SISTEMA DE CULTIVO CELULAR PARA LA PRODUCCION DE MICROORGANISMOS FOTOSINTETICOS.

SISTEMA DE CULTIVO CELULAR PARA LA PRODUCCIÓN DE MICROORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS 5 OBJETO DE LA INVENCIÓN 1 O 15 20 La presente invención se refiere a un sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, constituyendo lo que se conoce como un fotobiorreactor panelar de lecho fluidizado, basándose en incorporar una serie de módulos materializados en cámaras de cultivo dispuestas en serie, cuyo volumen es ampliable, contando cada módulo o cámara con medios de agitación por micro burbujas. El sistema se enmarca dentro del ámbito de la biotecnología y la ingeniería química y de bioprocesos, y tiene por objeto minimizar la superficie de cultivo con el consiguiente ahorro de terreno necesario, en base a la modularidad del sistema que hace posible acoplar en serie distintos módulos de cultivo, escalando el volumen de cultivo hasta el volumen deseado. 25 ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los fotobiorreactores son dispositivos para el cultivo de microorganismos fotosintéticos como microalgas, cianobacterias o bacterias fotosintéticas, en los que es posible el crecimiento y multiplicación del número de células, favoreciéndose la producción de biomasa y/o de diferentes metabolitos de interés. Están constituidos básicamente por un recipiente de cultivo expuesto a una fuente de luz, al que se le suministran los nutrientes necesarios para el óptimo crecimiento del cultivo y/o la producción 5 de metabolitos. Se han empleado hasta ahora múltiples diseños de fotobiorreactores para el cultivo de organismos fotoautotróficos, que han permitido el cultivo intensivo de los mismos. Básicamente pueden 1 O distinguirse dos tipos de sistemas o diseños básicos para la producción de microorganismos fotoautotróficos; los sistemas abiertos, en los que el cultivo está en contacto con la atmósfera, y los sistemas cerrados, comúnmente llamados fotobiorreactores, en los que el cultivo tiene poco o ningún contacto con la atmósfera. 15 Los pnmeros son los más simples desde el punto de vista tecnológico y, tal vez por ello, han sido tradicionalmente los más empleados. La mayoría de estos sistemas son del tipo carrusel o raceway, que permiten alcanzar densidades celulares en torno a lg de células (peso seco) por litro. 20 Estos sistemas están constituidos por canales poco profundos (nivel de agua de 15-20cm) en forma de circuito cerrado, en los que el medio de cultivo es impulsado mediante paletas rotatorias. Aunque tienen la ventaja del bajo coste de operación, requieren de grandes áreas de terreno, alcanzan bajas productividades, tienen un elevado consumo de C02, los cultivos sufren con 25 frecuencia contaminación, la recuperación del producto a partir de los medios diluidos que se alcanzan es costosa, y es difícil controlar variables

ambientales como la temperatura.

Estos inconvenientes de los sistemas abiertos han estimulado el desarrollo de sistemas cerrados o fotobiorreactores, que tienen un mayor rendimiento en general y un control mucho más exhaustivo de todos los parámetros involucrados en el cultivo, salvando así algunos de los obstáculos que frenan en la actualidad el desarrollo de la tecnología del cultivo de microalgas en general y de su producción a escala industrial a bajo coste.

Dentro de los sistemas cerrados existen, además, variaciones de diseño fundamentalmente relacionadas con la geometría del espacio destinado a albergar el cultivo, y encaminadas en muchos casos a la mejora del aprovechamiento de la luz por parte del microorganismo. En los cultivos en los que otros factores no son limitantes, esta disponibilidad de luz, y su aprovechamiento por parte del microorganismo, determinan la actividad fotosintética y por tanto la velocidad de crecimiento y productividad del sistema. Así, y aunque existen modificaciones de cada una de las siguientes geometrías, pueden diferenciarse básicamente tres tipos de diseños: fotobiorreactores panelares, fotobiorreactores de columna de burbujeo y fotobiorreactores tubulares.

