BR102019026874A2

BR102019026874A2 - HYBRID PHOTOBIOREACTOR FOR ACCELERATED CULTIVATION OF MICROALGAE AND CYANOBACTERIA IN THE TREATMENT OF EFFLUENTS AND OTHER POLLUTED MEDIA

Info

Publication number: BR102019026874A2
Application number: BR102019026874-3A
Authority: BR
Inventors: Adna Caroline Vale Oliveira; Félix Limoeiro De Araújo Júnior; Ícaro Thiago Andrade Moreira; Isadora Machado Marques; Jardel Santos De Jesus
Original assignee: Facs Serviços Educacionais Ltda
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-29

Abstract

fotobiorreator híbrido para cultivo acelerado de microalgas e cianobactérias no tratamento de efluentes e outros meios poluídos, se refere a um fotobiorreator (1) híbrido aplicado preferencialmente a microalgas e cianobactérias, as quais atuarão na biodegradação de poluentes derivados de esgotos, dos hidrocarbonetos de petróleo (htps), e na extração de metais pesados (ni, pb, cr, zn, cu) em águas, que combinas as tecnologias de placas planas e a air-lift, em que a primeira tecnologia, entre outros aspectos, além de comportar o meio reacional permite a passagem da luz solar, e a segunda tecnologia, por meio de um difusor (10) instalado nas placas planas oblíquas (6) a 45º, permite apenas um sentido de fluxo do ar atmosférico para agitação do ar atmosférico no meio reacional propriamente dito, desta forma possibilitando o controle dos intervalos ótimos de parâmetros, que favorece o crescimento das espécies cultivadas.hybrid photobioreactor for accelerated cultivation of microalgae and cyanobacteria in the treatment of effluents and other polluted media, refers to a hybrid photobioreactor (1) applied preferentially to microalgae and cyanobacteria, which will act in the biodegradation of pollutants derived from sewage, petroleum hydrocarbons ( htps), and in the extraction of heavy metals (ni, pb, cr, zn, cu) in water, which combines the technologies of flat plates and the air-lift, in which the first technology, among other aspects, in addition to supporting the reaction medium allows the passage of sunlight, and the second technology, through a diffuser (10) installed on oblique flat plates (6) at 45º, allows only one direction of atmospheric air flow to agitate the atmospheric air in the reaction medium itself, thus enabling the control of optimal ranges of parameters, which favors the growth of cultivated species.

Description

HYBRID PHOTOBIOREACTOR FOR ACCELERATED CULTIVATION OF MICROALGAE AND CYANOBACTERIA IN THE TREATMENT OF EFFLUENTS AND OTHER POLLUTED MEDIA

[001] Trata a presente solicitação de Patente de Invenção de um inédito fotobiorreator híbrido, ou seja, que utiliza as tecnologias de placas planas de vidro, que delimitam o plano reacional, e air lift, em que a entrada do ar comprimido se dá através de pratos dotados de microfuros, causando, assim, um meio turbulento no plano reacional capaz de acelerar a produtividade da biomassa, que, facilmente colhida, poderá ser incorporada à economia circular e bioeconomia.[001] This application for an Invention Patent of an unprecedented hybrid photobioreactor is addressed, that is, it uses the technologies of flat glass plates, which delimit the reaction plane, and air lift, in which the entry of compressed air occurs through plates with micro-holes, thus causing a turbulent environment in the reaction plane capable of accelerating the productivity of biomass, which, easily harvested, could be incorporated into the circular economy and bioeconomy.

APPLICATION FIELD

[002] A invenção é aplicada é passível de ser aplicada em águas residuais provenientes de efluentes e de rios urbanos, que também poderá resolver problemas de tratamento de efluentes industriais e domésticos. Outra possibilidade é o uso da invenção para o tratamento de resíduos e poluentes que são lançados acidentalmente no meio ambiente, gerados nos processos produtivos industriais ou até comerciais/domésticos.[002] The invention is applied is capable of being applied in wastewater from effluents and urban rivers, which can also solve industrial and domestic effluent treatment problems. Another possibility is the use of the invention to treat waste and pollutants that are accidentally released into the environment, generated in industrial or even commercial/domestic production processes.

