral de la misma para poder suministrar nutrientes a las microalgas contenidas en ella. La segunda cámara de reacción 112 posee un puerto de descarga de medio 114, que se extiende hacia afuera de la porción superior de una pared lateral de la misma para descargar el medio inyectado a través del puerto de inyección de medio 113. Además, cada una de la primera y segunda cámara de reacción 111 y 112 presentan puertos de infusión de gas 115, que se extienden hacia abajo desde el fondo de las mismas para poder suministrar gas a la correspondiente cámara de reacción. Por el contrario, cada una de la primera y segunda cámara de reacción 111 y 112 presentan un puerto de efusión de gas 116, que se extiende hacia arriba desde la cima de la misma para proporcionar una ruta para evacuar el gas que pasa a través de la correspondiente cámara de reacción hacia el exterior.

Además, para el propósito de un cultivo a gran escala, pueden disponerse una serie de fotobioreactores 100 para que estén conectados entre ellos en paralelo. En este punto, los dos fotobioreactores vecinos 100 se conectan entre ellos de tal forma que el puerto de descarga de medio 114 de un 100 se inserta en el puerto de inyección de medio 113 del otro 100.

Como los fotobioreactores 100 están unidos en esta estructura, el medio se inyecta a través del puerto de inyección de medio 113 al primer fotobioreactor 100, los nutrientes se suministran a las microalgas contenidas en la primera y segunda cámaras de reacción, y estos se descargan a través del puerto de descarga de medio 114 del primer fotobioreactor 100. Posteriormente, el medio se inyecta en el segundo fotobioreactor 100 a través del puerto de inyección de medio 113 del segundo fotobioreactor 100. El medio que pasa a través del fotobioreactor de esta manera se descarga hacia el exterior a través del puerto de descarga de medio 114 de último fotobioreactor 100.

A medida que el gas se inyecta a través de los puertos de influjo de gas 115, el aire se puede utilizar. Cuando es necesario suministrar dióxido de carbono (CO₂), se puede utilizar gas mezclado con una cantidad en exceso de dióxido de carbono (entre 5% y 20%). Por ejemplo, este gas puede utilizar gas de escape de combustión. El gas que pasa a través de los fotobioreactores escapa a través del puerto de efusión de gases 116.

Las fuentes de luz 117, como las lámparas fluorescentes, se instalan en un espacio entre la primera cámara de reacción 111 y la segunda cámara de reacción 112. Las lámparas fluorescentes 117 se instalan de esta manera para ajustarse a las pantallas de luz típicas o simplemente se apilan. El número de fuentes de luz se ajusta para controlar la luminosidad.

No obstante, en el fotobioreactor modular que posee la estructura mencionada anteriormente, para el cultivo a gran escala, se mantiene el área que recibe la luz, pero la expansión de volumen es inevitable. En el caso en que las lámparas fluorescentes se utilicen como fuentes de luz internas, se ha observado de forma variada que la luminosidad se reduce bajo la influencia de un medio de cultivo y una temperatura circundante (baja temperatura). Debido al volumen de cada lámpara fluorescente en sí, su aplicación también se reduce.

Además, aunque el gas inyectado se mezcla con la cantidad excesiva de dióxido de carbono (entre 5% y 20%), la distancia en la que pasa la mezcla de gas, que es una distancia de flujo entre el puerto de influjo de gas 115 y el puerto de eflujo de gas 116 de cada cámara de reacción, es limitada, por lo que sólo una cantidad entre alrededor de 10% y alrededor del 20% del dióxido de carbono suministrado para la reacción con las microalgas se utiliza en cada cámara de reacción. Consecuentemente, el fotobioreactor modular muestra una baja eficiencia.

Resumen de la invención

De acuerdo con esto, la presente invención se ha realizado en un esfuerzo para solucionar los problemas que aparecen en la técnica relacionada, y las realizaciones de la presente invención proporcionan un fotobioreactor para el cultivo a gran escala de microalgas, que supera una limitación de la transmitancia de la luz que permite el escalaje tridimensional, que aplica una fuente de luz que emite una gran intensidad de luz y reduce una carga en el volumen para adecuarse al escalaje y aumentar la productividad por unidad de volumen, y que permite al dióxido de carbono suministrado usarse para reaccionar en una gran proporción gracias al aumento de la distancia de flujo de la mezcla de gas suministrado para aumentar también la eficiencia.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un fotobioreactor para...

