Proceso para la producción de biomasa y productos derivados de ella mediante cultivo de algas unicelulares en medio acuoso alimentado con una corriente de CO2, y planta diseñada para tal fin.

Proceso para la producción de biomasa y productos derivados de ella mediante cultivo de algas unicelulares en medio acuoso alimentado con una corriente de CO2,

y planta diseñada para tal fin.

La presente invención se refiere a un proceso que comprende cultivar algas unicelulares en medio acuoso dentro de un conjunto de fotobiorreactores con inyección de una corriente de gases que contiene CO2, caracterizado porque comprende además acumular el cultivo de algas unicelulares tras su extracción, y someter dicho cultivo a sucesivas etapas de tratamiento por las cuales se obtiene biomasa con un grado de humedad comprendida entre 50% y 90% (extracción mecánica y/o química), y posteriormente de esta biomasa se extraen lípidos y/o ácidos grasos y un primer rechazo (decantación y/o cavitación), bioaceite y/o biocrudo y un segundo rechazo (licuefacción térmica directa de baja temperatura) y biocombustible (cavitación, decantación y/o tratamiento térmico); de tal forma que los diferentes rechazos son almacenados, tratados físico-químicamente y reincorporados al proceso como materia prima. Asimismo, la invención se refiere a una instalación de fotobiorreactores diseñada para tal fin, que comprende cámaras separadas para cada método de extracción de biomasa y productos, y de almacenamiento de los rechazos.

Proceso para la producción de biomasa y productos derivados de ella mediante cultivo de algas unicelulares en medio acuoso alimentado con una corriente de CO2, y planta diseñada para tal fin

Campo de la invención La presente invención se engloba en el campo de la Biotecnología moderna aplicada a las algas, concretamente de la Ficotecnología. Más concretamente, se engloba en el área de desarrollo de tecnologías limpias de depuración y captura de gases nocivos ó gases de efecto invernadero, así como en el de producción de biomasa a partir de algas unicelulares, para la fabricación industrial de productos elaborados y energéticos de consumo. La aplicación principal se centra en la transformación de gases de efecto invernadero, en especial de CO2, en biomasa mediante el cultivo (ultraintensivo) de determinadas especies de algas unicelulares, incluso de varias cepas diferentes a la vez en monocultivo, en sistemas cerrados como son los fotobiorreactores verticales anulares. Esto permite obtener a partir de la biomasa otros productos que se incorporan a la cadena alimenticia, básicamente lípidos y proteínas, antes de la obtención final de biocombustible.

Se pretende de esta forma alcanzar un proceso eficiente energéticamente, así como evitar la emisión de contaminantes líquidos y gaseosos al medio ambiente.

Estado de la técnica Se ha constatado en la actualidad que las necesidades energéticas medias a nivel mundial han pasado de 2300 kcal/día por persona en 1980, a 2800 kcal/día por persona en el año 2010. Y la estimación es llegar a 3100 kcal/día por persona en 2030. Todo ello, sumado al aumento de población que se está registrando, nos hace movernos en la búsqueda de alternativas que puedan complementar los sistemas tradicionales de la cadena alimentaria.

Paralelamente, crece la preocupación por el adelgazamiento de la capa de ozono y por la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, entre ellos los más importantes el CO2 y el CH4. Finalmente, la era post petróleo está cada vez más cerca y por ello se trabaja en las búsqueda de alternativas energéticas eficaces y no dependientes en gran parte de las condiciones climatológicas.

Las algas unicelulares no compiten con ningún alimento de primera necesidad actual, su capacidad de reproducción es asombrosa y solo necesitan sol, algunos nutrientes y CO2 además de agua para su cultivo. Esta agua debe ser salada, por lo que tampoco se compite con las necesidades de agua potable de la población.

La solicitud de patente EP 2371940 A1 divulga un proceso y una instalación para la producción de biocombustible y la reducción de CO2 de fuentes puntuales de emisión. Para ello, emplea tubos no anulares de diámetro menor de 0, 1m y longitudes de hasta 80 metros. Esto no conduce a igualdad de condiciones de irradiación entre unos tubos y otros, dando lugar a un ratio superficie/volumen bajo, con lo que la producción de biomasa disminuye proporcionalmente. Además, el tratamiento de la biomasa obtenida en el proceso se hace de manera convencional, donde la obtención de compuestos y productos elaborados como el bioaceite o el biocombustible se realiza conjuntamente,

Este tipo de procesos, como el presentado en la solicitud EP 2371940 A1, requiere una etapa de secado entre las fases de separación de la biomasa y la de extracción de compuestos, lo que es ineficiente energéticamente.