Cada uno de estos sistemas ha sido descrito en diversos documentos científicos y objeto de varias patentes.

Así, en la patente internacional WO 2004/074423-A2, se describe un reactor para el cultivo de microorganismos fotosintéticos basado en una cámara de cultivo delimitada por paredes de material transparente, contenida en una estructura metálica en forma de malla, y fluidizado por aire introducido por la parte inferior. El sistema comprende también un sistema de refrigeración mixto por serpentín y/o rociadores de agua, y la disposición de

los sensores necesanos para la medida y regulación de los principales

parámetros físico-químicos del cultivo. La patente de Estados Unidos 4952511 describe un fotobiorreactor 5 para el cultivo de microorganismos fotosintéticos. Este fotobiorreactor comprende un tanque, al menos una cámara de luz, que se extiende hacia dentro del tanque, y al menos una lámpara de alta intensidad, cuya luz se dirige a la cámara de luz. Cada una de las cámaras de luz posee al menos una pared transparente y un dispositivo para la distribución esencialmente 1 O uniforme de la luz de la lámpara sobre la pared transparente. Para el desarrollo industrial de la tecnología del cultivo de microorganismos fotoautótrofos es necesario realizar el escalado de los sistemas fotobiorreactores cerrados. Este escalado presenta aún limitaciones 15 importantes, ya que hay cuestiones clave que deben ser aún resueltas como el efectivo y eficiente aprovechamiento de luz, el suministro de co2 con las menores pérdidas posibles, o la eliminación del oxígeno generado durante la fotosíntesis, cuya acumulación puede inhibir el metabolismo y producir daños en el cultivo. 20 Con este propósito se han ensayado sistemas tubulares, tanto verticales como horizontales de columna de burbujeo o panelares. Los intentos más decididos en cuanto al escalado de estos sistemas se han producido en sistemas tubulares, considerados como los más adecuados para 25 el cultivo comercial de microalgas a gran escala. Sin embargo, siguen apareciendo algunos de los problemas fundamentales antes mencionados, como la acumulación de oxígeno disuelto (producto de la fotosíntesis) , el

agotamiento de C02, o las variaciones de pH, que limitan la longitud de los tubos y en consecuencia el escalado del sistema. Por tanto, los reactores tubulares no pueden escalarse indefinidamente, y las plantas de producción a gran escala dependen en parte de multiplicar el número de unidades de reactores. 5 Además del escalado, otro de los problemas fundamentales a la hora de obtener altas productividades de biomasa está relacionado con la óptima distribución de la luz en el interior del cultivo. Las células en un fotobiorreactor están expuestas a altas intensidades de luz en las 1 O proximidades de la pared, mientras que en las zonas centrales pueden llegar a estar en oscuridad debido al efecto del autosombreado. Las corrientes en el medio líquido mueven las células a través de zonas con diferente iluminación produciéndose una fluctuación en el régimen de luz para cada célula individual que pasa por las diferentes zonas, iluminadas o no. En este sentido, 15 podría hablarse de tres zonas de luz en el reactor: una zona exterior, cercana a la pared, que está expuesta a elevadas intensidades de luz y puede provocar fotoinhibición (daños por exceso de luz) ; una zona intermedia con iluminación ideal; y una zona interna con falta de luz y elevada velocidad de respiración. 20 DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El sistema que se preconiza ha sido concebido para resolver la problemática anteriormente expuesta, previéndose en primer lugar una 25 modularidad del mismo que hace posible acoplar distintos módulos de cultivo ensene.

Igualmente, la especial configuración y geometría del sistema, que

en adelante se describirá, en forma de paneles verticales, permiten minimizar

la superficie de cultivo, con el consiguiente ahorro de terreno. 5 1 O Mas concretamente, el sistema de la invención, constitutivo de un fotobiorreactor panelar de lecho fluidizado, comprende una pluralidad de módulos en serie,...

