Sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos.

Sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos.

El sistema incluye reactores (1, 2, 3) con diferentes volumetrías conteniendo un medio de cultivo y suspendidos por pares (1,1), (2,2), (3,3) en unidades de soporte (16). Los reactores de un mismo par (1,1), (2,2) o (3,3) con igual paso óptico y previstos a un mismo nivel. Cada par de reactores situado a nivel distinto en la unidad de soporte (16) y creciente el paso óptico en relación al ascenso del nivel. Los pares de reactores (1,1), (2,2), (3,3) a un mismo nivel en las unidades de soporte (16) están comunicados por una conducción (18), (21). También incluye un inyector de gases automatizado, un difusor y reservorios herméticos.

Sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos.

AMBITO TECNICO

La invención se refiere a un sistema con reactores de paso óptico diferenciado que ha sido diseñado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, y está particularmente, pero no exclusivamente, prevista para el cultivo de microalgas y, de manera específica para el cultivo de nanoalgas y picoalgas, de diámetros celulares comprendido entre 20.0 y 2.0 µm las primeras y menores de 2.0 µm las segundas, con la finalidad de obtener altas cantidades de biomasa, siendo su principal fuente de carbono los gases de efecto invernadero (CO2, CO, CH4, hidrocarburos de baja densidad, componentes azufrados y nitrogenados) de origen entrópico. Los microorganismos para el cultivo se prefieren escogidos de las familias taxonómicas Chlorophyceae, Prasinophyceae, Eustigmatophyceae, Dinophyceae, Bacilliariophyceae, Haptophycea, Chr y ptophyceae, aunque no se excluye la utilización de otros organismos fitoplanctónicos o zooplanctónicos. Las especies unicelulares y pluricelulares del reino Procariota, división Cyanophyta pueden ser igualmente cultivadas en este tipo de bioreactores.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Las microalgas son organismos celulares ubicuos que pueden crecer de manera autótrofa y heterótrofa. Precisan de CO2, N2, P, K, Mg y otros nutrientes para su crecimiento, fijando la energía solar y el CO2 para producir biomasa, de la que es posible aislar diferentes metabolitos para ser usados en la alimentación, farmacia y otras aplicaciones industriales, como la obtención de biocombustibles de segunda generación.

Esta conocida biotecnología utiliza reactores para el cultivo de los microorganismos fotosintéticos, en los cuales se mantiene un ambiente biológicamente activo para optimizar la tasa de crecimiento del cultivo. Estas unidades productivas, comúnmente denominadas reactores, bioreactores o foto-bioreactores, requieren de agitación del cultivo, exposición a la luz, natural o artificial, y de períodos de sombra para que la fotosíntesis sea realizada e incluyen medios de alimentación, evacuación y de circulación del líquido en los recintos que los configuran, además de medios que facilitan la aireación y la inyección de gases contaminantes y, en su caso, de automatismos de control que regulan el cultivo. Todo ello con el fin de que se produzcan los procesos químicos en los que están involucrados los organismos o las sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos, habida cuenta de que la optimización productiva exige, entre otros factores, la elección de la especie a cultivar, los ciclos de luz y de oscuridad, etc. El tiempo de permanencia de las células en zonas iluminadas y la frecuencia en que reciben iluminación no solo dependen de la trayectoria de la luz, sino además del mezclado del medio de cultivo. En un mismo reactor es posible establecer diferentes condiciones de mezclado para manipular el régimen de iluminación y así la capacidad de captación de fotones. De igual manera el medio de cultivo debe tener una composición específica que optimice el crecimiento de los microorganismos al menor costo, siendo el rango de temperaturas y la elección de la temperatura óptima, al igual que la acidez y salinidad, factores de consideración especial. Independientemente de la configuración del reactor y de alinear cuidadosamente las condiciones ambientales en el mismo con las necesidades de la cepa seleccionada, también es fundamental el suministro de nutrientes, incluido CO2.

Los reactores destinados al cultivo de microorganismos suelen ser construidos con materiales que dejan pasar la luz a fin de que en su interior pueda producirse la fotosíntesis. Estos receptáculos se construyen con vidrio, policarbonatos u otros materiales transparentes o traslúcidos, adoptando cualquier forma sensiblemente regular, aplanada, cilíndrica, prismática, entre otras formas. En ellos, las células reciben mayor energía luminosa, se aumenta la capacidad de captación de fotones y se aprovecha la energía radiante durante la fotosíntesis. A bajos niveles de intensidad luminosa la rapidez de la fotosíntesis aumenta con la intensidad de la luz aunque niveles de energía incidente superiores a un determinado valor inducen pequeños cambios en la capacidad de captación de fotones, dada la saturación del fotosistema que sobreviene en cada organismo, llegando a deteriorar el cultivo. Con el aumento del flujo de fotones, disminuye la eficiencia de utilización a la luz. La utilización de la luz natural solar, pese a representar una gran ventaja económica y medioambiental frente a la artificial, ofrece como inconveniente variaciones cíclicas de iluminación además de excesiva intensidad de radiación en las capas superficiales del cultivo. Hace muy pocos años que fueron introducidas técnicas de captación, concentración y redistribución de la luz solar en el cultivo, con cuya utilización se ha encarecido el proceso y reducida la eficiencia debido a pérdidas energéticas.

