BR102018011846A2 - sistema de agitação de fluxo vertical para tanques de cultivo de microalga - Google Patents

Abstract

sistema de agitação de fluxo vertical para tanques de cultivo de microalga. a presente invenção está relacionada ao cultivo de microalga para a produção de biocombustíveis. nesse cenário, a presente invenção provê um sistema de agitação de fluxo vertical para tanques de cultivo de microalga, que compreende: uma fonte geradora de energia (1); um dispositivo de armazenamento de energia (2); um sistema de controle (3); um motor elétrico (4); pelo menos um sensor de fim de curso (5); uma placa de agitação (6); um sistema de transmissão (7) de torque; e pelo menos dois elementos de movimentação (8) laterais.

Description

“SISTEMA DE AGITAÇÃO DE FLUXO VERTICAL PARA TANQUES DE CULTIVO DE MICROALGA”

CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A presente invenção está relacionada ao cultivo de microalga para a produção de biocombustível. Mais particularmente, a presente invenção está relacionada a sistemas de agitação de tanques de cultivo de microalga.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0002] A demanda mundial de energia tem aumentado cada vez mais, e conseguir fontes de energia alternativa capazes de atenderem a este aumento tem se tornado o grande foco de pesquisas em todo o mundo. Além disso, a utilização intensiva de combustíveis fósseis vem gerando sérios problemas relacionados à degradação ambiental, às mudanças climáticas e à saúde da população.

[0003] Existem várias fontes de energias renováveis que podem ser exploradas para compor a matriz energética junto aos derivados do petróleo. Neste contexto, os biocombustíveis têm se apresentado como uma alternativa técnica e economicamente viável.

[0004] O biodiesel de uso comercial tem sido produzido a partir de óleos vegetais, de óleos residuais de frituras e de gorduras animais. Os óleos vegetais são fontes importantes de triacilglicerídeos empregadas na produção de biodiesel, tanto pela qualidade do perfil de ácidos graxos quanto pela disponibilidade destes óleos no setor agrícola.

[0005] Porém, a produção de biodiesel a partir de óleos vegetais como de soja, de girassol e de algodão, compete com a produção de alimentos, uma vez que as principais culturas vegetais que produzem esses óleos também fornecem outros produtos para a

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 8/31 / 12 indústria alimentícia. Assim, é necessário identificar e desenvolver uma fonte de triglicerídeos que não seja de interesse de outros setores industriais, com o objetivo de minimizar a competição com estes setores, garantindo a viabilidade do biodiesel como fonte alternativa ao diesel. Neste contexto, as microalgas se apresentam como uma fonte de óleo para a produção de biodiesel muito promissora.

[0006] Assim como as plantas vasculares, as microalgas requerem três componentes básicos para o crescimento: luz, água e nutrientes. Em adição, as microalgas possuem eficiência fotossintética superior às plantas vasculares, com rápido crescimento e acúmulo de biomassa vegetal, ou seja, produzem mais biomassa por hectare em menos tempo.

[0007] A produtividade de microalgas de óleo/hectare esperada excede cerca de 10 vezes a produtividade da palma, por exemplo, que é considerada a espécie terrestre mais produtiva em óleo. Deste modo, as microalgas são uma alternativa de expressivo potencial para a produção de biocombustíveis (biomassa, óleo, biodiesel, metano e hidrogênio).

[0008] Adicionalmente, devido ao seu rápido crescimento, as microalgas são fixadoras eficientes de carbono atmosférico, fixando grandes volumes de carbono, via fotossíntese, em muito pouco tempo. Estima-se que cada tonelada de biomassa algal produzida consuma aproximadamente duas toneladas de dióxido de carbono por meio da fotossíntese, o que representa de dez a vinte vezes mais carbono do que o absorvido pelas culturas oleaginosas.

[0009] Outra vantagem observada reside no fato de que a produção de biodiesel a partir de microalgas não compete com a indústria de alimentos, uma vez que requer áreas de cultivo menos

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 9/31 / 12 extensas e pode ser conduzida em áreas que não são de interesse para a agricultura.

[0010] Por atuarem naturalmente como fixadoras de gás carbônico, o cultivo de microalgas pode ser associado às linhas de emissão de gás carbônico da indústria, tais como fábricas de cimento, refinarias de petróleo, de papel e celulose, usinas siderúrgicas e unidades de geração termoelétrica, que são as grandes emissoras de gás carbônico.

