Procedimiento de obtención de biomasa y productos derivados a partir de algas unicelulares, e instalación para la ejecución del mismo.

Procedimiento de obtención de biomasa y productos derivados a partir de algas unicelulares,

e instalación para la ejecución del mismo.

La presente invención se refiere a un proceso que comprende todas las etapas necesarias para partiendo de un cultivo de algas "procariotas" unicelulares disuelto en medio acuoso, todos los elementos necesarios para su cultivo y desarrollo y mediante el aporte externo de nutrientes, CO2 y luz solar, se procede a la obtención de una biomasa mediante procedimientos de floculación y centrifugación posterior con un grado de humedad entre el 50% y el 90% y posteriormente se procede a una etapa de secado que prepara dicha biomasa para la extracción de lípidos mediante fluidos supercríticos, con posible prerruptura celular si la microalga lo requiere, obteniéndose diversas fracciones de elementos finales que engloban productos de valor añadido así como un bioaceite o biocrudo. El proceso cuenta con todos los equipos y elementos necesarios para poder definir el conjunto como biorrefinería, puesto que se reutilizan todos los productos generados y se obtienen diferentes compuestos con diferentes aplicaciones y en diferentes etapas del proceso.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se engloba en el campo de la Ficotecnología, o Biotecnología con origen en las algas ó microalgas. La aplicación principal se centra en el aporte de luz solar, nutrientes y C02 a un cultivo unicelular de microalgas existente en un fotoblorreactor o campo de fotobiorreactores en sistema cerrado y más concretamente en fotobiorreactores verticales y/o verticales inclinados. Con el proceso que se describe a continuación se obtendrá una biomasa de la cual se extraerán lípidos con altos contenidos en ácidos grasos, que a su vez tendrán un destino final como productos de alimentación y farmaceúticos, además de los propios de transformación del bioaceite en biocombustible.

El presente proceso presenta mejoras con respecto a procesos existentes previamente, que lo hacen más eficiente energéticamente hablando, aparte de reducir las emisiones contaminantes al medio ambiente tras convertir el C02 en biomasa. El índice de captación y conversión del C02 supera el 95%, siendo muy superior a lo existente en el estado de la técnica. Los retornos de cada uno de los procesos de separación son tratados de manera independiente para garantizar su posible retorno al medio de cultivo. Igualmente se incluye un sistema de limpieza interno automático de los tubos que mejora altamente la eficiencia del proceso.

También es objeto de la invención la correspondiente instalación para la puesta en práctica del propio procedimiento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Según el informe anual de 2012 de la Organización de las Naciones Unidas para la

Alimentación y la Agricultura (FAO), en el próximo decenio la producción de alimentos con la acuicultura superará en producción a la de carne de vacuno, porcino y aves de corral. En el año 2011, la pesca de captura y la acuicultura suministraron al mundo 154 millones de toneladas de pescado, de los que el 90% fue para consumo humano, con una media de 18 kg per cápita.

En el año 2000 solo el 15% del total de la producción de pescado mundial procedía de la acuicultura, en el 2010 fue ya del 40%. La pesca de captura se mantiene estable, mientras que está siendo la acuicultura la que absorbe todos los aumentos necesarios para abastecer a la creciente población, así como a sus crecientes necesidades energéticas. La biomasa liofilizada proveniente de microalgas se postula como la mejor solución para apoyar ese aumento de producción en muchas de las 600 especies que se crían en cautividad.

Por otro lado, con la implantación a nivel mundial de los biocombustibles de segunda generación, provenientes de cultivos terrestres, como la palma o la soja, se generó una escalada de precios de estos productos básicos que conllevó y todavía repercute en crisis alimenticias en los países más pobres. La implantación de biorrefinerías para producción de biocombustibles de tercera generación, como son los provenientes de biomasa microalgal, resuelven este problema.

El documento ES 2370583 A1 describe diferentes tipos de fotobiorreactores y depósitos de acumulación, clarificado y demás, sin incluir el resto del proceso hasta la obtención de biomateriales y demás productos finales, los fotobiorreactores empleados en ella no son iguales que los indicados en la presente patente ni incluyen las mejoras de atemperamiento, recogida de excedentes de gases y limpieza automática interior de tubos.