El documento US 2008086938 A1 se centra en la descripción global del proceso de captura de CO2 y su posterior valorización en biocombustible. En este caso, también tras la obtención de biomasa se obtiene biocombustible en un único proceso.

La solicitud de patente internacional WO 2007147028 A2 habla del equipo necesario para capturar CO2 e introducirlo en fotobiorreactores, mencionando un proceso de separación, y describe una extracción de biomateriales final, si bien en las reivindicaciones solo se explican elementos constituyentes del sistema de captura de CO2 y de su introducción en los fotobiorreactores, así como las diferentes opciones de fotobiorreactores.

El documento ES 2370583 A1 divulga fotobiorreactores y depósitos de acumulación, sin mencionar el resto del proceso hasta la obtención de biomateriales.

La solicitud de patente US 4868123 A se refiere únicamente a los fotobiorreactores, pero no introduce las mejoras comentadas en la presente solicitud que lo hacen mucho más eficiente. Este documento se refiere únicamente a un tipo de fotobiorreactores para cultivo de microalgas con diferente funcionamiento al expuesto en la presente invención, no incluyendo sistema de limpieza ni posibilidad de todos los funcionamientos aire-agua, en paralelo y cruzado. Adicionalmente, no hace mención a ningún tipo de proceso posterior al cultivo de los microorganismos.

El documento ES 2356653 A1 describe una invención con fotobiorreactores cónicos y sumergidos en el interior de un tanque.

El documento US 2007048859 A1 incluye las fases de cultivo de microalgas desde la zona de cultivo con fotobiorreactores, la captura de CO2 y el posterior tratamiento de la biomasa hasta la obtención de un producto final basado en el biocombustible. Para ello, utiliza fotobiorreactores sin sistema de limpieza y en una única disposición, sistemas de secado convencionales y un único tratamiento termoquímico para la obtención del biocombustible sin procesos adicionales para obtención de productos de valor añadido. Todo ello está previsto sin ninguna combinación de especies ni de reutilización de rechazos.

A la vista de los documentos citados, la presente invención tiene por objeto mejorar la eficiencia de los procesos de obtención de biomasa a partir de algas unicelulares y de extracción de productos de valor añadido a partir de ella, mediante mejoras en la secuenciación de las etapas de obtención, separación y extracción, permitiendo realizar el proceso en húmedo, o la recuperación de los rechazos del proceso para su tratamiento y posterior reintroducción en las líneas de agua y gas, así como mediante mejoras en las instalaciones diseñadas para tal fin.

Descripción general de la invención La presente invención se refiere al procedimiento para la conversión integral de los gases nocivos, como son los de efecto invernadero, en productos con posterior aprovechamiento industrial en el sector energético y nutricional, a nivel tanto humano como de los animales, mediante el cultivo ultraintensivo de algas unicelulares y con aporte de agua de mar, dulce y/o salobre, luz solar y nutrientes, todo ello mediante ciclo cerrado y aprovechamiento de todos los excedentes en cada una de las etapas.

Concretamente, la invención está dirigida a un proceso para la producción de biomasa y productos derivados de ella mediante cultivo de algas unicelulares en medio acuoso alimentado con una corriente de CO2 en un conjunto de fotobiorreactores, que comprende:

inyectar al interior de los fotobiorreactores una corriente de agua de mar, salobre o dulce como medio de cultivo de las algas, enriquecida con nutrientes, microfiltrada y desinfectada previamente,

inyectar al interior de los fotobiorreactores una cepa de al menos una especie de algas unicelulares, y poner en contacto dicha cepa con la corriente de agua enriquecida en condiciones de luz para el crecimiento del cultivo mediante fotosíntesis;

inyectar al interior de los fotobiorreactores una corriente de gases que contiene CO2, caracterizado por que comprende además

extraer de los fotobiorreactores parte del cultivo de algas, almacenar en un depósito de acumulación y enviar a una unidad separada para extraer la biomasa mediante separación mecánica y/o química, de forma que la biomasa obtenida presenta un grado de humedad comprendido entre el 50% y el 90%;