[0011] A fixação de gás carbônico por si, já agregaria valor a estas indústrias, por meio do mercado de crédito de carbono. Além da fixação de carbono, as microalgas possuem grande capacidade de remoção de nutrientes de águas residuais, tais como água de resíduo petroquímico, auxiliando no tratamento de efluentes.

[0012] A produção comercial de microalgas é realizada tanto em sistemas abertos como em sistemas fechados. Os sistemas fechados, denominados fotobiorreatores, são aqueles em que não existe um contato direto entre o cultivo e o ambiente externo. Nesses sistemas, o risco com contaminações é menor e existe um maior controle das condições de processo, como temperatura, pH e concentração de nutrientes.

[0013] Porém, os fotobiorreatores são caracterizados por elevadas relações entre área superficial e volume, e por necessitarem de dispositivos de refrigeração com elevado consumo de energia, o que impede sua aplicação na produção em larga escala. No sistema de cultivo em tanques abertos há contato direito com o ambiente externo, o que o torna mais vulnerável a contaminações.

[0014] Entretanto, a relação entre área superficial e volume alcança valores moderados, e o custo de operação e manutenção deste tipo de sistema são muito inferiores aos valores encontrados

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 10/31 / 12 nos sistemas fechados, o que os torna mais atrativos para produção em grande escala. Mesmo no sistema de produção de microalgas em tanques abertos, há a necessidade de se agitar o cultivo para expor as células à luz, o que demanda energia.

[0015] Atualmente, o tipo de sistema aberto utilizado para a produção em larga escala de microalgas é denominado raceway, que são geralmente constituídos por uma estrutura de alvenaria em forma elíptica, rasa e desmembrada ao meio, de modo a formar dois canais paralelos, sendo um deles provido com um agitador para movimentação da biomassa em suspensão. O agitador geralmente é constituído por bombeamento submerso, injeção de ar ou por pás giratórias.

[0016] O sistema raceway possui uma alta demanda de energia elétrica para seu funcionamento, pois seus agitadores mantém a biomassa em suspensão para expor suas células à luz, e também promovem um movimento circular de todo o fluido que se encontra no tanque. Desta forma, a energia demandada para realizar uma agitação eficiente neste tipo de sistema é alta, e consequentemente incorrem em custos adicionais ao produto final.

[0017] O sistema de agitação de fluxo vertical é outra técnica utilizada para exposição das células do cultivo. O agitador apresenta a forma de uma estrutura vertical que, disposta dentro do tanque, divide o volume total do mesmo em duas seções contíguas e de volume variável, interligados somente por uma estreita comunicação na sua extremidade inferior. A estrutura vertical percorre todo o tanque na sua direção longitudinal, e repete esse processo em ciclos contínuos. Esse sistema demanda menos energia que o raceway, diminuindo o custo da produção de biomassa algal, porém, em sistema de cultivo em grande escala ainda é requerido o uso de energia elétrica.

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 11/31 / 12 [0018] Diversos sistemas de agitação aplicados a tanques de cultivo de microalgas são conhecidos do estado da técnica. Alguns desses sistemas serão apresentados a seguir.

[0019] O documento US7763457B2 descreve um sistema de cultivo de algas para uso como fonte de biodiesel que compreende barreiras separadas entre si por distâncias predeterminadas para criar uma esteira de vórtices de von Karman para movimentar as células de algas, sequencialmente, para superfície do escoamento para receber luz solar. Para promover o escoamento através dos canais são utilizadas pás giratórias que fazem o fluido se mover através dos canais.

[0020] O documento WO2013153402A1 apresenta um método de cultura de microalgas em tanques tipo raceway, em que o estado fisiológico das algas é manipulado alterando um ou mais parâmetros ambientais de modo a simular condições de reprodução das algas e as condições do tanque em si. A alteração de um ou mais parâmetros ambientais de uma maneira especificamente cronometrada pode ser usada para induzir e manter a divisão celular síncrona. De acordo com este documento, para manter o escoamento de microalgas e água circulando pelo tanque, são adotadas pás giratórias posicionadas em extremidades dos tanques.

[0021] O documento WO2008048861A2 propõe um sistema de produção de alga para uso em um reator de dois estágios, que compreende um separador de alga conectado por um duto a um reator de cultivo destinado ao crescimento de algas com alto teor de óleo.

[0022] De acordo com o WO2008048861A2, para que o escoamento do cultivo de microalgas seja mantido constante em reator de fluxo empistonado (plug flow reactor), são utilizadas pás

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 12/31 / 12 rotativas em um segundo reator. No entanto, nenhum detalhe é fornecido com relação a esses dispositivos.

