Sistema de carbonatación para cultivo de microalgas en reactores abiertos.

Sistema de carbonatación para cultivo de microalgas en reactores abiertos.

La presente invención se refiere a un sistema de carbonatación (suministro de CO2) para cultivo de microalgas en un reactor abierto, especialmente del tipo laguna agitada (raceways o high rate alge pond -HRAP-), que comprende un canal de flujo en el que se cultivan las microalgas y al menos un foso sin tabique deflector ubicado en el fondo del canal, caracterizado porque el foso tiene una anchura equivalente al ancho del canal de flujo y un largo comprendido entre la mitad y el doble del ancho del canal; y porque el sistema comprende al menos un dispositivo inyector del gas ubicado en la base del foso, junto a la pared contraria a la dirección de entrada de la corriente de agua en la base (fondo) del foso, de tal forma que la cara superior del dispositivo se encuentra a una distancia comprendida entre 0.5 y 1.5 m del fondo del canal de flujo. Asimismo, es objeto de la presente invención el método para suministrar CO2 en el reactor de tipo abierto, mediante el sistema aquí descrito y las diferentes aplicaciones del sistema.

SISTEMA DE CARBONATACIÓN PARA CULTIVO DE MICROALGAS EN REACTORES ABIERTOS

Campo de la invención La presente invención se engloba dentro del campo de la producción de microalgas, ya sea para el uso posterior de las mismas como en procesos de depuración de efluentes líquidos o gaseosos mediante su cultivo. En concreto la invención se enmarca en el área de los sistemas de carbonatación o aporte de CO2 para la producción de microalgas en reactores abiertos.

Estado de la técnica Las microalgas son microorganismos de gran utilidad ya que presentan aplicaciones beneficiosas en áreas tan diferentes como el tratamiento de aguas residuales, la producción de biocombustibles, la alimentación humana y animal, la reducción de gases de efecto invernadero, o la obtención de productos químicos de alto valor (Pulz y Gross, 2004) . Los cultivos de microalgas pueden alcanzar productividades muy superiores a los cultivos de plantas superiores, dando como resultado una mayor fijación de CO2 y una mayor cantidad de biomasa producida. Además, los cultivos de microalgas tienen menores necesidades de agua y no compiten con los cultivos tradicionales, puesto que no necesitan terrenos fértiles y pueden usar aguas con bajos parámetros de calidad, como aguas residuales y salmueras. En el caso del tratamiento de aguas residuales los cultivos de microalgas permiten reducir el consumo de energía de los tradicionales sistemas de fangos activos, además de suponer un mayor aprovechamiento de los nutrientes contenidos en el agua residual mediante su transformación en biomasa, evitando así su vertido y problemas medioambientales derivados tales como eutrofización, etc.

(Muñoz y Guieysse, 2006) .

Dentro de los sistemas de producción de microalgas existen principalmente dos clases diferenciadas, sistemas cerrados y sistemas abiertos. Los sistemas cerrados se caracterizan por aislar el fluido del ambiente exterior y estar menos expuestos a sus perturbaciones, mientras que los sistemas abiertos se caracterizan por tener una 30 mayor interacción o exposición con el ambiente y depender en mayor medida de las condiciones del mismo. Los sistemas abiertos (Oswald y Golueke, 1960) son los que han tenido un mayor éxito a nivel industrial por su menor coste aunque su uso se ha limitado a determinadas especies extremófilas por sus problemas de contaminación. Sin embargo, en la aplicación de tratamiento de aguas residuales, el control de la especie en cultivo no es tan determinante por lo que este tipo de reactores ha sido el más utilizado. Estos reactores abiertos se conocen como canales de oxidación o HRAP por las siglas en ingles de High Rate Algae Pond. Este tipo de reactores, aunque se ha descrito para su empleo en tratamiento de aguas residuales con microalgas, no ha sido adecuadamente optimizados incurriendo en numerosas ocasiones en la limitación por nutrientes o en el exceso de acumulación de oxígeno, factores que limitan su rendimiento.

