Fotobiorreactor en medio cerrado para el cultivo de microorganismos fotosintéticos.

Fotobiorreactor destinado al cultivo de microorganismos fotosintéticos,

preferentemente de microalgas, que comprende:

(a) por lo menos un recinto de cultivo (1) destinado a contener el medio de cultivo (3) de los microorganismos,

(b) unas células fotovoltaicas (2) aisladas del medio de cultivo (3) que emiten la luz hacia el medio de cultivo (3)

(c) unos medios de alimentación eléctrica (4) de las células fotovoltaicas (2) con el fin de hacer funcionar las células fotovoltaicas en modo de emisión de luz.

Fotobiorreactor en medio cerrado para el cultivo de microorganismos fotosintéticos.

La invención se refiere al cultivo intensivo y continuo de microorganismos fotosintéticos.

Las microalgas son unos organismos vegetales fotosintéticos cuyo metabolismo y crecimiento necesitan, entre otros, CO2, luz y nutrientes.

El cultivo industrial de microalgas conoce numerosas aplicaciones.

Las microalgas se pueden cultivar para valorizar y purificar las emisiones de dióxido de carbono, NOx y/o SOx de ciertas fábricas (WO 2008042919) .

El aceite extraído de las microalgas se puede utilizar como biocarburante (WO 2008070281, WO 2008055190, WO 2008060571) .

Las microalgas se pueden cultivar para la producción de omega-3 y de ácidos grasos poliinsaturados.

Las microalgas pueden también ser cultivadas para producir pigmentos.

El cultivo industrial de microalgas a gran escala utiliza el sol como fuente de luz. Para eso, frecuentemente se colocan las microalgas en estanques abiertos ("raceways") con o sin circulación (US 2008178739) . Se encuentran también unos fotobiorreactores tubulares o de placas, constituidos por materiales translúcidos, que permiten el paso de los rayos luminosos en el medio de cultivo y en los que circulan las microalgas (FR 2 621 323) . Otros sistemas de redes de tubos transparentes en tres dimensiones permiten mejorar la explotación del espacio (EP 0 874 043) .

Estas instalaciones son extremadamente voluminosas y los rendimientos de producción son bajos dado que las incertidumbres de iluminación del sol y las fases de noche son perjudiciales para el crecimiento de las microalgas.

Con el fin de reducir el volumen y mejorar el rendimiento, se han desarrollado unos fotobiorreactores cerrados. Utilizan, por su parte, la disponibilidad de una iluminación artificial 24h/24 y 7 días/7, pudiendo esta iluminación ser interrumpida según unas secuencias apropiadas para los ciclos biológicos de las algas en cuestión.

En efecto, el factor crucial del aumento de la biomasa de las microalgas es la luz, tanto en términos de cantidad como de calidad, ya que las microalgas absorben únicamente algunas longitudes de ondas de la luz blanca.

Un fotobiorreactor se define como un sistema cerrado en el interior del cual se desarrollan unas interacciones biológicas, en presencia de energía luminosa, que se intenta controlar mediante el control de las condiciones de cultivo.

Cuanto más adecuada sea la luz dispensada en el fotobiorreactor para la especie de microalgas, más ventajosa será la producción de biomasa.

Una primera solución de iluminación artificial para resolver este problema consiste en llevar la luz de una fuente luminosa al medio de cultivo cerca de las microalgas con la ayuda de fibras ópticas (US nº 6.156.561 y EP 0 935 991) .

Las fibras ópticas pueden estar asociadas a otros medios sumergidos que guían la luz en el interior del recinto (JP 2001178443 y DE 29819259) .

