ES2370583A1 - Fotobiorreactor para el cultivo en continuo de microalgas y sistema modular que comprende dichos fotobiorreactores. - Google Patents
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Abstract
Fotobiorreactor para el cultivo en continuo de
microalgas y sistema modular que comprende dichos
fotobiorreactores.
El sistema incorpora fotobiorreactores (22)
regulados por programadores (16) e interconectados formando módulos
regulados por una unidad de control. Cada fotobiorreactor (22)
incorpora al menos una cámara (1) de cultivo, transparente,
permitiendo el paso de un circuito de aireación (2), de un circuito
de medio de cultivo (3) y, opcionalmente, de un circuito de
intercambio de calor. El circuito de aireación (2) suministra
CO_{2} a y retira O_{2} de la cámara (1) de cultivo. El circuito
de medio de cultivo (3) introduce abono y agua y extrae el cultivo y
comprende un primer depósito de agua, un segundo depósito (4) de
medio de cultivo, unos medios de esterilización (7) del medio de
cultivo, y una primera bomba (6) para hacer circular el medio de
cultivo hacia la cámara (1). El medio puede ser cenizas de poda o
salmueras procedentes de desaladoras.
Description
Fotobiorreactor para el cultivo en continuo de
microalgas y sistema modular que comprende dichos
fotobiorreactores.
La presente invención se puede incluir en el
campo de la acuicultura, en particular en el campo del cultivo de
microalgas.
El objeto de la invención se centra en un
fotobiorreactor para el cultivo en continuo de microalgas, así como
en un sistema modular que comprende dichos fotobiorreactores.
En los últimos años se han hecho avances en el
diseño conceptual de fotobiorreactores para el cultivo de
microalgas, en general se considera que para llevar a cabo la
producción masiva de microalgas es imprescindible seleccionar
adecuadamente el diseño de reactor que se va a utilizar. Para ello
se deben tener en cuenta una serie de parámetros función del
microorganismo que se va a emplear, como condiciones óptimas de
crecimiento y resistencia a variaciones ambientales, así como
parámetros económicos, tales como valor del producto obtenido,
capital inmovilizado necesario, costos de operación estimados,
etc.
Las áreas de trabajo en este campo implican:
- -
- Caracterización fluidodinámica y de transferencia de materia y energía.
- -
- Cuantificación de los fenómenos de estrés a que se ven sometidas las células.
- -
- Determinación de la disponibilidad de luz por las células individuales.
- -
- Determinación y control de las variables de operación (pH, temperatura, CO_{2}, O_{2} etc.)
- -
- Productividad del sistema.
Estas áreas están interrelacionadas, así la
caracterización fluidodinámica y transferencia de materia y energía
influye y a la vez estará determinada por el estrés producido en las
células o sus necesidades en cuanto a temperatura y también sobre
las variables de operación a controlar como nivel y remoción de
oxígeno, CO_{2} y control de pH, etc. Todo ello influye en la
productividad del sistema. En general, en un mismo fotobiorreactor
es posible establecer diferentes condiciones de mezclado para
manipular el régimen de iluminación y así la tasa de fotosíntesis.
Los sistemas basados en la aireación del cultivo con aire comprimido
(airlift), se emplean comúnmente por su sencillez y porque pueden
diseñarse para inducir un esfuerzo de corte pequeño que no cause
daño mecánico a las células. [4]
La velocidad de agitación tiene que ser
suficiente para mantener un régimen turbulento que evite el
crecimiento en la pared del reactor o la sedimentación de las
células por una parte y, por otra, que asegure una iluminación
favorable de las células mediante adecuada frecuencia de los ciclos
de luz/sombra para lograr una fotosíntesis intensa. [3]
Para lograr cultivos de ultra alta densidad
celular se han utilizado diversas geometrías de fotobiorreactores y
fuentes de iluminación, tales como reactores planos verticales con
lámparas fluorescentes de luz blanca, reactores iluminados
cuasi-internamente por diodos, reactores iluminados
internamente mediante fibra óptica, y reactores planos inclinados
con iluminación solar mantenidos en exteriores.
Como ejemplo, en el caso del alga Dunaliella
salina, estas algas están muy bien adaptadas para propagarse en
medios que van desde menos concentración de sal que el agua de mar
(0,1 NaCl M) a soluciones saturadas. (>NaCl 5 M).
