FOTOBIORREACTOR PARA EL CULTIVO EN CONTINUO DE MICROALGAS Y SISTEMA MODULAR QUE COMPRENDE DICHOS FOTOBIORREACTORES.

El sistema incorpora fotobiorreactores (22) regulados por programadores (16) e interconectados formando módulos regulados por una unidad de control.

Cada fotobiorreactor (22) incorpora al menos una cámara (1) de cultivo, transparente, permitiendo el paso de un circuito de aireación (2), de un circuito de medio de cultivo (3) y, opcionalmente, de un circuito de intercambio de calor. El circuito de aireación (2) suministra CO2 a y retira O2 de la cámara (1) de cultivo. El circuito de medio de cultivo (3) introduce abono y agua y extrae el cultivo y comprende un primer depósito de agua, un segundo depósito (4) de medio de cultivo, unos medios de esterilización (7) del medio de cultivo, y una primera bomba (6) para hacer circular el medio de cultivo hacia la cámara (1). El medio puede ser cenizas de poda o salmueras procedentes de desaladoras.

Fotobiorreactor para el cultivo en continuo de microalgas y sistema modular que comprende dichos fotobiorreactores.

Objeto de la invención

La presente invención se puede incluir en el campo de la acuicultura, en particular en el campo del cultivo de microalgas.

El objeto de la invención se centra en un fotobiorreactor para el cultivo en continuo de microalgas, así como en un sistema modular que comprende dichos fotobiorreactores.

Antecedentes de la invención

En los últimos años se han hecho avances en el diseño conceptual de fotobiorreactores para el cultivo de microalgas, en general se considera que para llevar a cabo la producción masiva de microalgas es imprescindible seleccionar adecuadamente el diseño de reactor que se va a utilizar. Para ello se deben tener en cuenta una serie de parámetros función del microorganismo que se va a emplear, como condiciones óptimas de crecimiento y resistencia a variaciones ambientales, así como parámetros económicos, tales como valor del producto obtenido, capital inmovilizado necesario, costos de operación estimados, etc.

Las áreas de trabajo en este campo implican:

- Caracterización fluidodinámica y de transferencia de materia y energía.

- Cuantificación de los fenómenos de estrés a que se ven sometidas las células.

- Determinación de la disponibilidad de luz por las células individuales.

- Determinación y control de las variables de operación (pH, temperatura, CO2, O2 etc.)

- Productividad del sistema.

Estas áreas están interrelacionadas, así la caracterización fluidodinámica y transferencia de materia y energía influye y a la vez estará determinada por el estrés producido en las células o sus necesidades en cuanto a temperatura y también sobre las variables de operación a controlar como nivel y remoción de oxígeno, CO2 y control de pH, etc. Todo ello influye en la productividad del sistema. En general, en un mismo fotobiorreactor es posible establecer diferentes condiciones de mezclado para manipular el régimen de iluminación y así la tasa de fotosíntesis. Los sistemas basados en la aireación del cultivo con aire comprimido (airlift) , se emplean comúnmente por su sencillez y porque pueden diseñarse para inducir un esfuerzo de corte pequeño que no cause daño mecánico a las células. [4]

La velocidad de agitación tiene que ser suficiente para mantener un régimen turbulento que evite el crecimiento en la pared del reactor o la sedimentación de las células por una parte y, por otra, que asegure una iluminación favorable de las células mediante adecuada frecuencia de los ciclos de luz/sombra para lograr una fotosíntesis intensa. [3]

Para lograr cultivos de ultra alta densidad celular se han utilizado diversas geometrías de fotobiorreactores y fuentes de iluminación, tales como reactores planos verticales con lámparas fluorescentes de luz blanca, reactores iluminados cuasi-internamente por diodos, reactores iluminados internamente mediante fibra óptica, y reactores planos inclinados con iluminación solar mantenidos en exteriores.

Como ejemplo, en el caso del alga Dunaliella salina, estas algas están muy bien adaptadas para propagarse en medios que van desde menos concentración de sal que el agua de mar (0, 1 NaCl M) a soluciones saturadas. (>NaCl 5 M) .