En un reactor con baja densidad celular o con una capa delgada de microorganismos se considera que, aproximadamente, todas las células atraídas y expuestas a la luz reciben la misma cantidad de luz, pero cuando se trata de cultivos con una elevada densidad celular, o con una capa de considerable amplitud, se producen otros fenómenos cuya sucesión obliga a que las células reciban una determinada cantidad de luz según su posición. Así, en los cultivos en reactores con cierta profundidad, aparece un gradiente de iluminación debido a la atenuación de la energía al atravesar la suspensión celular. Además, se produce una dilución de la luz por la sombra que proyectan unas células sobre otras, de modo que la posición de las células en cada instante determina la intensidad de luz a la que están expuestas y, por tanto, se inhibe o limita la fotosíntesis. Así disminuye la producción de cultivo en las zonas de sombra, por lo que resulta conveniente seleccionar de forma adecuada el tamaño o la forma de los reactores, aunque, típicamente, en un sistema de cultivo todos los reactores se prefieren de igual forma o de un mismo tamaño, pretendiendo de esta manera que la producción final obtenida en ella sea alta.

Mención especial merece el espacio recorrido por la luz en el reactor. La distancia transversal que debe recorrer un fotón para atravesar un reactor es denominada “paso óptico”. Su magnitud se determina atendiendo al tipo de reactor, por

ejemplo en un reactor de placas es determinada por la separación entre las mismas y en un reactor tubular por el diámetro del tubo. Incrementar el paso óptico implica reducir el volumen iluminado en relación al volumen no iluminado en el reactor, debido a que en todos los sistemas de cultivo las células más cercanas a la superficie iluminada impiden la penetración de la luz hacia el seno del medio de cultivo y producen un efecto de sombreado sobre las células más alejadas de la superficie. Diversos ensayos coinciden en que al reducir la trayectoria de la luz se obtiene un aumento significativo de la densidad celular óptima y de la velocidad especifica de crecimiento.

Algunos microorganismos fotosintéticos requieren ambientes diferentes para el crecimiento vegetativo y para la producción de biomasa. Típicamente, tal y como es ejemplificado en las patentes US 5882849 y US 6022701, suele establecerse un proceso productivo de dos fases, comprendiendo, en la primera fase, condiciones ambientales óptimas para el crecimiento vegetativo y, en la segunda fase, manteniendo condiciones estresantes para la producción de biomasa. Dado que las fases se organizan por separado, estas técnicas de cultivo requieren grandes espacios y cuantiosos costes de instalación y mantenimiento, además de personal cualificado, por lo que no pueden aplicarse eficientemente para la obtención de biomasa a partir de microorganismos fotosintéticos.

En WO 2005059087 se describe un foto-bioreactor de múltiples capas que simplifica el cultivo de un microorganismo fotosintético y economiza la obtención de metabolitos útiles aplicando la misma fuente de luz al mismo tiempo para ambas etapas. El foto-bioreactor incluye una primera zona de cultivo que contiene a los microorganismos en un medio de cultivo apto para favorecer su desarrollo vegetativo y una segunda zona de cultivo formada sobre la superficie lateral de la primera zona de cultivo que delimita estrechamente un lado de la primera zona y contiene un medio de cultivo y microorganismos para la producción del metabolito. Las dos zonas de cultivo están separadas entre sí por un tabique transparente para permitir el paso de la luz, lo que dificulta su manejabilidad.

Por...

1. Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, que incluye reactores (1, 2, 3) con diferentes volumetrías conteniendo un medio de cultivo para procurar el crecimiento de al menos un microorganismo contenido en dicho medio de cultivo, una conducción (21) del cultivo en el sistema y una conducción (18) independiente de inyección de gases, caracterizado porque comprende una pluralidad de unidades de soporte (16) de reactores y cada unidad de soporte (16) de reactores es proporcionada con pares de reactores (1, 1) , (2, 2) , (3, 3) incorporados a un mismo nivel en la unidad de soporte (16) y los pares de reactores (1, 1) , (2, 2) , (3, 3) previstos a distintos niveles en las unidades de soporte (16) .

2. Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 1, caracterizado porque los pares de reactores (1, 1) , (2, 2) , (3, 3) dispuestos a un mismo nivel en las unidades de soporte (16) se proporcionan con igual paso óptico, siendo crecientes las magnitudes de paso óptico de los pares de reactores (1, 1) , (2, 2) , (3, 3) en correspondencia con la situación ascendente de los diferentes niveles en la unidad de soporte (16) , de mejor exposición a la luz natural.

3. Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque los reactores (1, 2, 3) están montados suspendidos en cada unidad de soporte (16) para su libre oscilación.

4. Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los reactores (1, 1) , (2, 2) , (3, 3) montados a un mismo nivel en las unidades de soporte (16) se relacionan entre sí mediante al menos una conducción (18) , (21) común a todos ellos.

5. Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un inyector de gases automatizado que incluye un cilindro neumático principal (26) para la absorción e impulsión de los gases en la línea general y conectado un cilindro neumático auxiliar (28) que mueve a dicho cilindro principal (26) para reducir la presión en la conducción (18) de gases.

6. Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada uno de los reactores incluye un elemento difusor de aire, configurado como tubo (11) con ranuras y susceptible de ser recubierto por una malla microporosa, que se extiende longitudinal sobre el fondo de los reactores (1, 2, 3) .

7. Un sistema con reactores de paso óptico diferenciado para el cultivo masivo de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, en el que los ajustes de hermeticidad entre los extremos superiores o inferiores de los tubos concéntricos (34) y (35) que constituyen los cuerpos de los reservorios en el sistema y las ranuras (37) concéntricas que se extienden separadas entre sí en las tapas (36) que cierran superior e inferiormente los tubos (34) y (35) , incluyen aros de empuje (44) y (45) formados con una faja anular (46) de fijación a la tapa (36) y un reborde de empuje (48) que los caracteriza y provee una primera superficie (50) paralela al plano de empuje y una segunda superficie (51) oblicua al mismo, en correspondencia de deslizamiento y acoplamiento con las respectivas superficies, vertical (43) e inclinada (40) , proporcionadas en dichas ranuras (37) , que facilita su incidencia contra la junta (42) a presionar.