Hasta el momento se han desarrollado cuatro
métodos para la producción a gran escala de Dunaliella. En el
primero, denominado cultivo extensivo, no se utiliza agitación y el
control del ambiente es mínimo. Para disminuir el ataque de
depredadores (ciliados, amebas, artemias, etc.) se emplean
concentraciones de sal muy altas. En estas condiciones el alga crece
muy lentamente. La productividad de este tipo de cultivo es baja y
se necesitan grandes extensiones para su explotación comercial, si
bien los costes de operación son muy bajos. En el segundo método,
denominado cultivo intensivo, se intentan controlar todos los
factores del crecimiento celular. Los estanques son normalmente
rectangulares, alineados formando canales de tamaño variable. En
este tipo de cultivo se obtienen unos 200 mg. de
B-caroteno/m^{2}\cdotdía como promedio a lo
largo del año, lo que equivale a 2 Kg./Ha\cdotdía. Entre estos dos
sistemas hay un tercero desarrollado en Australia y China, donde se
ha incrementado por un factor de 10 la longitud, no hay agitación y
sí un control parcial. El cuarto sistema es altamente intensivo y se
desarrolla en biorreactores cerrados. Este sistema ha merecido
especial atención desde la última década, aunque se encuentra aún en
fase experimental. [2]
\newpage
En otro ejemplo de interés, el cultivo de
Spirulina sp, los sistemas de producción varían entre sistemas de
estanques abiertos y más o menos tecnificados, donde dependiendo de
los problemas asociados con el suministro de agua natural y el
potencial de la microalga como fuente de biomasa y biomoléculas, se
emplean estanques circulares, raceway (estanque alargado) o
estanques en cascada. Los estanques circulares todavía se emplean en
Japón, Taiwán e Indonesia.
Los estanques con forma raceway (corridos), se
emplean en Israel, los Estados Unidos de América, China y otros
países. Se emplea fertilizante y el cultivo se remueve mediante una
rueda de paletas. La concentración celular puede mantenerse en torno
0.5 g/l y una productividad de alrededor de 25 g/m^{2}\cdotdía
ha sido ampliamente informada. Por otra parte, con objeto de
conseguir altas concentraciones celulares, y mayor control del
cultivo se han propuesto varias formas de fotobioreactores. [1]
Estos incluyen tubos rectos horizontales conectados por curvas en U,
fotobioreactores tipo \alpha con tubos cruzados dispuestos en
ángulo con la horizontal tubos flexibles enrollados alrededor de un
cilindro vertical.
Otro tipo son los biorreactores planos,
usualmente levantados en ángulo con la horizontal y en algunos casos
en vertical con el suelo. [5]
Se han ensayado diversos medios de cultivo, y
variadas temperaturas, en todos los casos el medio es alcalino y
generalmente se encuentra en mayor proporción el bicarbonato
sódico.
El sistema se completa mediante el cosechado del
producto que típicamente comprende operaciones de concentrado,
filtrado, centrifugado, pasteurizado y secado cuidadoso, mediante
spray-dryer, con objeto de evitar el deterioro de
algunos nutrientes.
De lo anteriormente expuesto se deduce que la
producción mediante sistemas cerrados y axénicos semejantes a los
empleados en laboratorio requiere una inversión y coste de
mantenimiento muy elevados, sólo asequible a las grandes empresas,
mientras que, por otro lado, la producción mediante sistemas
abiertos de bajo coste no garantiza el rendimiento ni la calidad del
producto.
Por tanto, el problema técnico que se plantea
trata de la necesidad de producción de microalgas con una relación
producto/coste optimizada mediante el diseño de fotobiorreactores
que permitan alcanzar alta productividad media sin forzar el
cultivo, a unos costes moderados y con un grado de automatización y
control elevado, de tal manera que se posibilite la optimización de
una curva de crecimiento en unas condiciones, si bien no enteramente
axénicas, al menos acotadas y fiables, además de escalabilidad.
[1] Acien Fernández, F.G., Fernández
Sevilla, J.M., Sánchez Perez, J. A., Molina Grima,
E., Chisti, Y., Airlift-driven
external-loop tubular photobioreactors for outdoor
production of microalgae: assesment of design and performance.
Chemical engineering Science 56 (2001)
2721-2732.
[2] García González M., Manzano
J.C., Moreno J., Guerrero M.G. Biotecnología del
cultivo de Dunaliella salina en el litoral andaluz.
Consejería de Agricultura y Pesca. Junta de Andalucía. Sevilla
2000.
[3] Molina E., Acien F.G.,
García F., Chisti Y. Photobioreactors: Light regime,
mass transfer, and scaleup. J. Biotechnol. 70:
231-248 (1999).