Hasta el momento se han desarrollado cuatro métodos para la producción a gran escala de Dunaliella. En el primero, denominado cultivo extensivo, no se utiliza agitación y el control del ambiente es mínimo. Para disminuir el ataque de depredadores (ciliados, amebas, artemias, etc.) se emplean concentraciones de sal muy altas. En estas condiciones el alga crece muy lentamente. La productividad de este tipo de cultivo es baja y se necesitan grandes extensiones para su explotación comercial, si bien los costes de operación son muy bajos. En el segundo método, denominado cultivo intensivo, se intentan controlar todos los factores del crecimiento celular. Los estanques son normalmente rectangulares, alineados formando canales de tamaño variable. En este tipo de cultivo se obtienen unos 200 mg. de Bcaroteno/m2·día como promedio a lo largo del año, lo que equivale a 2 Kg./Ha·día. Entre estos dos sistemas hay un tercero desarrollado en Australia y China, donde se ha incrementado por un factor de 10 la longitud, no hay agitación y sí un control parcial. El cuarto sistema es altamente intensivo y se desarrolla en biorreactores cerrados. Este sistema ha merecido especial atención desde la última década, aunque se encuentra aún en fase experimental. [2]

En otro ejemplo de interés, el cultivo de Spirulina sp, los sistemas de producción varían entre sistemas de estanques abiertos y más o menos tecnificados, donde dependiendo de los problemas asociados con el suministro de agua natural y el potencial de la microalga como fuente de biomasa y biomoléculas, se emplean estanques circulares, raceway (estanque alargado) o estanques en cascada. Los estanques circulares todavía se emplean en Japón, Taiwán e Indonesia.

Los estanques con forma raceway (corridos) , se emplean en Israel, los Estados Unidos de América, China y otros países. Se emplea fertilizante y el cultivo se remueve mediante una rueda de paletas. La concentración celular puede mantenerse en torno 0.5 g/l y una productividad de alrededor de 25 g/m2·día ha sido ampliamente informada. Por otra parte, con objeto de conseguir altas concentraciones celulares, y mayor control del cultivo se han propuesto varias formas de fotobioreactores. [1] Estos incluyen tubos rectos horizontales conectados por curvas en U, fotobioreactores tipo α con tubos cruzados dispuestos en ángulo con la horizontal tubos flexibles enrollados alrededor de un cilindro vertical.

Otro tipo son los biorreactores planos, usualmente levantados en ángulo con la horizontal y en algunos casos en vertical con el suelo. [5]

Se han ensayado diversos medios de cultivo, y variadas temperaturas, en todos los casos el medio es alcalino y generalmente se encuentra en mayor proporción el bicarbonato sódico.

El sistema se completa mediante el cosechado del producto que típicamente comprende operaciones de concentrado, filtrado, centrifugado, pasteurizado y secado cuidadoso, mediante spray-dr y er, con objeto de evitar el deterioro de algunos nutrientes.

De lo anteriormente expuesto se deduce que la producción mediante sistemas cerrados y axénicos semejantes a los empleados en laboratorio requiere una inversión y coste de mantenimiento muy elevados, sólo asequible a las grandes empresas, mientras que, por otro lado, la producción mediante sistemas abiertos de bajo coste no garantiza el rendimiento ni la calidad del producto.

Por tanto, el problema técnico que se plantea trata de la necesidad de producción de microalgas con una relación producto/coste optimizada mediante el diseño de fotobiorreactores que permitan alcanzar alta productividad media sin forzar el cultivo, a unos costes moderados y con un grado de automatización y control elevado, de tal manera que se posibilite la optimización de una curva de crecimiento en unas condiciones, si bien no enteramente axénicas, al menos acotadas y fiables, además de escalabilidad.

Índice de referencias

[1] Acien Fernández, F.G., Fernández Sevilla, J.M., Sánchez Perez, J.A., Molina Grima, E., Chisti, Y., Airliftdriven external-loop tubular photobioreactors for outdoor production of microalgae: assesment of design and performance. Chemical engineering Science 56 (2001) 2721-2732.

