Instalación para la obtención de biomasa mediante el cultivo de algas y la obtención de biorefino para la producción de bioaceite y bioproductos y procedimiento para su obtención.

La presente invención describe una instalación para la obtención de biomasa mediante el cultivo de algas y la obtención de biorefino para la producción de bioaceite y bioproductos y el procedimiento para su obtención,

mediante un proceso cerrado axénico en fotounidades. En la instalación se recrea un medio de cultivo similar al que puede encontrarse en las aguas marítimas naturales, en las que se desarrollan los microrganismos y que se basa en el empleo de agua de mar o salobre, radiación solar natural o artificial, vitaminas, nutrientes, un suministro estacionario de CO2 y en las recirculaciones tanto de CO2 como de agua que se producen en todas las etapas intermedias del proceso. El procedimiento de producción permite que en la instalación se puedan practicar divisiones de las fotounidades de tal manera que en estas puedan cultivarse diferentes clases de microalgas unicelulares, esto es que en los fototubos que componen dichas unidades solo haya un tipo de alga unicelular. Las extracciones se realizan en ciclos de 12 a 16 horas a partir de la primera extracción de biomasa por lo que la producción de productos bionutritivos y bioenergéticos se encuentra en funcionamiento continuo y se obtiene un rendimiento del 95% de producción de biomasa.

Instalación para la obtención de biomasa mediante el cultivo de algas y la obtención de biorefino para la producción de bioaceite y bioproductos y procedimiento para su obtención. 5

Objeto de la invención

La invención, según se expresa en el enunciado de la presente memoria descriptiva se refiere a una instalación industrial para la obtención de productos nutritivos y energéticos 10 y el procedimiento de obtención de estos productos a partir del cultivo de algas que emplean como nutrientes gases de efecto invernadero, especialmente CO2.

El campo de aplicación de la presente invención, dentro del campo de la biotecnología es la industria fitotecnológica que implementa soluciones a problemas científicos y de la 15 ingeniería a partir de plantas, tales como las algas u otras, y comprende el desarrollo de tecnologías limpias, tal como la captura de gases nocivos o de efecto invernadero y su transformación en nutrientes

o productos energéticos.

Antecedentes de la invención

La Biotecnología nace aproximadamente hacia el año 6.000 A.C. cuando las culturas neolíticas comienzan a aprovechar la fermentación de uvas para producir vino o los babilonios emplean levaduras de origen microbiano para hacer lo propio con la cerveza. 25 En el momento actual, la biotecnología industrial implica la producción microbiológica de enzimas, que actúan como biocatalizadores que facilitan y aceleran complejas reacciones bioquímicas imprescindibles para numerosas aplicaciones cotidianas y que la convierten en una tecnología nueva y poderosa, empleada en un rango de aplicaciones cada vez más amplio. 30

Actualmente, es necesario prevenir la escasez de recursos naturales tales como el agua o el oxígeno y se precisa compatibilizar desarrollo con energía, medioambiente y nutrición.

Adicionalmente a la inquietud ocasionada por las necesidades energéticas y nutricionales de la población de la Tierra, también existe una preocupación creciente por la disminución del espesor de la capa de ozono como consecuencia de las emisiones excesivas de gases de efecto invernadero, entre los que se encuentran el CO2 y el CH4 y la distribución del agua potable afectada por el aumento de temperatura de la Tierra y por 40 la contaminación derivada no solo de los gases antes mencionados sino del empleo masivo de otros productos tales como fertilizantes, herbicidas, plaguicidas, pesticidas, fungicidas, etc.

Todos estos factores fuerzan la investigación de soluciones alternativas, independientes 45 de las condiciones climáticas y/o de la problemática derivada de la localización de recursos naturales.

Las diatomeas, bacterias o los euglenoides son diferentes grupos de algas que no compiten con los cultivos alimenticios. Estas algas, para reproducirse, lo único que 50

requieren es luz solar, nutrientes, CO2 y agua de mar, y un sistema de cultivo tecnológico capaz de mimetizar su entorno de crecimiento natural.

En este campo, la mayor parte de los diseños de plantas de cultivo de microorganismos se centran en la producción de biocombustibles a partir de la captura de las emisiones de 5 CO2, y la conversión de gases en energía de la biomasa mediante la fotosíntesis. Para la producción de biocombustibles no se emplean fototubos verticales cerrados, desarrollándose la mayor parte de estos sistemas de cultivo en estanques abiertos, más adecuados para tal fin. Sin embargo, estos procesos apropiados para la obtención de biocombustibles, no contienen la concentración y pureza necesarias para la obtención de 10 una amplia gama de productos de alto valor añadido.

El proceso de cultivo que la presente invención propone consiste en una sucesión de etapas de producción de biomasa establecidas conforme a las fases de recogida, separación y extracción así como la reintroducción de los rechazos en las líneas de agua 15 y gas: todos los vertidos son reciclados.