[4] Richmond, A., Boussiba, S.,
Vonshak, A. & Kopel, R., A new tubular reactor for
mass production of microalgae outdoors. Journal of Applied
Phycology 5: 327-332, (1993).
[5] Richmond A.,
Cheng-Wu Zhang. Optimization of a flat plate
glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp. outdoors.
Journal of Biotechnology (2001).
La presente invención resuelve el problema
técnico planteado por medio de un fotobiorreactor modular para el
cultivo en continuo de microalgas cuyo funcionamiento está basado en
la conjunción de una columna de burbujeo y de un sistema de riego
localizado. Por una parte, la columna se burbujeo se asimila en la
presente invención a una planta receptora de medio de cultivo (riego
y abonado) de un sistema de riego localizado y, por otra parte, por
medio de la invención se adapta un sistema de riego por goteo a un
cultivo acuícola, obteniéndose en un sistema de riego por inundación
controlada dentro de una cámara de cultivo, dado que la microalga
objeto del cultivo vive sumergida. Un posterior drenaje se
identifica con la cosecha o recolección.
La invención resuelve el problema técnico de
obtener cultivos de microalgas en un fotobiorreactor con
productividad moderadamente alta y alta escalabilidad y sin
necesidad de elevadas inversiones, debido a su facilidad de
implantación a su bajo coste y su versatilidad, así como a su
capacidad para reutilizar materias primas alternativas, en ocasiones
obtenidas de la propia explotación, como son las cenizas de poda o
salmueras de desaladora. Adicionalmente, el empleo del
fotobiorreactor de la invención posibilita una rentabilidad elevada
que permite alcanzar una relación producto/coste optimizada debido a
que dicho biorreactor no ejercita elevados esfuerzos cortantes sobre
las células del cultivo, requiere bajo mantenimiento y posee alto
grado de automatización, permitiendo además una densidad de cultivo
(litros/m^{2}) igual o mayor que el sistema de estanques con una
superficie de iluminación tres veces mayor.
La descripción que sigue se aplica
preferentemente a sistemas cerrados, puesto que permiten un mejor
control de las condiciones de operación. Dentro de los sistemas
cerrados, son aún más preferidos los de tipo de fotobiorreractor con
forma de columna de burbujeo, de mezcla continua y de tipo modular,
lo que permite el escalado por medio agrupación modular de
fotobiorreactores.
Como se ha comentado anteriormente, la invención
trata de un sistema modular de fotobiorreactores cerrados para el
cultivo de microalgas en un medio de cultivo continuo. Los
biorreactores se conectan entre sí en serie o en paralelo según
módulos que, a su vez, se pueden agrupar en sectores, etc. de forma
que cada unidad superior de agrupación a partir de un simple
fotobiorreactor está controlada por un programador.
Cada fotobiorreactor está constituido por uno o
varios tubos o celdas transparentes, denominados cámaras de cultivo,
dispuestos en posición vertical, que comprenden de manera preferente
extremos (superior e inferior) abiertos adaptados para ser tapados
por unos medios de cierre superior e inferior, respectivamente,
dispuestos en dichos extremos y para permitir la instalación dentro
de la cámara de cultivo de un circuito de aireación y de un circuito
de medio de cultivo. Opcionalmente también se contempla la
instalación análoga de un circuito de intercambio de calor.
Preferentemente se emplea para la disposición vertical de los tubos
un soporte liviano con estructura troncopiramidal de base
triangular. De esta manera se admiten en un único plano los tres
vértices de dicha base triangular, lo que redunda en la estabilidad
del soporte. Adicionalmente, la disposición en según dicho soporte
liviano de base triangular facilita la transportabilidad del
biorreactor.
El circuito de medio de cultivo permite la
entrada en la cámara de cultivo del medio del cultivo y la salida
del cultivo. El medio de cultivo está constituido preferentemente de
cenizas de poda, o salmueras procedentes de desaladoras, como
ejemplos de medios de cultivo alternativos medioambientalmente
beneficiosos.
El circuito de aireación permite suministrar
CO_{2} en el interior de la cámara de cultivo y retirar a su vez
O_{2} de dicha cámara de cultivo. Dicho circuito de aireación
comprende un compresor y un filtro, a través de los cuales el aire
exterior se impulsa hacia el fondo de la cámara de cultivo y
posteriormente hacia el exterior en forma de burbujas, con un caudal
regulable en intensidad y en tamaño de burbujas, por medio del
compresor y de unos difusores. La regulación del circuito de
aireación es independiente del control establecido por el
programador.