Uno de los factores más limitantes en el cultivo de microalgas es la disponibilidad de carbono. Se asume que las microalgas necesitan 2 kg de CO2 por cada kilo de biomasa producida, por lo que es necesario aportarle todo este CO2 con el fin de evitar que los cultivos se encuentren limitados por este elemento, mediante métodos de carbonatación. Este gas puede aportarse como CO2 puro o como una mezcla de gases. Este último caso sería el de los gases de combustión, los cuales presentan contenidos variables de CO2 entre el 4% y 15% en función de 45 su procedencia. La inyección continua de gases de combustión en cultivos de microalgas hace que estos se desarrollen en condiciones ácidas disminuyendo su rendimiento y obteniéndose bajas eficiencias de uso del CO2, entre el 8.1% (Zhang, y col., 2001) y el 4.2% (Hu, y col., 1998) . La inyección a demanda sin embargo permite incrementar esta eficiencia de uso hasta el 32.8% en reactores abiertos (Doucha, y col., 2005) y el 50% en reactores cerrados (Camacho Rubio, y col., 1999) . Para aumentar dicha eficiencia de uso es necesario diseñar y

operar reactores optimizados con suministro de CO2 que no supongan una re-emisión de dicho CO2 a la atmósfera (Camacho Rubio, y col., 1999) . En los reactores abiertos habitualmente los gases son burbujeados en la parte baja del reactor, lo que supone que sólo un pequeño porcentaje del gas es utilizado eficientemente, siendo el resto disipado a la atmósfera. Para optimizar la eficiencia de uso del CO2 se ha propuesto la instalación de fosos, de mayor profundidad que el reactor, en los que se burbujea el gas (Figura 1, Estado de la técnica) .

Para maximizar la eficiencia de uso del CO2 los fosos se equipan con un tabique deflector que obliga al agua a descender, encontrándose en contracorriente el flujo de CO2.

El diseño de estos fosos se ha justificado en base a:

• Obtener un ratio L/G (líquido/gas) alto. Este ratio se considera fundamental para conseguir una eficiencia elevada de transferencia de CO2 en agua. Con la ayuda del deflector vertical se consigue vehicular todo el caudal L y mezclarlo efectivamente con el caudal de gas G. El caudal de líquido L suele ser habitualmente muy elevado gracias al movimiento horizontal producido por el sistema de mezcla, como puede ser por ejemplo un sistema Paddle wheel, por lo que este sistema es eficaz en 65 cuanto a la obtención de un ratio adecuado a la transferencia.

• Conseguir un tiempo de contacto elevado agua-burbuja: Para ello lo habitual ha sido el diseño contracorriente, como el representado en la Figura 1 que ilustra el Estado de la técnica, de forma que la corriente de agua descendente reduce la velocidad ascensional de la burbuja de aire y facilitar así su disolución. Mediante esta técnica se pretende al mismo tiempo reducir la altura del foso y evitar

costosas obras civiles. Es decir, el tiempo de permanencia de la burbuja en el agua es aumentado por la retención que provoca el agua. Con esta estrategia se diseñaban pozos con burbujas de tamaño medio 3-5 mm, con dispositivos de inyección no optimizados.

• Conseguir una altura suficiente que aumente la transferencia de CO2. Dado que la altura del líquido en los HRAP es de tan sólo 30 cm, insuficiente para una eficiencia en transferencia elevada, se han considerado necesarias alturas entre 1.3 y 2 m de altura para obtener transferencias adecuadas, teniendo en cuenta los dispositivos de inyección habitualmente utilizados.

Sin embargo, este diseño presenta una serie de inconvenientes importantes:

• alturas de foso elevadas, próximas a los 2 m, conllevan un aumento del coste de obra civil y problemas relativos a la operación;

• el tabique deflector representa un obstáculo en el flujo y crea una pérdida de carga elevada y por tanto un mayor consumo energético y velocidades de circulación reducidas;

• el tabique deflector elimina la componente vertical de velocidad (olas) que origina el sistema de

agitación. Este componente vertical se considera importante para una elevada productividad de las algas en el reactor, al favorecer la dispersión del medio líquido que está directamente relacionada con la exposición a la luz de las microalgas; y

• dificulta la utilización de gases de combustión en HRAP de gran superficie. Para reducir los costes de instalaciones industriales es importante construir reactores de un tamaño unitario elevado, superior a 25 3000-4000 m2/Ud, reduciendo de esta forma la instalación de tuberías, elementos de control, agitación e inyección de CO2. Poniendo por ejemplo el diseño de un reactor de 10.000 m2 (W=20 m x L=500 m) con un único foso de 10 m de ancho a continuación del sistema de agitación (Figura 2) y una productividad máxima de algas de 4 g/m2/h. Si se inyectan gases de combustión con un contenido de un 10% de CO2 se necesitan caudales de 450 m3/h para cubrir la demanda de CO2 (10 g de CO2/m2/h) . En un foso de 30 dimensiones 10x0.3 esto supondría un caudal de 700 l de gases/m de contactor/min y un valor aproximado de 25% de volumen de gas respecto al líquido, valor excesivamente alto para lo habitualmente aceptado para obtener una elevada transferencia gas/líquido (<10%; Sha, 1982) . La limitación de la inyección de gases en contracorriente vendría dada por el escaso número de fosos con deflector que se pueden instalar en este tipo de reactores (a mayor número de fosos menor velocidad

de circulación) . De modo que, según el estado del arte, las instalaciones de gran tamaño disponen de un único foso.