[0023] O documento US9593302B1 apresenta um método para fracionar um cultivo de microalga, que compreende em adições de meio de cultura em fase aquosa em um tanque, transferir o cultivo em crescimento para um dispositivo, visando remover a fração superior e coletar a fração inferior, contendo microalgas. O tanque descrito compreende um dispositivo para movimentar a cultura, em que esse dispositivo pode ser um misturador, uma bomba, um conjunto de pás, dentre outros, sem que nenhum detalhe seja fornecido.

[0024] O documento CN203668406U revela um dispositivo de controle de agitação por injeção de ar para um cultivo de microalgas em um tanque que compreende um distribuidor de gás, configurado com uma tubulação de ventilação provida de válvula eletromagnética. De acordo com este documento, o conjunto de controle de agitação compreende um painel de célula solar, uma primeira resistência, um conversor de frequência, um motor e uma pá de agitação rotativa.

[0025] À luz do exposto, fica evidente que o estado da técnica ainda tem uma demanda por sistemas de automação e controle autônomo para sistemas de agitação de fluxo vertical, aplicados a tanques de cultivo de microalgas ou a quaisquer reatores que fazem uso desse tipo de sistema de agitação, com o objetivo de reduzir o custo de produção de biomassa de microalgas, visando a produção de biodiesel.

[0026] A presente invenção visa a solução dos problemas do estado da técnica acima descrito de forma prática e eficiente, sendo descrita em detalhes na seção seguinte.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0027] O objetivo da presente invenção é o de prover sistemas

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 13/31 / 12 de agitação de fluxo vertical aplicado a tanques de cultivo de microalgas, ou a quaisquer biorreatores, que sejam mais eficientes que os conhecidos do estado da técnica, além de prover uma redução no consumo energético desses sistemas.

[0028] De forma a alcançar os objetivos acima descritos, a presente invenção provê um sistema de agitação de fluxo vertical para tanques de cultivo de microalga, que compreende em: uma fonte geradora de energia; um dispositivo de armazenamento de energia; um sistema de controle; um motor elétrico; pelo menos um sensor de fim de curso; uma placa de agitação; um sistema de transmissão de torque; e pelo menos dois elementos de movimentação laterais. BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [0029] A descrição detalhada apresentada na seção seguinte faz referência às figuras anexas e seus respectivos números de referência.

[0030] A Figura 1 ilustra uma vista de uma configuração opcional do sistema de agitação de fluxo vertical autônomo da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0031] Preliminarmente, ressalta-se que a descrição que se segue partirá de uma concretização preferencial da invenção. Como ficará evidente para qualquer técnico no assunto, no entanto, a invenção não está limitada a essa concretização particular.

[0032] A Figura 1 ilustra uma vista de uma configuração particular do sistema de agitação de fluxo vertical da presente invenção.

[0033] Como pode ser observado na Figura 1, em uma configuração específica da invenção ora descrita, o sistema compreende em: uma fonte geradora de energia 1; um dispositivo de

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 14/31 / 12 armazenamento de energia 2; um sistema de controle 3; um motor elétrico 4; pelo menos um sensor de fim de curso 5; uma placa de agitação 6; um sistema de transmissão 7 de torque; e pelo menos dois elementos de movimentação 8 laterais.

[0034] A fonte geradora de energia 1 preferencialmente é uma fonte geradora autônoma, a qual irá prover toda a energia necessária ao funcionamento do sistema. Diversas fontes geradoras de energia 1 podem ser adotadas, em que uma fonte autônoma é preferida.

[0035] Opcionalmente, a fonte geradora de energia 1 é do tipo renovável e pode ser de qualquer tipo conhecido do estado da técnica, como geradores de energia fotovoltaica ou eólica, dentre outros.

[0036] Na Figura 1 é ilustrada uma configuração em que a fonte geradora de energia 1 é uma placa fotovoltaica posicionada acima do sistema de agitação de fluxo vertical autônomo. Nesta configuração, a energia solar poderia ser transformada em energia elétrica para alimentar todo o sistema.

[0037] A invenção também prevê uma combinação de diferentes fontes de energia, assim, caso as condições ambientais não sejam favoráveis a um tipo de fonte geradora de energia 1, outras podem ser usadas, não comprometendo o funcionamento do sistema como um todo.

[0038] O dispositivo armazenador de energia 2 é opcionalmente adotado para armazenar o excedente de energia gerado pela fonte geradora de energia 1. O dispositivo armazenador de energia 2 adotado pode ser qualquer um conhecido do estado da técnica, como pelo menos uma bateria, pelo menos um supercapacitor, ou a interação destes, dentre outros.