[2] García González M., Manzano J.C., Moreno J., Guerrero M.G. Biotecnología del cultivo de Dunaliella salina en el litoral andaluz. Consejería de Agricultura y Pesca. Junta de Andalucía. Sevilla 2000.

[3] Molina E., Acien F.G., García F., Chisti Y. Photobioreactors: Light regime, mass transfer, and scaleup. J. Biotechnol. 70: 231-248 (1999) .

[4] Richmond, A., Boussiba, S., Vonshak, A.& Kopel, R., A new tubular reactor for mass production of microalgae outdoors. Journal of Applied Phycology 5: 327-332, (1993) .

[5] Richmond A., Cheng-Wu Zhang. Optimization of a flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp. outdoors. Journal of Biotechnology (2001) .

Descripción de la invención...

1. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en continuo de microalgas, que comprende al menos una cámara (1) de cultivo, fabricada en material transparente y adaptada para ser sostenida en posición sustancialmente vertical, conteniendo un cultivo de microalgas,

caracterizado porque comprende adicionalmente:

- un circuito de aireación (2) adaptado para proporcionar al cultivo contenido en la cámara (1) de cultivo un suministro de CO2 a través de un compresor (14) y un filtro (15) y efectuar retirada de O2, y

- un circuito de medio de cultivo (3) adaptado para producir la entrada y salida de un medio de cultivo y de agua en la cámara (1) de cultivo, por medio de un sistema de gotero.

2. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en continuo de microalgas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de medio de cultivo (3) comprende: -un primer depósito de agua, -un segundo depósito (4) de medio de cultivo, -unos medios de esterilización (7) del medio de cultivo, y

- una primera bomba (6) adaptada para hacer circular el agua y/o el medio de cultivo hacia la cámara (1) de cultivo desde el primer depósito y el segundo depósito (4) respectivamente.

3. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en continuo de microalgas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones1ó2, caracterizado porque incorpora adicionalmente un medio de intercambio de calor con el cultivo.

4. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en continuo de microalgas de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el medio de intercambio de calor se selecciona entre: -un intercambiador de calor instalado en el interior de la cámara (1) de cultivo,

- una cubierta de material transparente, para períodos fríos, y -un medio de humidificación, para períodos cálidos.

5. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en continuo de microalgas de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque la cámara (1) de cultivo está abierta en sus extremos, incorporando unos medios de cierre superior (12) e inferior (13) dispuestos en dichos extremos, estando los medios de cierre (12, 13) adaptados para permitir el paso del circuito de aireación (2) , del circuito de medio de cultivo (3) y del medio de intercambio de calor.

6. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en continuo de microalgas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio de cultivo se selecciona entre al menos uno de los elementos de la siguiente lista:

- cenizas de poda, -salmueras procedentes de desaladora.

7. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en continuo de microalgas de acuerdo con al reivindicación 1, caracterizado porque incorpora adicionalmente una línea de recolección que comprende: -un rebosadero (8) o una segunda bomba, adaptados para permitir la salida del cultivo de la cámara (1) de cultivo,

- unos medios de filtrado (9) del cultivo, adaptados para producir un cultivo filtrado, y -unos medios de cosechado (10) del cultivo, que comprenden unos medios de drenaje del cultivo.

8. Fotobiorreactor para el cultivo en continuo de microalgas de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque comprende adicionalmente unos medios de reciclado (18) adaptados para separar detritos del cultivo filtrado y conducir el cultivo filtrado sin detritos a través de una tercera bomba (21) hacia el interior de la cámara (1) de cultivo.

9. Fotobiorreactor para el cultivo en continuo de microalgas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un soporte troncopiramidal de base triangular adaptado para soportar la cámara (1) de cultivo en posición vertical y para transportar el fotobiorreactor.

10. Sistema modular que comprende fotobiorreactores (22) descritos en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando los fotobiorreactores (22) interconectados y agrupados en módulos, caracterizado porque comprende adicionalmente una unidad de control adaptada para controlar el funcionamiento de los módulos.