La solicitud de patente EP 2371940 A1 divulga un proceso y una instalación para la producción de biocombustible y reducción de C02, empleando tubos no anulares y con largas longitudes, en posición horizontal preferiblemente y por lo que nos lleva a grandes superficies de cultivo. Igualmente el rendimiento energético del proceso no es competitivo con el que se expone en la presente solicitud, porque se necesitan grandes movimientos de fluido para evitar el conocido fouling (o adhesión de microalgas a las paredes del tubo) con la consiguiente pérdida de efectividad del rendimiento por reducción de irradiación solar, y

con ello grandes consumos energéticos. La etapa de secado que se contempla en dicha solicitud, entre las fases de separación de la biomasa y la de extracción de compuestos, es igualmente ineficiente energéticamente hablando puesto que se realiza mediante filtrado, lo que es inviable económicamente. Esta solicitud se centra básicamente en la captura y conversión del C02, pero el resto lo describe muy por encima.

El documento US 2007048859 A1 incluye las fases de cultivo de microalgas desde la zona de cultivo con fotobiorreactores, la captura de C02 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.

El documento ES 2356653 A1 describe una invención con fotobiorreactores cónicos y sumergidos en el interior de un tanque, siendo una aplicación totalmente diferente a la expuesta en la presente invención.

La solicitud de patente internacional WO 2007147028 A2 habla del equipo necesario para capturar C02 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 C02 y de su introducción en los fotobiorreactores, así como las diferentes opciones de fotobiorreactores. El ciclo mencionado no incluye el concepto de biorrefinería de esta patente.

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 automático ni posibilidad de todos los funcionamientos aire- agua, en paralelo y cruzado, ni recuperación de excedente para hacer más eficiente el proceso. Adicionalmente, no hace mención a ningún tipo de proceso posterior al cultivo de los microorganismos.

Son muchos los documentos técnicos y patentes que nos enseñan, en el campo de las microalgas, las diferentes posibilidades de fotobiorreactores, tanto en materiales empleados como en disposición y modo de funcionamiento, por ejemplo los documentos "Photobioreactor: light regime, mass transfer, and scale-up", Journal of Biotechnology,70, 231.47 (1999) de Molina Grima, E., Ación Fernández, F.G. García Camacho, F. and Chisti; o "Scale-uo of tubular photobioreactors", Journal of AppliedPhycology, 12, 355-68 (2000), de Molina G., Ación Fernández, F.G,, García Camacho, F., Camacho Rubio, F., and Chisti; o "Photobioreactorsproductionsystemsforphototrophicmicroorganisms", AppliedMicrobiology and Biotechnology, 57, 287-93 (2001), de Pulz, O.; o "Microalgalreactors: a review of enclosedsystemdesigns and performances", BiotechnologyProgress, 22, 1490-506 (2006), de Carvalho, A.P., Meireles, L.A., Malcata, F.X.; ó "DesignPrinciples of photo- bioreactorsforcultivation of algas unicelulares" de D. Clemens Posten, Institute of LifeScienceEngineering, División of BioprocessEngineering, University of Karlsruhe, Strasse am Forum 8, D-76131 Karlsruhe (Germany), D0l:10.1002/elsc.200900003, mayo 29, 2009 , con todos ellos se comparten partes del proceso y elementos que son estado de la técnica actual, pero en ninguno se emplea el atemperamiento interior ni lleva el sistema automático de limpieza ni la recogida superior de sobrante de C02 para mejorar eficiencia.

Por otro lado, son también innumerables los documentos técnicos que describen el proceso de cosechado del cultivo y los posteriores tratamientos termoquímicos para obtención de productos finales, ver "HydrothermalTreatment of Algas unicelularese: Evaluation of theProcess as ConversionMethod in anAlgaeBiorefinery Concept" (Laura García Alba, Cristian Torri, ChiaraSamori, Jaapjan van der Sped, DanieleFabbri, Sascha R.A. Kersten, y Derk W.F. Brilman (2011) o Thermo-ChemicalConversion of BiomassGroup, Faculty of Science and Technology, University of Twente, P.O. Box 217, Enschede, TheNetherlands). Se comparten etapas de procesado con esta patente pero la secuenciación y los métodos empleados no son los mismos.

