FOTOBIORREACTOR PARA CULTIVAR MICROORGANISMOS FOTOAUTÓTROFOS.

Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos.

Permite cultivar microorganismos fotoautótrofos para la producción de biomasa,

con eficiencia mejorada y coste reducido. Comprende: un recinto (1) de cultivo adaptado para ser suspendido y que está formado por dos láminas de polietileno, en las que por termosellado están definidas una pluralidad de canales (6) paralelos comunicados entre sí formando un único conducto en zig-zag; un tanque (3) para homogeneización y, alojamiento del cultivo (2); y unos medios de impulsión (10) para impulsar el cultivo (2) desde el tanque (3) hacia el recinto (1) contra la gravedad. Comprende adicionalmente una estructura formada por elementos (18) poligonales paralelos sobre los que se apoya una barra (8) de la que se suspende el recinto (1).

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir dentro del campo técnico del cultivo de microorganismos fotoautótrofos, tales como microalgas o cianobacterias, siendo su propósito la producción de biomasa algal, que se emplee, entre otros fines, para la obtención de biocombustible. En concreto, el objeto de la invención se refiere a un fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Es posible emplear luz solar y agua rica en nutrientes para el desarrollo masivo de cultivos de microorganismos fotoautótrofos, tales como microalgas, como generadores eficientes de diferentes productos de gran valor industrial.

Existen dos diseños básicos para la producción de microorganismos fotoautotrófos, los sistemas abiertos, en los que el cultivo está permanentemente expuesto a la atmósfera, y los sistemas cerrados, comúnmente denominados fotobiorreactores, en los que el cultivo tiene escaso o nulo contacto con la atmósfera.

Los sistemas abiertos, también denominados de tipo raceway (circuito) , están constituidos por canales de agua poco profundos (15-20 cm) en forma de circuito, en los que el medio de cultivo es impulsado por paletas rotatorias. Generalmente ocupan grandes extensiones de terreno (500-5000 m2) , pero tienen como ventaja el bajo costo de producción de biomasa algal en algunas zonas geográficas específicas. Sin embargo, el perfeccionamiento de esta tecnología parece haber alcanzado su límite. Entre sus inconvenientes más importantes, se citan la baja productividad, fácil contaminación, costosa recuperación del producto en medios diluidos y dificultad para el control de la temperatura.

Los antes citados inconvenientes han estimulado el desarrollo de fotobiorreactores cerrados construidos con materiales transparentes, como vidrio y policarbonato, entre otros.

En los sistemas tubulares cerrados, el cultivo circula por tubos de un material rígido, bien sea transparente o bien translúcido. La circulación del cultivo se realiza mediante impulsión, bien con bomba, o bien mediante sistema airlift. El sistema consta de un módulo de captación de luz solar constituido por tubos de metacrilato o vidrio, situados en paralelo y conectados entre sí por medio de piezas en forma de “u" del mismo material o similar, a modo de serpentín.

En los fotobiorreactores planos el cultivo circula en el interior de un compartimento definido entre placas paralelas (tipo sándwich) de material transparente.

Los fotobiorreactores de panel vertical plano con impulsión airlift (flat panel airlift) presentan una cámara de cultivo que comprende una serie de elementos elaborados con policloruro de vinilo o tereftalato de polietileno que forman un recorrido serpenteante para el cultivo. Con ayuda de "mezcladores estáticos", las células de las microalgas son transportadas de la zona oscura del reactor hacia la capa de superficie iluminada, a intervalos fijos. Se pueden encontrar estos fotobiorreactores con distinto tamaño, el menor de 5 litros, ideado para uso en laboratorio, no industrial, intermedio de 33 litros, y el mayor, de 180 litros, creado por Subitec (spin-off del instituto Fraunhofer IGB) .