Someter la biomasa húmeda en una unidad separada a decantación y/o cavitación para extraer parte de los lípidos y/o ácidos grasos y otros productos de valor añadido junto con un primer rechazo, pasando el resto de la biomasa a la siguiente etapa;

someter el resto de la biomasa procedente de la etapa anterior a licuefacción térmica directa de baja temperatura en una unidad separada para producir biocrudo y un segundo rechazo, todo ello a una temperatura comprendida entre 250ºC y 350ºC y una presión comprendida entre 150 y 210 bar, incluidos ambos límites, durante un tiempo comprendido entre 1 y 120 minutos;

recuperar los rechazos tanto de la etapa de extracción de lípidos, ácidos grasos y otros productos de valor añadido como de la etapa posterior de tratamiento termoquímico en condiciones subcríticas, almacenar en cámaras separadas cada rechazo y someter a tratamiento físico-químico basado en adecuación... [Seguir leyendo]

1. Proceso para la producción de biomasa y productos derivados de ella mediante cultivo de algas unicelulares en medio acuoso alimentado con una corriente de CO2 en un conjunto de fotobiorreactores, que comprende:

inyectar al interior de los fotobiorreactores una corriente de agua de mar, salobre o dulce como medio de cultivo de las algas, enriquecida con nutrientes, microfiltrada y desinfectada previamente,

inyectar al interior de los fotobiorreactores una cepa de al menos una especie de algas unicelulares, y

poner en contacto dicha cepa con la corriente de agua enriquecida en condiciones de luz para el

crecimiento del cultivo mediante fotosíntesis;

inyectar al interior de los fotobiorreactores una corriente de gases que contiene CO2,

caracterizado por que comprende además extraer de los fotobiorreactores parte del cultivo de algas, almacenar en un depósito de acumulación y enviar a una unidad separada para extraer la biomasa mediante separación mecánica y/o química, de forma que la biomasa obtenida presenta un grado de humedad comprendido entre el 50% y el 90%; Someter la biomasa húmeda en una unidad separada a decantación y/o cavitación para extraer parte de los lípidos y/o ácidos grasos y otros productos de valor añadido junto con un primer rechazo, pasando el resto de la biomasa a la siguiente etapa; someter el resto de la biomasa procedente de la etapa anterior a licuefacción térmica directa de baja temperatura en una unidad separada para producir biocrudo y un segundo rechazo, todo ello a una temperatura comprendida entre 250ºC y 350ºC y una presión comprendida entre 150 y 210 bar, incluidos ambos límites, durante un tiempo comprendido entre 1 y 120 minutos; recuperar los rechazos tanto de la etapa de extracción de lípidos, ácidos grasos y otros productos de valor añadido como de la etapa posterior de tratamiento termoquímico en condiciones subcríticas, almacenar en cámaras separadas cada rechazo y someter a tratamiento físico-químico basado en adecuación de salinidad, ph, microfiltración, desinfección y adición de nutrientes, para posterior reintroducción en el cultivo.

2. Proceso según la reivindicación anterior, donde cada uno de los rechazos se almacena en una unidad separada en continua agitación y con aireación o con mezcla de aire y CO2 antes de su reincorporación.

3. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la corriente de gases es una corriente de CO2 o una mezcla de gases que proviene de un proceso de combustión.

4. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la corriente de gases se enfría, lava, se comprime y se separa el CO2 del resto de gases previamente a su introducción en los fotobiorreactores,

5. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la corriente de gases se mezcla con aire comprimido antes de su introducción en los fotobiorreactores.

6. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la corriente de gases se inyecta al interior del fotobiorreactor radialmente y de manera discontinua, en pulsos de duración comprendida entre 1 y 3600 segundos a intervalos de tiempo comprendidos entre 1 y 3600 segundos, incluidos ambos límites.

7. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la corriente de gases se inyecta en una cantidad comprendida entre 0.2 m3 /m3 de cultivo y 2 m3 /m3 de cultivo.

8. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los nutrientes con los que se enriquece la corriente de agua son macronutrientes, micronutrientes y/o elementos traza, en un porcentaje comprendido entre 10% y 30% en peso de la biomasa obtenida.

9. Proceso según la reivindicación anterior, donde los nutrientes son seleccionados entre sales nitrogenadas como nitrato y amonio, fosfatos y cualquier combinación de los mismos.

10. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la corriente de agua se hace girar en el interior de los fotobiorreactores en sentido contrario al de inyección de la corriente de gas cuando ambas se ponen en contacto.

11. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se mantiene el cultivo en el interior de los fotobiorreactores a una temperatura comprendida entre 5ºC y 45ºC.

12. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se mantiene el cultivo de algas en el interior de los fotobiorreactores hasta alcanzar una concentración comprendida entre 100 millones de células/ml y 600 millones de células/ml.

13. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se extrae del fotobiorreactor una cantidad de cultivo diaria comprendida entre 2% y 50% del volumen total del interior de los fotobiorreactores.

14. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la separación mecánica para obtener la biomasa del cultivo se realiza mediante uno de los procesos seleccionados dentro del grupo compuesto por centrifugación, súper-centrifugación, decantación y/o filtración, y la separación química se realiza mediante floculación.

15. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se recoge una espuma que se forma en la capa superior de la corriente de agua en el interior del fotobiorreactor como consecuencia de la reintroducción al mismo del rechazo tratado, dicha espuma conteniendo biomasa y/o nutrientes en un porcentaje comprendido entre 1% y 5% del total del volumen existente en los fotobiorreactores.

16. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la cepa de las algas es seleccionada dentro del grupo compuesto por cianobacterias, clorofíceas, rodofíceas, eustigmatificeas, diatomeas, dinofíceas, bacialaroficeas, xantofíceas y faeoficeas y cualquier combinación de las mismas.

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17. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, el biocrudo se somete a cavitación, decantación, prensado y/o tratamiento térmico en una unidad separada para obtener biocombustible y un rechazo.

18. Proceso según la reivindicación anterior, donde el rechazo que se obtiene junto al biocombustible se conduce hasta una unidad de almacenamiento en continua agitación y con aireación o con mezcla de aire y CO2, y se somete a tratamiento físico-químico basado en adecuación de salinidad, ph, microfiltración, desinfección y adición de nutrientes, para posterior reintroducción en el cultivo.

19. Una planta de producción de biomasa y productos derivados de ella mediante cultivo de al menos una especie de algas unicelulares en medio acuoso alimentado con una corriente de gases que contiene CO2 en un conjunto de fotobiorreactores de acuerdo con el proceso descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende:

al menos una unidad de captación, almacenamiento e inyección de la corriente de agua de mar, dulce y/o salobre conectada a una unidad de inyección de nutrientes a dicha corriente antes de la entrada a los fotobiorreactores, y a una unidad de microfiltrado y de desinfección; al menos una unidad de captación, almacenamiento e inyección de la corriente de gases que contiene CO2 al interior de los fotobiorreactores;

estando ambas unidades conectadas a un conjunto de dos o más fotobiorreactores del tipo anular vertical y circular conectados entre sí para la producción de biomasa mediante el cultivo de al menos una especie de algas unicelulares;

caracterizado por que comprende además medios de extracción de una parte del cultivo del interior de los fotobiorreactores y un depósito de acumulación del mismo, conectado a una unidad de extracción mecánica y/o a una unidad de extracción química de la biomasa en húmedo; una unidad de extracción de lípidos y/o ácidos grasos y/u otros productos de valor añadido mediante cavitación, decantación y/o disolución de la biomasa, conectada a una unidad de tratamiento termoquímico para la producción de biocrudo mediante licuefacción térmica directa de baja temperatura, a partir de la biomasa sobrante en la unidad de extracción de lípidos y/o ácidos grasos y/o otros productos de valor añadido, una cámara de almacenamiento del primer rechazo producido en la unidad de extracción mecánica y/o en la cámara de extracción química, con medios de recirculación de dicho rechazo a la unidad de inyección de la corriente de agua al interior de los fotobiorreactores tras su acondicionamiento en el interior de la cámara de almacenamiento; y una cámara de almacenamiento del segundo rechazo producido en la unidad de extracción de lípidos y/o ácidos grasos y/o productos de valor añadido y en la unidad de tratamiento termoquímico, con medios de recirculación de dicho rechazo a la unidad de inyección de la corriente de agua al interior de los fotobiorreactores tras su acondicionamiento en el interior de la cámara de almacenamiento.

20. La planta según la reivindicación anterior, donde las unidades de almacenamiento del permeado y del rechazo comprenden medios de agitación y medios de aireación o de inyección de aire y CO2 al interior.

21. La planta según una cualquiera de las reivindicaciones 19 ó 20, que comprende además una unidad de inyección de aire comprimido conectada a la unidad de captación, almacenamiento e inyección de la corriente de gases que contiene CO2 antes de la entrada en los fotobiorreactores.

22. La planta según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21, donde cada fotobiorreactor comprende además una electrobomba que hace girar la corriente de agua en sentido contrario al de inyección de la corriente

de gas cuando ambas se ponen en contacto dentro de los fotobiorreactores.