Por último, también son muchos los documentos técnicos que enumeran las aplicaciones de los productos finales a obtener de las microalgas, tanto si son en forma de... [Seguir leyendo]

1.- Procedimiento de obtención de biomasa y productos derivados a partir de algas unicelulares, basado en el cultivo de microalgas en medio acuoso, con cosechado de las mismas y posterior extracción de lípidos y otros componentes, llevándose a cabo el proceso a partir de fotobriorreactores tubulares anulares, verticales y/o inclinados, con aportación sobre el cultivo de CO2 como gas de efecto invernadero, con nutrientes de enriquecimiento y utilizando agua de mar o agua salobre, caracterizado porque comprende las siguientes fases operativas:

llenado de los fotobiorreactores con agua de mar o salobre, como medio base para el cultivo de las algas;

- inyectado en los fotobiorreactores, al menos, una cepa de una especie de algas unicelulares, formando el cultivo;

- inyectado en los fotobiorreactores, y conjuntamente o por separado, gases de efecto invernadero (C02 obligatoriamente) y aire comprimido, de acuerdo con las necesidades de éste para realizar una fotosíntesis eficiente, con establecimiento de una turbulencia óptima generada por el aire que se introduce por la base de los fotobiorreactores, entre tubo exterior y tubo interior.

- recirculación del cultivo entre los tubos que forman cada fotobiorreactor, según un proceso homogéneo dentro de cada grupo de fotobiorreactores, con un caudal entre el 10% y el 50% del total del volumen de cultivo existente.

inyectado de nutrientes en la proporción requerida por el cultivo, para colaborar en la consecución de una reproducción óptima de la microalga.

- extracción de una parte del cultivo y acumulación del mismo con una concentración óptima de las microalgas, en un depósito de acumulación; (entre el 1 y el 25% diaria, en función de las condiciones de reproducción que se hayan dado durante el día, en gran dependencia con las condiciones climatológicas que son las que favorecen la fotosíntesis).

- separación química de los productos de cultivo, en una o varias etapas, y posterior concentración de los mismos;

- retorno de todos los sobrantes (floculados ó rechazos) de cultivo obtenidos en la separación química y tratamientos de desinfección y filtración en depósitos independientes y posterior paso a un depósito de alimentación previo al cultivo;

- separación mecánica mediante centrifugación del cultivo concentrado en las etapas

anteriores para conseguir biomasa húmeda, con un contenido de agua entre el 50% y el 90%.

- retorno del sobrante ó rechazo ó floculado obtenido en la etapa anterior, hacia un depósito de clarificado y envío de este cultivo, tras un proceso de filtración y desinfección, al depósito de alimentación, todo ello según un proceso cerrado y con consumo mínimo de agua fresca;

- secado previo de la biomasa mediante ventanas refractivas y/o secadores solares, para conseguir un peso en seco de la biomasa superior al 95%, como producto final apto para procesado posterior, atomización y/o liofilización en función del rendimiento de los procesos de secado previo comentados.

- Pretratamiento previo de prerruptura de la pared celular, mediante cavitación, molienda ó hidrólisis ácida, en función del tamaño de la microalga y de la especie, en definitiva en función de la dureza de la pared celular para posibilitar una eficiente extracción de los ácidos grasos y demás productos de valor añadido, sin dañarlos, extracción de lípidos a partir de la biomasa seca, mediante fluidos supercríticos con CO2, para conseguir una selectividad importante sobre los productos de valor añadido obtenidos, realizándose dicho proceso a una temperatura comprendida entre 2005C y 3505C, y a una presión comprendida entre 160 bares y 600 bares, con unos periodos de tiempo comprendidos entre 25 y 90 minutos por cada ciclo;

- transformación del resto de la biomasa tras la extracción anterior bien por licuefacción térmica para biocrudo ó venta de la biomasa con fines alimentarios para animales ó para alimentación de peces.

2.- Procedimiento de obtención de biomasa y productos derivados a partir de algas unicelulares, según reivindicación 1, caracterizado porque el producto de cada uno de los retornos obtenidos en las fases anteriores es almacenado en una unidad previa con tratamiento mediante agitación, aireación, aporte de aire comprimido y CO2, así como aporte de nutrientes y tratamiento de filtración y desinfección, previamente a su paso al depósito de alimentación y reposición a la zona de cultivo, tras cada una de las extracciones. 3

3.- Procedimiento de obtención de biomasa y productos derivados a partir de algas unicelulares, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la corriente de gases C02 que entra en cada fotobiorreactor, procede de una fuente de combustión o de un

depósito de acumulación de gases de efecto invernadero, siendo el sobrante de C02 retornado de nuevo al fotobiorreactor correspondiente, cuando las condiciones de realización de la fotosíntesis no sean óptimas.

4.- Procedimiento de obtención de biomasa y productos derivados de alto valor añadido a partir de algas unicelulares, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la corriente de gases C02 se inyecta en una cantidad comprendida entre 0,01 m3 por m3 de cultivo y1 m3 por m3 de cultivo, a intervalos entre 10 y 60 segundos por minuto.