La planta desarrollada, se basa en un proceso innovador de cultivo axénico y procesado de algas unicelulares en medio acuoso, que tiene lugar dentro de una fotounidad en la que se inyecta una corriente de gas de alto contenido en CO2 y agua marina enriquecida 20 en nutrientes.

La cosecha de algas se somete a una compresión y acumulación, sufriendo dicho cultivo una serie de etapas de tratamiento sucesivas a partir de las cuales se obtiene biomasa con un contenido de humedad controlado. De esta biomasa se extraen lípidos, ácidos 25 grasos, aminoácidos y proteínas. En cada operación de separación, se producen los denominados "rechazos", constituidos por restos de nutrientes, biomasa y agua, que son procesados fisicoquímicamente y reintroducidos en el proceso como materias primas.

Con el fin de lograr un proceso eficiente desde el punto de vista energético, evitando la 30 emisión de contaminantes gaseosos o líquidos, el proceso se desarrolla según las fases antes mencionadas para evitar dichas emisiones. Este proceso es energéticamente equilibrado, esto es, no se emplea más energía de la que se produce y, por este motivo, el desarrollo emplea otras energías renovables para compensar dicho consumo energético. 35

La principal aplicación se centra en la transformación de los gases de efecto invernadero, especialmente del CO2, mediante la biomasa a partir de un cultivo intensivo de ciertas especies de algas. Se emplean diversas técnicas de colado o escurrido, dentro de un sistema de cultivo cerrado, empleando fototubos verticales transparentes. Mediante este 40 proceso, es posible obtener productos básicos tales como grasas y proteínas que pueden incorporarse al consumo humano/animal antes de la obtención final de biocombustibles.

Por último, la combinación del proceso de producción con las tecnologías de generación eléctrica y térmica de carácter renovable produce como resultado un balance energético 45 del conjunto casi nulo y permite su adaptación en todo momento a criterios de máxima eficiencia.

En otros procesos convencionales, la producción de biocombustibles y productos de valor añadido a base del cultivo de algas, requieren de grandes consumos eléctricos y térmicos 50 que incrementan notablemente los costes de producción, sin embargo el proceso que la presente invención propone, incorporando tecnología renovable y geotérmica reduce considerablemente las necesidades energéticas externas, asimismo los costes derivados de su instalación se compensan mediante la comercialización de los excedentes eléctricos a las redes de suministro y de los derechos de emisión de CO2 y de los productos secundarios obtenidos a partir de los residuos como compuestos bioquímicos o 5 bioclásticos, etc.

Como resultados más destacables, para una planta media en una localización idónea, con una producción estimada conservadora de 0, 8 g/día para 330 días:

1. Los costes de producción son ± 14, 41 â¬/Kg de biomasa seca comparados con los 35 â¬/Kg de un proceso estándar

2. La producción es de 276 ton/ha de biomasa seca, comparado con las 100 ton/ha de un proceso estándar. 15

3. El coste de implantación es menor de 4.500 â¬/m3 de cultivo, frente a los 10.000 â¬/m3 de un proceso estándar.

4. Como consecuencia, los costes energéticos del proceso se optimizan a menos de 20 5 kW/Kg de masa seca;

Descripción de la invención

La instalación y el procedimiento para la obtención de biomasa se integra dentro de 25 diversos campos de la biotecnología y por su proceso técnico se incluye dentro del campo de la ecotecnología, en el cual se combinan el conocimiento de los procesos propios de los ecosistemas y sociedades con una aplicación tecnológica que emplea sistemas biológicos, organismos vivos tales como las microalgas para producir una biomasa que es entonces sometida a un biorefino con el fin de obtener productos 30 nutritivos valiosos y aceite que puede usarse en diferentes aplicaciones comerciales tales como productos farmacéuticos, cosméticos, suplementos alimenticios y otros segmentos de mercado, incluyendo los biocombustibles.

Dentro de la industria de la biotecnología y biorefinería para la producción de productos 35 de alto valor añadido y biocombustibles mediante sistemas de producción en continuo que emplean fitoplancton y de los cuales se obtiene energía mediante el proceso de la fotosíntesis, los microorganismos empleados deben, por consiguiente, vivir en capas superficiales bien iluminadas de océanos, mares u otras masas de agua. Sin embargo, el proceso aquí descrito que es ecológico y biodiverso, utiliza otras energías renovables, 40 agua no potable y terrenos de uso no agrícola, y recicla las emisiones de gases industriales capturadas, principalmente CO2.