23. La planta según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 22, que comprende de 2 a 5000 fotobiorreactores.

24. La planta según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 22, donde los fotobiorreactores están constituidos por un tubo exterior y otro interior que delimitan un espacio entre ellos donde se inyectan las corrientes de agua y de gas y donde se cultivan las algas, estando dicho espacio dividido en secciones longitudinales de número impar desde 1 hasta 9, y siendo el paso de luz en el interior de los tubos inferior a 5 cm.

25. La planta según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 22, donde el conjunto de los fotobiorreactores se configura en tres zonas definidas del siguiente modo:

- una zona de mezcla de la corriente de gases, la corriente de agua y una cepa de las algas a cutlivar, que está constituida por un grupo de fotobiorreactores; conectada a

- una zona de crecimiento del cultivo de las algas, que está constituida por un segundo grupo de fotobiorreactores; y

- una zona de extracción del cultivo del interior de los fotobiorreactores, que está constituida por un tercer grupo de fotobiorreactores.

26. La planta según una cualquiera de las reivindicaciones 24 ó 25, donde los fotobiorreactores comprenden además un dispositivo automático de limpieza de las paredes de los tubos que delimitan el espacio entre el tubo interior y el tubo exterior, estando dicho dispositivo de limpieza constituido por un rascador elastomérico cuya planta se corresponde con el perfil del espacio entre los tubos y un grosor comprendido entre 2 y 5 cm, con un orificio pasante central que presenta una sección inferior de forma troncocónica y una superior de forma cilíndrica presentando en conjunto el orificio una forma de embudo invertido; y una esfera de material plástico de diámetro mayor al diámetro de la sección cilíndrica del orificio, que se desplaza en el espacio definido por la sección inferior troncocónica del orificio pasante.

27. La planta según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 26, donde los fotobiorreactores comprenden además un tubo translúcido concéntrico que recubre la pared externa del tubo exterior.

28. La planta según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 27, donde los fotobiorreactores comprenden además medios de recogida de una espuma que se forma en la capa superior de la corriente de agua, que consiste en una canalización superior en el fotobiorreactor, y medios de conducción de dicha espuma al depósito de acumulación del cultivo extraído del fotobiorreactor, que son tuberías y electrobombas.

29. La planta según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 28, donde los fotobiorreactores comprenden en su parte superior medios de captación del CO2 excedente no consumido por el cultivo de algas y medios de conducción de dicho gas excedente a la unidad de captación e inyección de gases al interior de los fotobiorreactores.

30. La planta según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 29, donde los fotobiorreactores están conectados entre sí por tuberías enterradas en el terreno donde se asienta la planta, siendo la corriente de agua con el cultivo impulsada de un fotobiorreactor a otro por la electrobomba.

31. La planta según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 30, donde los fotobiorreactores comprenden medios de control de la temperatura y bombas de calor del tipo condensadas por aire, por agua y/o geotermales, para mantener dicho parámetro entre 5ºC y 45ºC.

32. La planta según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 31, que incorpora medios de limpieza y desinfección en línea en la red de tuberías y electrobombas encargadas de los procesos de reposición y extracción del cultivo de los fotobiorreactores así como en los procesos de recuperación de rechazos y de intercambios en los diferentes depósitos, siendo dichos medios de limpieza y desinfección seleccionados dentro del grupo formado por rayos ultravioleta, filtros de carbón activo y/o ozonización.

33. La planta según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 32, que comprende además una cámara de acumulación de los rechazos almacenados y tratados, que se encuentra conectada en su entrada a la salida de las dos cámaras de almacenamiento y tratamiento del primer y segundo rechazo, y en su salida a los medios de inyección de la corriente de agua al interior de los fotobiorreactores.

34. La planta según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 33, que comprende además medios de recogida de lixiviados y vertidos formados por medios de conducción y medios de bombeo hasta los medios de inyección de la corriente de agua de mar, dulce y/o salobre al interior del fotobiorreactor.

35. La planta según la reivindicación anterior, donde los medios de recogida de lixiviados y vertidos están conectados a la cámara de acumulación de los rechazos tratados, donde se almacenan con el resto de rechazos

antes de ser conducidos a los medios de inyección de la corriente de agua al interior de los fotobiorreactores.

36. La planta según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 35, que comprende medios de control del proceso formados por sensores, caudalímetros, electroválvulas y elementos comunes de un sistema SCADA.