El principal inconveniente es que esta solución sólo permite alcanzar unos rendimientos bajos (luz producida) / (luz eficaz) . En efecto, la intensidad se reduce debido a las interfaces entre las fuentes luminosas y la guía de onda, y es difícil acoplar más de una fuente luminosa sobre la misma fibra. Además, surge un problema desde el momento en que se utilizan varias longitudes de ondas diferentes: en efecto, para extraer la luz de las fibras ópticas sumergidas en el medio de cultivo, es necesario realizar un tratamiento de superficie (rugosidad) , que difundirá o difractará una fracción de la luz guiada. La solución más eficaz consiste en grabar una red en la periferia de la fibra con un paso que es del orden de la longitud de onda de la luz transmitida. Esta solución tiene una banda pasante estrecha y es totalmente inadecuada cuando se utilizan varias longitudes de ondas. El uso de una rugosidad aleatoria es, en sí misma, de baja eficacia.

Otra solución de iluminación artificial para resolver este problema consiste en sumergir directamente unas fuentes luminosas en el recinto del fotobiorreactor, como por ejemplo unas lámparas fluorescentes (US nº 5.104.803) o unos LED (Light Emitting Diode) (DE 202007013406 y WO 2007047805) .

Esta solución permite mejorar el rendimiento energético del procedimiento de iluminación, ya que las fuentes

luminosas están más próximas y se acoplan mejor al medio de cultivo.

Sin embargo, la utilización de fuentes luminosas introducidas dentro del reactor, en particular unos LED, se debe realizar teniendo en cuenta otros tres problemas principales.

El primero es inherente a la penetración de la luz en el cultivo, la cual está directamente relacionada con la densidad de las microalgas. Esta densidad aumenta durante el proceso de cultivo y lleva rápidamente a la extinción del flujo luminoso en la mayor parte del reactor. Las soluciones que consisten en iluminar la pared interna del fotobiorreactor (DE 202007013406) no son por lo tanto extrapolables a unos fotobiorreactores a escala industrial de varios cientos de litros por simple homotecia, siendo las longitudes de absorción de la luz aún centimétricas al final del proceso de crianza.

Para suprimir las zonas de sombras que aparecen durante el proceso de cultivo, se pueden multiplicar las fuentes luminosas en el recinto e implantarlas suficientemente próximas las unas a las otras para iluminar el medio de cultivo 15 independientemente de las longitudes de absorción variables relacionadas con el ciclo biológico. De esta manera, se plantea entonces el problema de la gestión de la térmica del reactor, que debe ser controlada con algunos grados de tolerancia, y que depende de la naturaleza del alga. Esta gestión de la térmica constituye el segundo problema importante que es necesario resolver. Es inherente a estas estructuras de reactores de primera generación, independientemente del tipo de fuentes luminosas utilizadas. Se añade el problema del coste del fotobiorreactor si las fuentes luminosas deben ser multiplicadas en un gran número.

El tercer problema es obtener un frente de iluminación homogénea en intensidad en el volumen de crecimiento del reactor. A la disminución progresiva de la intensidad de la onda luminosa por absorción en el medio de cultivo se añade una fuerte dispersión de la energía luminosa sobre el frente luminoso incidente. Esto es perjudicial para la optimización del procedimiento de crecimiento de biomasa para una energía incidente luminosa global dada.

Con el fin de solucionar estos problemas, los inventores han descubierto, de manera inesperada y sorprendente, una nueva fuente de luz adecuada para los fotobiorreactores: las células fotovoltaicas utilizadas en inyección directa que en estas condiciones emiten luz.

Esta fuente de luz presenta las ventajas de ser particularmente homogénea y de poder ser optimizada para la cepa de algas a producir, ya que las células fotovoltaicas pueden ser adecuadas para emitir la o las longitudes de ondas absorbida (s) por la cepa para su fotosíntesis.

En consecuencia, el objeto de la invención se refiere a un fotobiorreactor destinado al cultivo de microorganismos fotosintéticos, preferentemente de microalgas, que comprende:

(a) por lo menos un recinto de cultivo (1) destinado a contener el medio de cultivo (3) de los microorganismos, (b) unas células fotovoltaicas (2) aisladas del medio de cultivo (3) que emiten luz hacia el medio de cultivo (3)

(c) unos medios de alimentación eléctrica (4) de las células fotovoltaicas (2) con el fin de hacer funcionar las células fotovoltaicas en modo de emisión de luz.