[0039] Opcionalmente, como ilustrado na Figura 1, o dispositivo

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 15/31 / 12 armazenador de energia 2 é integrado ao conjunto do sistema de agitação de fluxo vertical. Em configurações alternativas, no entanto, o dispositivo armazenador de energia 2 pode ser fixado em um ponto externo ao sistema e conectado por cabos elétricos ao mesmo.

[0040] Opcionalmente, também é adotado um sistema de controle 3 que realizará o controle do sentido de movimentação do sistema de agitação de fluxo vertical autônomo. Este sistema de controle 3 pode ser composto por microcontroladores, ou por controladores lógicos programáveis, ou por relés, ou pela interação destes, dentre outros.

[0041] Novamente, quando adotado, o sistema de controle 3 pode ser afixado ao conjunto do sistema de agitação de fluxo vertical. Mas, em configurações alternativas, o sistema de controle 3 pode ser fixado em um ponto externo ao sistema, em que a comunicação entre o sistema de controle 3 e os elementos controlados pode ser dar de forma sem fio.

[0042] Os sensores de fim de curso 5 são adotados para detectar quando o sistema de agitação chega ao fim do tanque de cultivo em um sentido. Quando isso ocorre, o sensor de fim de curso 5 envia uma informação para o sistema de controle 3 que irá inverter o movimento do sistema de agitação, que irá se deslocar no sentido oposto, ou seja, em direção à outra extremidade do tanque de cultivo.

[0043] Ressalta-se que o sistema de controle 3 é responsável por controlar todos os elementos do sistema de agitação, em que a comunicação entre o sistema de controle e os demais elementos pode se ser realizada de qualquer forma conhecida, como por cabos elétricos ou conexões sem fio.

[0044] O motor 4 é o dispositivo que transformara a potência elétrica, recebida da fonte geradora 1 ou do dispositivo de

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 16/31 / 12 armazenamento 2, em trabalho mecânico para efetivamente movimentar o sistema de agitação, em especial a placa de agitação.

[0045] Para isso, a invenção compreende um sistema de transmissão 7 para transmitir o torque gerado pelo motor 4 até os elementos de movimentação 8.

[0046] O sistema de transmissão 7 adotado pode ser qualquer um conhecido do estado da técnica. Na configuração opcional ilustrada, o sistema de transmissão 7 compreende um conjunto de engrenagens e eixos que transmitem o torque necessário aos elementos de movimentação 8.

[0047] Os elementos de movimentação 8 são responsáveis por movimentar o sistema de agitação, em especial a placa de agitação 6 ao longo do tanque de cultivo. Opcionalmente, os elementos de movimentação 8 são posicionados lateralmente com relação à placa de agitação 6, assim eles também auxiliam no equilíbrio físico do sistema.

[0048] Ressalta-se que, apesar de os elementos de movimentação 8 laterais ilustrados na Figura 1 compreenderem duas rodas, cada uma posicionada em cada extremidade lateral da placa de agitação 6, outras configurações podem ser adotadas.

[0049] Por exemplo, os elementos de movimentação 8 podem compreender trilhos laterais, correntes laterais conectadas a eixos dentados, ou quaisquer outras configurações que permitam a movimentação do sistema de agitação ao longo do tanque de cultivo.

[0050] Opcionalmente, os elementos de movimentação 8 podem ser apoiados e se movimentarem sobre uma borda lateral do tanque de cultivo.

[0051] A placa de agitação 6 é o elemento responsável por efetivamente realizar a agitação do líquido (consequentemente as

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 17/31 / 12 microalgas) no tanque de cultivo, para que as células de microalgas estejam sempre expostas à luz.

[0052] A placa de agitação 6 adotada é do tipo comumente adotado no estado da técnica. Assim, a placa de agitação 6 tem dimensões laterais aproximadamente iguais às dimensões laterais internas do tanque de cultivo, de modo que o mínimo de fluxo de cultivo é permitido passar pelas laterais da placa de agitação 6.

[0053] Em adição, a placa de agitação 6 se estende verticalmente desde uma posição acima da linha de água do tanque de cultivo até uma região próxima ao fundo do tanque.

[0054] Assim, a placa de agitação 6 pode ter diferentes formatos, em que o formato adotado deverá acompanhar substancialmente o formato da seção transversal do tanque de cultivo, em que as laterais da placa de agitação 6 devem ficar o mais próximo possível das paredes do tanque, e a região inferior da placa de agitação 6 deve manter uma distância determinada do fundo do tanque, tal que seja permitida a passagem de fluido pela região inferior.