1. Instalación para la obtención de biomasa por cultivo de algas, y de biorefino para la producción de bioaceite y bioproductos, caracterizada por que comprende:

• 1 tanque de acumulación de agua de mar (21) , a partir del cual se emplea dicho agua de mar en el proceso de cultivo;

• 1 electrobomba automática (22) que circula el agua desde la acumulación hasta una siguiente fase; 10

• 1 unidad desaladora (23) ;

• 1 unidad de desinfección del agua (24) ;

• 1 tanque de almacenamiento (25) para el exceso de agua limpia;

• 1 cámara ultravioleta (26) ;

• 5 tanques de alimentación de nutrientes (27) ; 20

• 1 tanque de mezcla (28) en el cual se produce una mezcla uniforme de agua y nutrientes;

• 1 tanque de retorno del agua (29) ; 25

• 1 unidad de captura de gases (30) ;

• 1 unidad de filtración de CO2 (31) que separa CO2 de NOx y SOx, presentes en los gases; 30

• 1 tanque de mezcla de CO2 preparado (32) ;

• 1 enfriador y regulador de presión de CO2 (33) , en que dicho CO2 va a entrar en un proceso de cultivo; 35

• 1 compresor de aire (34) ;

• 1 estructura rectangular de una fotounidad realizada en acero, embebida 0, 5 metros en una cimentación de apoyo de hormigón (1) ; 40

• dos filas de 5 a 30 fototubos (2) interiores y/o exteriores, a una distancia entre cada fila de 2 a 5 metros, espaciados dichos fototubos entre 1 y 60 cm, y dispuestos en paralelo;

• 1 fototubo de alimentación (3) por cada fotounidad;

• 1 fotocirculador (4) , situado en el centro y paralelo de cada unidad;

• 1 intercambiador de calor (5) por cada fotounidad; 50

• 1 electrobomba (6) por cada unidad;

• 1 Unidad de Carga Eléctrica (7) por cada fotounidad paralela;

• 1 válvula de entrada (8) para la alimentación de agua y nutrientes; 5

• 1 válvula de entrada (9) de alimentación de CO2 y aire;

• 1 válvula de alivio de presión (10) que permite el escape de oxígeno a la atmósfera;

• 1 separador de gas (11) que separa CO2 y O2;

• 1 unidad sensora (12) de medida del nivel del agua en cada fototubo;

• 1 unidad sensora de medición del pH, salinidad, temperatura, turbidez, CO2, oxígeno 15 y entrada de nutrientes (13) ;

• 1 densímetro (14) para medición del cultivo;

• 1 manómetro (15) que controla presiones dentro de los fototubos; 20

• 1 grifo de salida de cultivo por fototubo (16) ;

• 1 red de tuberías de recirculación (17) para cada fotounidad;

• 1 red de tuberías de recirculación (18) para cada fotounidad;

• 3 lámparas de alumbrado artificial (19) por fotounidad, de ayuda a un proceso de fotosíntesis dentro de los fototubos;

• 1 panel de control (20) por fotounidad en paralelo;

• 1 primera unidad de separación (35) de agua de una fracción sólida;

• 1 tanque de acumulación (36) para el cultivo, que contiene el producto de salida de 35 una primera separación;

• 1 unidad de centrifugación (37) capaz de separar agua de los sólidos;

• 1 transportador (38) capaz de transportar biomasa de una fase a la siguiente; 40

• 1 Punto de Recogida (38A) ;

• 1 unidad de Secado en Spray (39) de biomasa;

• 1 Punto de Recogida de Productos del separador en spray (39A) ;

• 1 unidad de extracción de Productos (40) capaz de extraer lípidos y proteínas;

• 1 unidad de fraccionamiento (41) capaz de procesar lípidos; 50

• 1 Punto de Recogida para los Productos Procesados (41A) ; y

• 1 Punto de Recogida de bioaceite (42A) , en el cual dicho bioaceite es introducido en barriles.

2. Una instalación según la reivindicación 1, caracterizada por que dichos fototubos exteriores son transparentes, construidos en PVC o Policarbonato, de un tamaño de entre 1 y 10 metros y dispuestos verticalmente dentro de la fotounidad.

3. Procedimiento para la obtención de biomasa en la instalación según una de las 10 reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

- preparación previa,

- cultivo, y 15

- extracción de biomasa.

4. Un procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por que en dicha preparación previa, en la fotounidad 20

- se inyecta una corriente de agua de mar o salobre enriquecida con nutrientes y vitaminas, que previamente ha sido microfiltrada y desinfectada,

- se introduce una corriente de gas que contiene CO2 que ha sido filtrada, y 25

- se introduce un filtrado de algas seleccionadas en unas condiciones de luz solar que permiten llevar a cabo el proceso de fotosíntesis.

5. Un procedimiento según una de las reivindicaciones 3 ó 4, caracterizado por que 30 dicho cultivo es completamente axénico en cada fotounidad y emplea como microorganismos algas unicelulares autótrofas, heterótrofas o una mezcla de ambas.

6. Un procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado por que dichas algas unicelulares autótrofas están seleccionadas entre el grupo compuesto por 35 Nannochloropsis Oculata, Nannochloropsis Salina, Nannochloropsis Oceánica, Dunaliella Salina y Chaetocerotaceae.

7. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado por que dicha extracción de biomasa se realiza en distintas etapas, siendo que 40

- la primera extracción de biomasa tiene lugar entre los 8 y 14 días desde una primera puesta en marcha del procedimiento y se realiza cuando la concentración de biomasa alcanza una densidad que varía entre los 100 y 600 millones de células /ml, y que 45

- a partir de esta primera extracción, las siguientes se realizan de forma continuada cada 12-16 horas.