En resumen, la utilización de una corriente de gases de combustión como fuente de CO2 en un foso como los habitualmente utilizados produciría un exceso de caudal de gas por volumen de intercambiador, lo...

1. Un sistema de carbonatación mediante suministro de una corriente de gas que contiene CO2 para cultivo de microalgas en un reactor de tipo abierto que comprende.

5. al menos un canal de flujo (1) por el que discurre una corriente de agua en la que se cultivan las microalgas, provisto de una entrada (2) y una salida (3) , y

-al menos un foso (4) sin tabique deflector (10) ubicado en el fondo del canal de flujo (1) , estando dicho sistema caracterizado por que el foso (4) tiene una anchura equivalente al ancho del canal de flujo

(1) y un largo comprendido entre la mitad y el doble del ancho del canal (1) ; y por que comprende al menos un dispositivo (5) inyector del gas al interior del foso (4) ubicado en la base del mismo junto a la pared (6) contraria a la dirección de entrada de la corriente de agua, con una distancia desde la cara superior del dispositivo (5) por la que se inyecta el gas hasta el fondo del canal de flujo (1) comprendida entre 0.5 y 1.5 m incluidos ambos límites.

2. El sistema según la reivindicación anterior, donde la corriente de gas es una corriente de CO2 puro. 15

3. El sistema según la reivindicación 1, donde la corriente de gas es una corriente de gases de combustión.

4. El sistema según la reivindicación 3, donde la corriente de gas contiene CO2 en un porcentaje comprendido entre 4% y 20%, incluidos ambos límites.

5. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que es un sistema de tipo Canal de Flujo Rápido o un reactor de tipo High Rate Algae Pond.

6. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el foso (4) tiene una profundidad y un 25 largo comprendidos entre 0.5 m. y 1 m., incluidos ambos límites.

7. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el dispositivo (5) inyector se encuentra a una distancia comprendida entre 50 y 150 mm. de la pared (6) contraria a la dirección de entrada de la corriente de agua.

8. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el dispositivo (5) inyector de gas es un difusor de burbuja fina de membrana o cerámica.

9. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que incorpora en el fondo de cada foso (4) 3 35 dispositivos (5) inyectores de gas por metro de anchura de foso.

10. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que incorpora un dispositivo de agitación (8) de agua en el canal (1) .

11. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que presenta un interior cóncavo (9) en la pared (7) del foso (4) que se encuentra más cerca de la entrada (2) de agua al canal (1) .

12. El sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, donde las paredes (6, 7) del foso (4) situadas

a ambos lados del dispositivo (5) inyector presentan una inclinación comprendida entre 45º y 75º con respecto a 45 la horizontal.

13. Un método de carbonatación para suministrar una corriente de gas que contiene CO2 al interior de un reactor de tipo abierto para el cultivo de microalgas, mediante la aplicación del sistema descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que comprende la etapa de inyectar la corriente de gas que contiene el CO2 al interior del foso (4) mediante el dispositivo (5) inyector ubicado en la base del mismo junto a la pared (6) contraria a la entrada (2) de la corriente de agua y a una altura tal que la cara superior de dicho dispositivo (5) dista entre 0.5 y 1.5 m del fondo de canal de flujo (1) , manteniéndose el caudal de gas con un flujo volumétrico de CO2 entre 0.008 y 0.025 v/v/min y la velocidad de circulación de líquido entre 10 y 50 cm/s, hasta alcanzar una relación de caudales líquido/gas superior a 10.

14. El método de la reivindicación anterior, donde la relación líquido/gas está comprendida entre 20 y 30 cm/sg.

15. Uso del sistema descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 para el tratamiento de aguas residuales con sistemas mixtos microalgas-bacterias.

16. Uso del sistema descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 para la producción de algas con fines energéticos y de alimentación, o para la producción de compuestos de alto valor energético.

17. Uso del sistema descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 para depuración de gases 65 industriales mediante absorción de contaminantes presentes en dichos gases y posterior fijación biológica mediante la producción de microalgas. 9

FIG. 1

Longitud

FIG. 2

FIG. 3

FIG. 4FIG. 5