Una célula fotovoltaica es un componente electrónico que, expuesto a la luz (fotones) , genera electricidad. Las células fotovoltaicas más difundidas están constituidas por materiales semiconductores. Para obtener una emisión de luz, es necesario que estos materiales semiconductores sean de brecha directa, tales como las aleaciones As, Ga, In, P. El material silicio (Si) es inadecuado para esta función ya que su brecha es indirecta. Se presentan generalmente en forma de finas placas de una decena de centímetros de lado, intercaladas entre dos contactos 50 metálicos, para un grosor del orden del milímetro. El principio de las células fotovoltaicas es bien conocido (Physics of Semiconductor Devices-J Wiley & Sons, 3ª edición, Simon M. Sze, Kwok K. Ng) .

En el semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía suficiente extrae un electrón, creando a su paso un "orificio". Normalmente, el electrón encuentra rápidamente un orificio para recolocarse, y se disipa así la energía 55 aportada por el fotón. El principio de una célula fotovoltaica... [Seguir leyendo]

1. Fotobiorreactor destinado al cultivo de microorganismos fotosintéticos, preferentemente de microalgas, que comprende: 5

(a) por lo menos un recinto de cultivo (1) destinado a contener el medio de cultivo (3) de los microorganismos,

(b) unas células fotovoltaicas (2) aisladas del medio de cultivo (3) que emiten la luz hacia el medio de cultivo (3)

(c) unos medios de alimentación eléctrica (4) de las células fotovoltaicas (2) con el fin de hacer funcionar las células fotovoltaicas en modo de emisión de luz.

2. Fotobiorreactor según la reivindicación 1, caracterizado por que las células fotovoltaicas (2) están dispuestas en unas placas, preferentemente recubriendo toda la superficie. 15

3. Fotobiorreactor según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que las células fotovoltaicas (2) son unas células de una o dos uniones.

4. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las células fotovoltaicas 20 (2) son de material de brecha directa III/V.

5. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las células fotovoltaicas (2) están colocadas en unos recintos de transparencia adecuada (TA) y estancos (5) sumergidos en el medio de cultivo (3) . 25

6. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que las células fotovoltaicas (2) están colocadas en el exterior del o de los recintos de cultivo a poca distancia de la pared externa del o de los recintos de cultivo y la pared externa del o de los recintos de cultivo está constituida por un material de transparencia adecuada para el paso de la o de las longitudes de ondas que emiten dichas células fotovoltaicas.

7. Fotobiorreactor según la reivindicación 6, que comprende varios recintos de cultivo paralelepipédicos apilados y separados por unas placas (7) de células fotovoltaicas (2) .

8. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un sistema de refrigeración 35 (9) de las células fotovoltaicas (2) .

9. Fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un sistema de mezclado (13) del medo de cultivo (3) .

10. Fotobiorreactor según las reivindicaciones 1 a 5 y 8 a 9, que comprende:

(a) un recinto de cultivo (1) cilíndrico destinado a contener el medio de cultivo (3) de los microorganismos,

(b) unas células fotovoltaicas (2) aisladas del medio de cultivo (3) que recubre unas placas (7) , extendiéndose

dichas placas sobre aproximadamente toda la altura del recinto de cultivo (1) , colocadas en un tubo de transparencia adecuada y estanca (5) sumergido en el medio de cultivo (3) y dispuestas en un tubo de sección poligonal.

11. Fotobiorreactor según las reivindicaciones 1 a 4 y 6 a 9, que comprende: 50

(a) varios recintos de cultivo (1) paralelepipédicos apilados y separados por

(b) unas placas (7) de células fotovoltaicas (2) , presentando dichas placas las dimensiones de una cara del

recinto de cultivo. 55

12. Utilización de células fotovoltaicas alimentadas eléctricamente en modo inverso de emisión de luz para iluminar el medio de cultivo de un fotobiorreactor.

13. Utilización de un fotobiorreactor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, para cultivar unos 60 microorganismos fotosintéticos, preferentemente unas microalgas.