[003] Problemas ambientais como derramamento de petróleo, lançamento de efluentes que não atendem a Resolução do CONAMA, gerenciamento de problemas relacionados aos poluentes provenientes de barragens de minérios, como os metais pesados, bem como poluentes derivados de efluentes domésticos como o nitrogênio, fósforo, metais, petróleo; são também poluentes removidos no processo deste fotobiorreator.[003] Environmental problems such as oil spills, release of effluents that do not meet the CONAMA Resolution, management of problems related to pollutants from ore dams, such as heavy metals, as well as pollutants derived from domestic effluents such as nitrogen, phosphorus , metals, petroleum; they are also pollutants removed in the process of this photobioreactor.

CONVINENCE

[004] Segundo Kupfer e Tigre (2004), a prospecção tecnológica é definida como um meio sistemático de mapear desenvolvimentos científicos e tecnológicos futuros capazes de influenciar significativamente uma indústria, a economia ou a sociedade. Para Aulicino, Petroni e Kruglianskas (2004) apud Martin (2001), foresight é o processo que tenta, sistematicamente, olhar no futuro de longo prazo para a ciência, a tecnologia, a economia, o meio ambiente e a sociedade, com o objetivo de identificar as tecnologias genéricas emergentes e as áreas de pesquisas estratégicas com o potencial de produzir os maiores benefícios econômicos e sociais.[004] According to Kupfer and Tigre (2004), technological prospecting is defined as a systematic means of mapping future scientific and technological developments capable of significantly influencing an industry, economy or society. For Aulicino, Petroni and Kruglianskas (2004) apud Martin (2001), foresight is the process that systematically tries to look into the long-term future for science, technology, economy, environment and society, with the objective to identify emerging generic technologies and strategic research areas with the potential to yield the greatest economic and social benefits.

[005] Para permanecerem competitivos no mundo globalizado, de intensas mudanças, os países precisam de aprimoramento contínuo em Ciência, Tecnologia e Inovação (CTEI). Para isso, necessitam identificar tendências tecnológicas e científicas, definir prioridades e formular políticas. Utilizar técnicas e ferramentas pode subsidiar o processo de tomada de decisão, e uma das ações que pode contribuir para a melhoria da competitividade é a elaboração do Foresight tecnológico. A inovação tecnológica é essencial para países desenvolvidos continuarem competitivos, e para aqueles em desenvolvimento não se distanciarem da evolução e desenvolvimento dos primeiros. (AULICINO, PETRONI E KRUGLIANSKAS, 2004).[005] To remain competitive in a globalized world of intense changes, countries need continuous improvement in Science, Technology and Innovation (CTEI). For that, they need to identify technological and scientific trends, define priorities and formulate policies. Using techniques and tools can support the decision-making process, and one of the actions that can contribute to improving competitiveness is the development of technological Foresight. Technological innovation is essential for developed countries to remain competitive, and for those in development not to distance themselves from the evolution and development of the former. (AULICINO, PETRONI AND KRUGLIANSKAS, 2004).

[006] A prática do uso de prospecção funciona como um meio de atingir objetivos, sejam eles: de apoiar as formulações políticas científicas e tecnológicas, que contribuem com o bem-estar da população, com crescimento econômico e na preservação do meio ambiente, preparar os desenvolvedores de produtos da indústria para aproveitar, enfrentar oportunidades ou ainda para ameaças de concorrência futuras, antecipação de demandas, redução de riscos de investimentos, identificar cenários para tomada de decisões estratégicas e políticas organizacionais, buscando acompanhar as tendências tecnológicas, educacionais e socioeconômicas. O que significa lançar-se à frente e garantir a competitividade e sobrevivência das instituições de pesquisa (ZACKIEWICZ e SALLES-FILHO, 2001).[006] The practice of using prospecting works as a means to achieve goals, namely: to support scientific and technological policy formulations, which contribute to the well-being of the population, with economic growth and preservation of the environment, prepare industry product developers to take advantage, face opportunities or even future competition threats, anticipate demands, reduce investment risks, identify scenarios for strategic decision-making and organizational policies, seeking to follow technological, educational and socioeconomic trends. Which means stepping forward and guaranteeing the competitiveness and survival of research institutions (ZACKIEWICZ and SALLES-FILHO, 2001).