Por otra parte, el fotobiorreactor denominado “ProviAPT vertical flat panel” (de pantalla plana) , de la compañía PROVIRON, incluye una pluralidad de paneles paralelos y dispuestos en pila, encerrados en bolsas de agua que regulan la temperatura. Está realizado con polipropileno reciclable en capa fina y no requiere de estructuras adicionales de apoyo. (Buehner et al. 2009)

La compañía Vertigro (USA) posee un fotobiorreactor vertical para la obtención de algas, formado por unos sistemas de canales paralelos entre sí para la circulación del cultivo y en disposición vertical. El fotobiorreactor comprende recipientes a modo de bolsas de polietileno dispuestas en el interior de una estructura metálica de jaula.

La solicitud internacional WO2009/155032 se refiere a un biorreactor con un canal en comunicación fluida con un contenedor para absorber CO2 y con ello hacer crecer las microalgas. El biorreactor comprende dos láminas de material flexible de unos 150 micrómetros de espesor, enfrentadas y termoselladas en sus bordes para definir un recipiente cerrado y también en el interior para definir canales interiores de circulación.

La solicitud internacional WO2008/151376 trata de un fotobiorreactor para el cultivo continuo de organismos fotosintéticos empleando iluminación artificial, que comprende al menos un fotobiorreactor y una fuente de radiación electromagnética, donde dicha fuente es un diodo que comprende una película emisora de naturaleza orgánica o polimérica. Y donde el material está fabricado en material polimérico (preferentemente polietileno) . El biorreactor incluye entradas para el agua y medio de cultivo en la parte superior, y salidas en la inferior. El aparato está contenido dentro de una estructura opaca a la luz solar.

Los sistemas de producción de microalgas que se acaban de describir son costosos, encareciendo la producción de la biomasa algal y determinando un nivel de costo que excluye su uso para su transformación en biocombustible o para la producción de cualesquiera otros productos de bajo valor, por lo que se plantea la necesidad de encontrar nuevos diseños y nuevas alternativas que integren una alta productividad a un coste reducido, puesto que entre el 75% y el 85% de la inversión necesaria para el cultivo de microalgas a la intemperie se deriva del coste del fotobiorreactor.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve el problema técnico y de costes planteado, por medio de un fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, tales como microalgas y/o cianobacterias, incrementando la eficiencia de cultivo y mejorando el coste de producción respecto de los sistemas conocidos en el estado de la técnica.

El fotobiorreactor de la invención comprende al menos un recinto de cultivo adaptado para ser recorrido por un cultivo de microorganismos fotoautótrofos, permitiendo el acceso del cultivo a la luz, y un tanque conectado a dicho recinto por medio de primeras conducciones por las que circula el cultivo desde el tanque hacia el recinto, así como segundas conducciones por las que retorna el cultivo desde el recinto al tanque, según un circuito cerrado.

El recinto está elaborado a partir de dos láminas de material plástico polimérico flexible, que puede ser transparente o translúcido, cuya fijación entre sí por termosellado define una pluralidad de canales paralelos por los que circula el cultivo, estando dichos canales comunicados entre sí, constituyendo un único conducto en zig-zag. Materiales adecuados para el recinto son, por ejemplo, entre otros, polietileno, tanto de alta densidad como de baja densidad, poliestireno, polipropileno, acetato de polivinilo, y poliuretano, siendo especialmente idóneo el polietileno de baja densidad, debido a su reducido coste.

El recinto está indicado para su disposición a la intemperie, de modo que el cultivo que circula en el interior de dicho recinto está expuesto a la radiación solar. La orientación del recinto será preferentemente la que permita el mejor aprovechamiento de la radiación solar a lo largo del período de funcionamiento. El aprovechamiento de la radiación solar supone un ahorro energético y de costes de operación del fotobiorreactor, puesto que no es necesario disponer equipos de iluminación artificial (lámparas) . En cualquier caso, no existe impedimento para que el recinto funcione en interiores y/o sea irradiado mediante lámparas.

En lo sucesivo, denominaremos longitud del recinto a la dimensión en la dirección longitudinal, que es la de los canales que definen el conducto en zigzag.