5 1 O 1a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, constitutivo de un fotobiorreactor panelar de lecho fluidizado, caracterizado porque comprende una pluralidad de módulos en serie, escalable, estando cada módulo formado por una cámara estanca de cultivo (1) establecida por un marco (2) delimitado por dos placas transparentes (3) , unidas entre si por medios mecánicos o hidráulicos, con la particularidad de que placas (3) y marco (2) de la cámara de cultivo (1) van montados en disposición vertical. 15 2a.Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 1, caracterizado porque el marco (2) de la cámara de cultivo (1) comprende puertos (9) para distintos sensores de pH, oxígeno disuelto, C02 y temperatura, para seguimiento y control de la evolución del cultivo, comprendiendo además dicho marco de cultivo (2) puertos (12) para salida de cultivo, un puerto (13) para entrada del medio de cultivo, y puertos (lO y 11) para entrada de aire y C02 • 20 25 3a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grosor del marco (2) de la cámara de cultivo (1) es variable, en función del paso de luz requerido para el cultivo, siendo ese grosor regulable en base a la variación del espesor de las placas (3) asociadas al propio marco (2) . 4a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 1, caracterizado porque

incluye medios o paneles (8) que dirigen luz desde el exterior, para

suministrar luz por ambas caras. 5 5a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 4, caracterizado porque los paneles de luz (8) incluyen como fuentes de emisión lámparas de luz blanca acalórica, diodos LED's o cualquier otra fuente de luz aprovechable. 1 O 15 6a.Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque opcionalmente se incluyen dispositivos de refrigeración (7) anexos a cada cámara de cultivo (1 ) , para refrigeración de la temperatura en caso de elevación de ésta por la fuente de luz, por encima del valor óptimo para el crecimiento celular y/o la producción de metabolitos de interés, estando dicho dispositivo de refrigeración asociado a un equipo productor de frío (14) . 20 7a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 6, caracterizado porque los dispositivos de refrigeración (7) se constituyen a partir de un marco (5) adyacente al marco alrededor de la cámara de cultivo (1 ) , compartiendo una de las placas (3) de ésta. 25

8a.Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la entrada de gases a través de los puertos ( 1 O y 11) se realiza mediante difusores a través de los cuales se producen microburbujas y la correspondiente agitación efectiva del cultivo, con la particularidad de que

tales difusores están constituidos preferentemente por un material poroso que ocupa total o parcialmente la superficie de la base de la cámara de cultivo.

ga__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque opcionalmente incluye un elemento humidificador (19) de gas, dispuesto con anterioridad a las correspondientes entradas a la cámara de cultivo (1 ) .

1ºa. Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque opcionalmente incluye un medio de control de pH del medio de cultivo conectado con el sistema de inyección de C02, permitiendo controlar el pH mediante inyección de C02 a demanda, en función del valor medido en el interior del cultivo.

11a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la entrada de cultivo a la cámara de cultivo (1) se realiza a través de un puerto superior (13) del correspondiente marco de cultivo (2) , desde un tanque (15) de alimentación, susceptible de complementarse con un tanque adicional de co2 para minimizar el consumo del mismo.

12a. Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque se incluye una bombona de suministro de gases (16) .

13a__ Sistema de cultivo celular para la producción de

5 microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque opcionalmente se incluyen medios de control de espumas a través del correspondiente puerto previsto en la parte superior del marco (2) de cultivo, complementándose con medios de inyección de una sustancia antiespumante en caso necesario para evitar la formación de espumas. 1 O 14a.Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1, 2 y 6, caracterizado porque opcionalmente se incluye un condensador de gases para mantener el balance de éstos en el interior, estando ese condensador de gases conectado a la unidad de frío (14) asociada al dispositivo de refrigeración (7) , para la condensación del gas evaporado durante el proceso. 15 15a.Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se incluye un equipo de control (21) para el correcto funcionamiento de los distintos equipos y componentes del sistema. 20 25