1. Un fotobioreactor para el cultivo a gran escala de microalgas, que comprende:

un tanque de reacción que contiene microalgas a cultivar y que presenta una primera y una segunda pared dispuestas en paralelo entre ellas de forma simétrica, un puerto de influjo de gas en una posición predeterminada de la primera pared, y un puerto de eflujo de gas en una posición predeterminada de la primera o segunda pared situadas lejos del puerto de influjo de gas; y

una o más estaciones de fuente de luz superficial instaladas de forma que compartimentan el espacio interior del tanque de reacción de forma que las estaciones de fuente de luz superficial están dispuestas en el tanque de reacción entre los puertos de influjo y de eflujo de gas en intervalos predeterminados y están alternativamente en contacto con la primera y segunda pared, emitiendo luz para cultivar las microalgas de modo que están iluminadas desde el interior, y que sirve como compartimento aumentando la distancia de flujo entre los puertos de influjo y de eflujo de gas,

en el que el fotobioreactor permite el escalaje tridimensional.

2. El fotobioreactor tal como se indica en la reivindicación 1, en el que:

el tanque de reacción presenta una forma cuboide de forma que la primera y segunda pared sirven como paredes superior e inferior respectivamente; y

cada estación de fuente de luz superficial presenta una forma de placa plana.

3. El fotobioreactor tal como se indica en la reivindicación 2, en el que cada estación de fuente de luz superficial se dispone de forma inclinada respecto a la vertical en un ángulo predeterminado.

4. El fotobioreactor tal como se indica en la reivindicación 1, en el que:

el tanque de reacción presenta una forma cuboide de forma que la primera y segunda pared sirven como dos paredes laterales enfrentadas entre ellas respectivamente; y

cada estación de fuente de luz superficial presenta una forma de placa plana.

5. El fotobioreactor tal como se indica en la reivindicación 4, en el que cada estación de fuente de luz superficial se dispone de forma inclinada respecto a la horizontal en un ángulo predeterminado.

6. El fotobioreactor tal como se indica en la reivindicación 1, en el que:

el tanque de reacción presenta una forma cilíndrica que incluye la primera y segunda pared como paredes circulares superior e inferior respectivamente y una pared cilíndrica que conecta la primera y segunda pared entre ellas; y

las estaciones de fuente de luz superficial presentan una forma cilíndrica y están dispuestas en el espacio interior del tanque de reacción en forma concéntrica a la forma de la pared del cilindro.

7. El fotobioreactor tal como se indica en la reivindicación 6, en el que el tanque de reacción incluye al menos un puerto de influjo de gas en un borde de la primera pared, y un puerto de eflujo de gas en un centro de la primera o segunda pared.

8. El fotobioreactor tal como se indica en la reivindicación 7, en el que el espacio interior del tanque de reacción que está partido por las estaciones de fuente de luz superficial presenta intervalos (A) que aumentan gradualmente hacia afuera desde el centro hacia el borde de cada pared.

9. El fotobioreactor tal como se indica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que cada estación de fuente de luz superficial incluye un tablero plano o cilíndrico, una serie de elementos de diodos emisores de luz instalados en una superficie o la opuesta del tablero bajo una regla de disposición predeterminada, y capas protectoras impermeables que cubren las superficies opuestas del tablero sobre las que están instalados la serie de elementos de diodos emisores de luz.

10. El fotobioreactor tal como se indica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que cada estación de fuente de luz superficial incluye un tablero plano o cilíndrico, una serie de elementos de diodos emisores de luz orgánicos instalados en una superficie o la opuesta del tablero bajo una regla de disposición predeterminada, y capas protectoras impermeables que cubren las superficies opuestas del tablero sobre las que están instalados la serie de elementos de diodos emisores de luz orgánicos.

11. El fotobioreactor tal como se indica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que cada estación de fuente de luz superficial incluye un tablero plano o cilíndrico, una serie de láminas flexibles de diodos emisores de luz instalados en una superficie o la opuesta del tablero bajo una regla de disposición predeterminada, y capas protectoras impermeables que cubren las superficies opuestas del tablero sobre las que están instalados la serie de láminas flexibles de diodos emisores de luz.