El recinto está adaptado para ser suspendido, de modo que la dirección de altura de dicho recinto coincide sustancialmente con la dirección vertical, y la dirección longitudinal antes mencionada coincide sustancialmente con una dirección horizontal. De manera preferente, el recinto está adaptado para ser suspendido de una barra horizontal soportada por una estructura soporte.

Cuando los canales se encuentran ocupados por el cultivo configuran preferentemente una sección circular o semicircular.

El espesor del recinto (la dimensión en la dirección mutuamente perpendicular a la altura y la longitud) debe ser preferentemente lo mayor posible, siempre que se garantice la adecuada iluminación de dicho recinto. En este sentido, los canales presentan de manera preferente una anchura comprendida entre 5 y 20 cm.

La altura del recinto está preferentemente limitada a dos metros, debido a consideraciones...

R E I V I N D I CA C I O N E S

1. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, que comprende:

- al menos un recinto (1) de cultivo, adaptado para ser recorrido por un cultivo (2) de microorganismos fotoautótrofos y que permite el acceso de la luz al cultivo (2) , que comprende dos láminas de material plástico polimérico flexible, que es ser transparente o translúcido, cuya fijación entre sí por termosellado define una pluralidad de canales (6) paralelos adaptados para alojar el cultivo (2) , presentando dichos canales (6) sendas aberturas (7) en extremos alternos, de manera que cada canal (6) está comunicado con el canal (6) o los canales (6) contiguos, constituyendo un único conducto en zigzag para ser recorrido por el cultivo (2) , donde el recinto (1) está adaptado para ser suspendido; y

- un tanque (3) , para alojar y homogeneizar el cultivo (2) ; dicho tanque

(3) está conectado al recinto (1) mediante primeras conducciones (4) adaptadas para conducir el cultivo (2) desde el tanque (3) hacia el recinto (1) , así como dispone también de segundas conducciones (5) adaptadas para conducir de vuelta al tanque (3) el cultivo (2) desde el recinto (1) , según un circuito cerrado; caracterizado porque comprende adicionalmente unos medios de impulsión (10) , dispuestos entre el tanque (3) y el recinto (1) , para impulsar, en contra de la gravedad, el cultivo (2) desde el tanque (3) hacia el recinto (1) a través de las primeras conducciones (4) .

2. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende una pluralidad de recintos (1) conectados a un tanque (3) .

3. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los canales (6) presentan una forma tal que, llenos de cultivo (2) , presentan una sección circular o semicircular.

4. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 3, caracterizado porque los canales (6) presentan una anchura comprendida entre 5 y 20 cm.

5. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el recinto (1) posee una altura no superior a dos metros.

6. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5, caracterizado porque el recinto (1) presenta una relación longitud/altura comprendida entre la unidad y el triple de la unidad.

7. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el recinto (1) presenta propiedades mecánicas, de transmisión de luz, de resistencia a la degradación solar y a los ataques químicos, así como termoaislantes, adecuadas para ser dispuesto a la intemperie.

8. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 7, caracterizado porque el tanque (3) presenta propiedades mecánicas, de resistencia a la degradación solar y a los ataques químicos, así como termoaislantes, adecuadas para ser dispuesto a la intemperie.

9. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el tanque (3) incorpora además unos primeros medios de control (11, 12, 13) , para mantener la temperatura del cultivo (2) en el tanque (3) dentro de unos niveles de temperatura adecuados a la especie de microorganismos fotoautótrofos cultivados.

10. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque los primeros medios de control (11, 12, 13) comprenden:

- un intercambiador (11) de calor para aportar o retirar calor del tanque (3) ;

- al menos una primera sonda (12) para captar valores de temperatura del cultivo (2) en sendos puntos del tanque (3) ; y

- una primera unidad de control (13) adaptada para recibir los valores de temperatura del cultivo (2) desde la sonda de temperatura y comandar el funcionamiento del intercambiador (11) en función de dichos valores de temperatura recibidos.

11. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el tanque (3) incorpora además unos medios de alimentación (31, 15) , para proporcionar los compuestos necesarios para cultivar los microorganismos fotoautótrofos, dichos medios de alimentación (31, 15) comprenden:

- una tercera entrada (31) para aportar al tanque (3) agua (dulce o salada, según los casos) , macro y micronutrientes, y, en su caso, un inóculo de un microorganismo fotoautótrofo para comenzar el cultivo (2) ; y

- una válvula (15) solenoide para aportar CO2 en la parte inferior del recinto (1) , donde el fotobiorreactor adicionalmente incorpora unos segundos medios de control (13, 14) que comprenden al menos una segunda sonda (14) conectada con la válvula (15) de adición de CO2, y con una segunda unidad de control (13) , dicha segunda unidad de control (13) está adaptada para recibir los valores de pH medidos en el cultivo (2) por la segunda sonda (14) y comandar la adición de CO2 desde la válvula (15) en función de dichos valores de pH

recibidos.

12. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el tanque (3) incorpora además unos terceros medios de control (13, 16, 17) para controlar el oxígeno disuelto en el cultivo (2) , que comprenden al menos una tercera sonda (16) , para determinar la concentración de oxígeno disuelto existente en el cultivo (2) ; unos medios de desorción (17) , adaptados para desorber oxígeno disuelto en el cultivo (2) del tanque (3) , provocando la transformación del oxígeno disuelto en burbujas de oxígeno, y una tercera unidad de control (13) conectada a los medios de desorción (17) y a la tercera sonda (16) , adaptada para recibir los valores de concentración de oxígeno disuelto desde la tercera sonda (16) y comandar el funcionamiento de los medios de desorción (17) en función de dichos valores de concentración de oxígeno recibidos.

13. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque los medios de desorción (17) son burbujeadores (17) dispuestos en el fondo del tanque (3) .

14. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con las reivindicaciones 10, 11 y 12, caracterizado porque la unidad de control (13) es común a los primeros medios de control (11, 12, 13) , a los segundos medios de control (13, 14) y a los terceros medios de control (13, 16, 17) .

15. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque incorpora adicionalmente una estructura soporte para soportar una barra (8) de la que está suspendido el recinto (1) .

16. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque la estructura soporte comprende dos elementos (18, 26) poligonales dispuestos paralelamente, compuestos cada uno por perfiles (19, 20, 27, 28, 29) , donde uno de los perfiles (19, 27) está dispuesto sobre el suelo, mientras que otros perfiles (20, 29) están adaptados para soportar al menos una barra (8) dos son segundos perfiles (20) fijados al primer perfil (19) por encima de dicho primer perfil (19) , así como los segundos perfiles (20) están fijados entre sí en un punto lo suficientemente lejano de sus extremos libres como para permitir apoyar la barra (8) .

17. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque la estructura soporte comprende unos primeros elementos (18) triangulares que comprenden:

- un primer perfil (19) dispuesto sobre el suelo, y

- dos segundos perfiles (20) fijados al primer perfil (19) por encima de dicho primer perfil (19) , dichos segundos perfiles (20) están fijados entre sí en un punto lo suficientemente lejano de sus extremos libres como para permitir apoyar la barra (8) que soporta el recinto (1) .

18. Fotobiorreactor para cultivar microorganismos fotoautótrofos, de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque la estructura soporte comprende unos segundos elementos (26) cuadrangulares que comprenden:

- un tercer perfil (27) dispuesto sobre el suelo,

- dos cuartos perfiles (28) fijados uno en cada extremo del tercer perfil (27) , por encima de dicho tercer perfil (27) , y

- un quinto perfil (29) fijado en sus extremos a los cuartos perfiles (28) , de modo que al menos una barra (8) es fijable sobre el quinto perfil (29) , mediante unos medios de fijación (30) adecuados, para suspender de dicha barra (8) el recinto (1) .