El circuito de intercambio de calor, opcional,
puede estar compuesto por un intercambiador de calor ubicado en el
interior de la cámara de cultivo y, en determinadas ubicaciones, o
en forma no exclusiva puede estar alternativamente constituido por
una cubierta de plástico o de material transparente, para los
períodos fríos, o por un medio de humidificación en períodos
cálidos.
El circuito de medio de cultivo comprende una
fuente o primer depósito de agua, un segundo depósito donde se
prepara el medio de cultivo, unos medios de esterilización del medio
de cultivo, y una primera bomba adaptada para hacer circular el agua
y/o el medio de cultivo hacia la cámara de cultivo desde el primer
depósito y el segundo depósito respectivamente. El medio de cultivo
pasa por medio de la primera bomba regulada por el programador hacia
la cámara de cultivo, de donde sale bien a través de unos
rebosaderos o bien alternativamente a través de una segunda bomba,
desde donde llega a unos medios de filtrado, donde se separa una
pequeña parte como producto cosechado y la otra parte pasa a unos
medios de reciclado, donde nuevamente se divide, pasando una parte a
la cámara de cultivo y otra pasa a un depósito de detritos.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra un esquema de la estructura y
del funcionamiento del fotobiorreactor de la invención.
El sistema modular de la invención está
constituido a partir de fotobiorreactores (22) individuales
interconectados en serie o en paralelo y agrupados en módulos, que a
su vez se pueden agrupar en sectores, etc. El funcionamiento de cada
fotobiorreactor (22) está controlado por un programador (16),
mientras que el funcionamiento de cada agrupación superior (módulo,
sector, etc.) a partir de los simples fotobiorreactores (22) está
gobernada por sendas unidades de control (no representadas).
El fotobiorreactor (22) mostrado en la figura 1
comprende una cámara (1) de cultivo en forma de tubo de metacrilato
tapado en ambos extremos por medios de cierre superior (12) e
inferior (13). Las cámaras (1) de cultivo están dispuestas en
posición vertical y los medios de cierre superior (12) están
adaptados, por medio de perforaciones (no representadas), para
alojar la entrada de un circuito de aireación (2) y de un circuito
de medio de cultivo (3). El diámetro de las perforaciones y de las
cámaras (1) se determina según la teoría hidráulica y los
conocimientos del riego localizado.
El circuito de aireación (2) permite suministrar
CO_{2} en el interior de la cámara (1) de cultivo y retirar a su
vez O_{2} de dicha cámara (1) de cultivo. Dicho circuito de
aireación (2) comprende un compresor (14) y un filtro (15), a través
de los cuales el aire exterior se impulsa hacia el fondo de la
cámara (1) de cultivo y posteriormente hacia el exterior en forma de
burbujas, con un caudal regulable en intensidad y en tamaño de
burbujas, por medio del compresor (14) y de unos difusores (no
representados).
El circuito de medio de cultivo (3) comprende un
primer depósito (no representado) de agua, un segundo depósito (4)
de medio de cultivo, unos medios de esterilización (7) del medio de
cultivo, y una primera bomba (6) adaptada para hacer circular el
medio de cultivo y/o el agua hacia la cámara (1) de cultivo desde el
primer depósito (4) y el segundo depósito respectivamente. El medio
de cultivo pasa por medio de la primera bomba (6), regulada por el
programador (16), hacia la cámara (1) de cultivo, de donde sale bien
a través de unos rebosaderos (8) o bien alternativamente a través de
una segunda bomba (no mostrada), desde donde llega a unos medios de
filtrado (9), donde se separa una pequeña parte como producto
cosechado, a través de unos medios de cosechado (10) que comprenden
unos medios de drenaje, y la otra parte pasa a unos medios de
reciclado (18), adaptados para separar detritos del filtrado y
conducir dicho filtrado sin detritos a través de una tercera bomba
(21) hacia el interior de la cámara (1) de cultivo. Los detritos son
conducidos a un depósito de detritos (19), donde se recupera una
parte susceptible de ser trasladada hacia el segundo depósito (4) de
medio de cultivo.
El circuito de medio de cultivo (3) permite la
entrada en la cámara (1) de cultivo del medio del cultivo (abono y
agua) y la salida del cultivo. El medio de cultivo está constituido
por cenizas de poda, o salmueras procedentes de desaladoras, que
constituyen medios de cultivo alternativos medioambientalmente
beneficiosos.