5.- Procedimiento de obtención de biomasa y productos derivados a partir de algas unicelulares, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cultivo se introduce por la parte superior del fotobiorreactor, recogiéndose por la parte de abajo y mezclándose entre cada agrupación de fotobiorreactores con una misma electrobomba, siendo las condiciones de cultivo las mismas para todo el grupo, consiguiéndose una mezcla perfecta de nutrientes, de cultivos con diferentes irradiaciones y por lo tanto con diferentes pasos de luz, todo ello con un caudal de recirculación de entre el 1 y el 50% del total del volumen de cultivo.

6.- Procedimiento de obtención de biomasa y productos derivados a partir de algas unicelulares, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cultivo se mantiene en el rango de temperaturas comprendidas entre 105C y 455C, consiguiéndose un atemperamiento del mismo mediante un circuito primario que recorre el interior de los tubos anulares y concéntricos que forman cada fotobiorreactor.

7.- Procedimiento de obtención de biomasa y productos derivados a partir de algas unicelulares, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada vez que se consigue la concentración microalgal óptima, característica para cada especie, pero, superior a 100 millones de células/ml, se procede a la extracción de entre el 1 y el 25% del cultivo de los fotobiorreactores, en un periodo de entre 1 y 4 horas. 8

8.- Procedimiento de obtención de biomasa y productos derivados a partir de algas unicelulares, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se introduce la misma cantidad de cultivo extraída de los fotobiorreactores, procedente de depósitos de alimentación que a su vez recoge todos los rechazos o sobrantes provenientes de los

diferentes procesos realizados en el cultivo hasta la obtención de los productos finales, debidamente filtrados y eliminada la carga orgánica y con cierto aporte de agua fresca salada también filtrada y desinfectada convenientemente, siendo el agua tratada adicionada de nutrientes en proporción adecuada, así como de sales nitrogenadas como amonio, nitratos, fosfatos y otros metales traza.

9.- Instalación para la ejecución del procedimiento de las reivindicaciones 1 a 8, que incluyendo un sistema de separación de la biomasa del cultivo y del cultivo a una serie de fotobiorreactores (19) en los que se introducen las algas unicelulares para su cultivo, con inyección de C02, aire comprimido y nutrientes apropiados, todo ello en medio acuoso con agua de mar o salubre, se caracteriza porque cada fotobiorreactor (19) está formado por dos tubos concéntricos (20, 21), entre los que se establece una cámara o hueco para el cultivo (22), así como para el C02 y el aire comprimido, estando dichos fotobiorreactores (19) cerrados de forma estanca mediante una tapa superior (24) y una base inferior (25), con la particularidad de que cada fotobiorreactor (19) está asociado a un sistema hidráulico (23) además de un sistema de entrada (26) de C02} y un sistema de entrada (27) de aire comprimido, incorporando en la parte superior un sistema automático de recuperación de sobrante de C02 o evacuación a la atmósfera de oxígeno, presentando tal sistema de recuperación superior un desgasificador o tubo de salida (29) con un sensor (30) y una electroválvula de tres vías (28), mediante la que se consigue la recuperación del C02 para su aplicación de nuevo al sistema de entrada (26) mediante una tubería y sistema de compresión si es necesario (31-33) o para la evacuación del oxígeno a la atmósfera (32), según proceda, todo ello para que se garantice un rendimiento en la fijación del C02 del 95%.

10.- Instalación, según reivindicación 9, caracterizado porque incluye un sistema de atemperamiento interno de cultivo, basado en un circuito (36) de recirculación que, en combinación con electrobombas, bombas de calor de tipo geotermal (35) o similares, electroválvulas, válvulas y elementos complementarios, constituyen un circuito primario de atemperamiento con intercambio de energía sin intervención de intercambiador, en el que el cultivo (22) recircula entre diferentes fotobiorreactores para homogeneizar sus propiedades entre ellos.

11.- Instalación, según reivindicación 9, caracterizado porque incluye un sistema de limpieza

automático interior, formado por unas tuberías plásticas (37) dotadas de múltiples y pequeños orificios (38) para salida de un agente de limpieza (39) que incide sobre la cara interna de los tubos interior (20) y exterior (21) que forman cada fotobiorreactor (19), produciendo la limpieza de esa cara interna de dichos tubos (20, 21) en contacto con el 5 cultivo.