[0055] Assim, o funcionamento do sistema de agitação de fluxo vertical da presente invenção pode ser resumido como descrito a seguir.

[0056] A fonte geradora de energia 1 fornece a energia para todo o sistema e direciona pelo menos parte da energia ao dispositivo de armazenamento 2, ao motor 4 e ao sistema de controle 3. O motor 4 fornece o conjugado mecânico ao sistema de transmissão 7 que transmite torque para os elementos de movimentação 8 e movimenta o sistema.

[0057] O sistema de controle 3 define o sentido de movimentação de todo conjunto apresentado na Figura 1, ou seja,

Petição 870180050107, de 12/06/2018, pág. 18/31 / 12 quando o mesmo chegar a alguma das extremidades do tanque, o sensor 5 de fim de curso detecta sua posição e envia um sinal ao sistema de controle 3 para que o mesmo inverta a rotação do motor 4. O conjunto então se desloca no sentido contrário, realizando assim uma movimentação periódica, percorrendo todo o tanque na direção longitudinal.

[0058] Desta forma, enquanto o sistema se desloca no cultivo, a placa de agitação 6 que está em contato direto com o mesmo realiza a agitação das microalgas, expondo as mesmas à luz.

[0059] Assim, a invenção provê um sistema de agitação de fluxo vertical autônomo com a utilização de uma central geradora fotovoltaica para fornecer toda a energia demandada para realizar a agitação do cultivo, o que gera uma redução do custo com energia elétrica.

[0060] Com todo o exposto, fica claro que o sistema de agitação de fluxo vertical da presente invenção, demonstra uma série de vantagens em relação aos modelos do estado da técnica, as quais: redução do custo unitário de produção de biomassa de microalgas; automatização do sistema de agitação, tonando-o capaz de funcionar mesmo em áreas remotas onde não exista a oferta de energia elétrica; sistema de baixa manutenção, uma vez que os dispositivos que o compõem possuem uma alta durabilidade; e facilidade de adaptação dos sistemas de cultivos atuais a esta invenção.

[0061] Inúmeras variações incidindo no escopo de proteção do presente pedido são permitidas. Dessa forma, reforça-se o fato de que a presente invenção não está limitada às configurações e concretizações particulares acima descritas.

Claims (8)

1. Sistema de agitação de fluxo vertical para tanques de cultivo de microalga, caracterizado por compreender: uma fonte geradora de energia (1); um dispositivo de armazenamento de energia (2); um sistema de controle (3); um motor elétrico (4); pelo menos um sensor de fim de curso (5); uma placa de agitação (6); um sistema de transmissão (7) de torque; e pelo menos dois elementos de movimentação (8) laterais.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a fonte geradora de energia (1) ser pelo menos um de: um gerador de energia fotovoltaica; e um gerador de energia eólica.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o dispositivo armazenador de energia (2) ser pelo menos uma bateria, ou pelo menos um supercapacitor, ou uma combinação destes.

4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o sistema de controle (3) ser adaptado para realizar o controle do sentido de movimentação do sistema de agitação de fluxo vertical autônomo, em que o sistema de controle (3) é composto por pelo menos um de: microcontroladores; controladores lógicos programáveis; e relés.

5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por os sensores de fim de curso (5) serem adaptados para detectar quando o sistema de agitação chega ao fim do tanque de cultivo em um determinado sentido.

6. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o sistema de transmissão (7) de torque ser adaptado para transmitir o torque gerado pelo motor (4)

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2 / 2 até os elementos de movimentação (8), em que o sistema de transmissão (7) compreende um conjunto de engrenagens e eixos.

7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por os elementos de movimentação (8) serem adaptados para movimentar o sistema de agitação ao longo do tanque de cultivo, em que os elementos de movimentação (8) são posicionados lateralmente com relação à placa de agitação (6), em que, os elementos de movimentação (8) compreendem pelo menos um de: trilhos laterais; correntes laterais conectadas a eixos dentados; e rodas laterais, e em que os elementos de movimentação (8) são apoiados e se movimentam sobre uma borda lateral do tanque de cultivo.

8. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a placa de agitação (6) compreender um formato que acompanha substancialmente o formato da seção transversal do tanque de cultivo, em que as laterais da placa de agitação (6) são posicionadas de forma justa com relação às paredes laterais do tanque, e a região inferior da placa de agitação (6) manter uma distância determinada do fundo do tanque, tal que seja permitida a passagem de fluido pela região inferior.