Claims (10)
1. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en
continuo de microalgas, que comprende al menos una cámara (1) de
cultivo, fabricada en material transparente y adaptada para ser
sostenida en posición sustancialmente vertical, conteniendo un
cultivo de microalgas,
caracterizado porque comprende
adicionalmente:
- un circuito de aireación (2) adaptado para
proporcionar al cultivo contenido en la cámara (1) de cultivo un
suministro de CO_{2} a través de un compresor (14) y un filtro
(15) y efectuar retirada de O_{2}, y
- un circuito de medio de cultivo (3) adaptado
para producir la entrada y salida de un medio de cultivo y de agua
en la cámara (1) de cultivo, por medio de un sistema de gotero.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en
continuo de microalgas de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el circuito de medio de cultivo (3)
comprende:
- un primer depósito de agua,
- un segundo depósito (4) de medio de
cultivo,
-unos medios de esterilización (7) del medio de
cultivo, y
- una primera bomba (6) adaptada para hacer
circular el agua y/o el medio de cultivo hacia la cámara (1) de
cultivo desde el primer depósito y el segundo depósito (4)
respectivamente.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en
continuo de microalgas de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque incorpora
adicionalmente un medio de intercambio de calor con el cultivo.
4. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en
continuo de microalgas de acuerdo con la reivindicación 3,
caracterizado porque el medio de intercambio de calor se
selecciona entre:
- un intercambiador de calor instalado en el
interior de la cámara (1) de cultivo,
- una cubierta de material transparente, para
períodos fríos, y
- un medio de humidificación, para períodos
cálidos.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en
continuo de microalgas de acuerdo con la reivindicación 3,
caracterizado porque la cámara (1) de cultivo está abierta en
sus extremos, incorporando unos medios de cierre superior (12) e
inferior (13) dispuestos en dichos extremos, estando los medios de
cierre (12, 13) adaptados para permitir el paso del circuito de
aireación (2), del circuito de medio de cultivo (3) y del medio de
intercambio de calor.
6. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en
continuo de microalgas de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el medio de cultivo se selecciona entre
al menos uno de los elementos de la siguiente lista:
- cenizas de poda,
- salmueras procedentes de desaladora.
\vskip1.000000\baselineskip
7. Fotobiorreactor (22) para el cultivo en
continuo de microalgas de acuerdo con al reivindicación 1,
caracterizado porque incorpora adicionalmente una línea de
recolección que comprende:
- un rebosadero (8) o una segunda bomba,
adaptados para permitir la salida del cultivo de la cámara (1) de
cultivo,
- unos medios de filtrado (9) del cultivo,
adaptados para producir un cultivo filtrado, y
- unos medios de cosechado (10) del cultivo, que
comprenden unos medios de drenaje del cultivo.
\vskip1.000000\baselineskip
8. Fotobiorreactor para el cultivo en continuo
de microalgas de acuerdo con la reivindicación 7,
caracterizado porque comprende adicionalmente unos medios de
reciclado (18) adaptados para separar detritos del cultivo filtrado
y conducir el cultivo filtrado sin detritos a través de una tercera
bomba (21) hacia el interior de la cámara (1) de cultivo.
9. Fotobiorreactor para el cultivo en continuo
de microalgas de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende un soporte troncopiramidal de
base triangular adaptado para soportar la cámara (1) de cultivo en
posición vertical y para transportar el fotobiorreactor.
10. Sistema modular que comprende
fotobiorreactores (22) descritos en una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, estando los fotobiorreactores (22)
interconectados y agrupados en módulos, caracterizado porque
comprende adicionalmente una unidad de control adaptada para
controlar el funcionamiento de los módulos.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| ES200931036A ES2370583B1 (es) | 2009-11-20 | 2009-11-20 | Fotobiorreactor para el cultivo en continuo de microalgas y sistema modular que comprende dichos fotobiorreactores. |
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| EP10831187.9A EP2540814A4 (en) | 2009-11-20 | 2010-11-18 | PHOTOBIOREACTOR FOR THE CONTINUOUS CULTURE OF MICRO-ALGAE AND MODULAR SYSTEM COMPRISING SUCH PHOTOBIOREACTORS |
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| ES200931036A ES2370583B1 (es) | 2009-11-20 | 2009-11-20 | Fotobiorreactor para el cultivo en continuo de microalgas y sistema modular que comprende dichos fotobiorreactores. |
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- 2010-11-18 EP EP10831187.9A patent/EP2540814A4/en not_active Withdrawn
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| EP2540814A1 (en) | 2013-01-02 |
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