[007] As microalgas podem ser cultivadas em diferentes modalidades, sendo classificado de acordo com a fonte de carbono utilizada, e a viabilidade de cada sistema é determinada por custos de terra, água, necessidade de manutenção e de propriedades intrínsecas das microalgas utilizadas (BRENNAN & OWENDE, 2010).[007] Microalgae can be cultivated in different modalities, being classified according to the carbon source used, and the viability of each system is determined by costs of land, water, maintenance needs and intrinsic properties of the microalgae used (BRENNAN & OWENDE, 2010).

[008] Entre as modalidades de produção de microalgas estão as de sistemas abertos e as de sistemas fechados.[008] Among the modes of production of microalgae are open systems and closed systems.

[009] A produção de microalgas em sistemas fechados veio como uma resposta natural a alguns dos problemas encontrados nos sistemas abertos. Ao contrário das lagoas fotossintéticas, os fotobiorreatores permitem uma monocultura de microalgas durante longos períodos de tempo sem que ocorra contaminação por outras espécies (CHISTI, 2007).[009] The production of microalgae in closed systems came as a natural response to some of the problems found in open systems. Unlike photosynthetic lakes, photobioreactors allow a monoculture of microalgae for long periods of time without contamination by other species (CHISTI, 2007).

[010] Os fotobiorreatores (FBRs), que são reatores designados especificamente para o cultivo de microorganismos fototróficos (bactéria anoxigênica fotossintética, cianobactéria, microalga) e células de plantas ou para realizar uma reação fotobiológica (TREDICI, 1999).[010] Photobioreactors (FBRs), which are reactors specifically designed for the cultivation of phototrophic microorganisms (photosynthetic anoxigenic bacteria, cyanobacteria, microalgae) and plant cells or to carry out a photobiological reaction (TREDICI, 1999).

TECHNICAL CONVINENCE

[011] Os primeiros pesquisadores a desenharem fotobiorreatores foram Maters e Clark (1944), cujo produto continha vários componentes confeccionados em aço. Atualmente apresentam pouquíssimas partes metálicas, que correspondem a conexões e elementos de sustentação dos componentes transparentes do sistema.[011] The first researchers to design photobioreactors were Maters and Clark (1944), whose product contained several components made of steel. Currently, they have very few metallic parts, which correspond to connections and support elements of the system's transparent components.

[012] O cultivo em fotobiorreatores proporciona um volume maior da produção, por ser possível garantir intervalos ótimos de parâmetros que favorecem o crescimento das espécies, além de se obter, pela ausência de contaminação, um produto final (biomassa algal) semelhante à produzida anteriormente, de modo a garantir a qualidade e quantidade dos compostos a extrair (POSTEN e GRUYTER, 2012).[012] The cultivation in photobioreactors provides a greater volume of production, as it is possible to guarantee optimal ranges of parameters that favor the growth of the species, in addition to obtaining, by the absence of contamination, a final product (algal biomass) similar to that previously produced , in order to guarantee the quality and quantity of the compounds to be extracted (POSTEN and GRUYTER, 2012).

[013] Nas últimas décadas os fotobiorreatores têm evoluído com propostas de novos modelos. Têm-se duas configurações básicas, que são os fotobiorreatores de placa plana e os tubulares. O princípio fundamental destas configurações é reduzir a trajetória da luz de forma a aumentar a quantidade de luz disponível para cada célula da cultura.[013] In recent decades, photobioreactors have evolved with proposals for new models. There are two basic configurations, which are the flat plate and tubular photobioreactors. The fundamental principle of these settings is to reduce the light path in order to increase the amount of light available to each cell in the culture.

[014] Estes biorreatores possuem uma adequada agitação para permitir uma disponibilização melhor da luz, bem como aumentar as 12 trocas gasosas. A espessura ótima de cultura nestes biorreatores está entre 0,02 e 0,04 m (BOROWITZKA, 1999).[014] These bioreactors have an adequate agitation to allow a better availability of light, as well as increase the 12 gas exchanges. The optimal culture thickness in these bioreactors is between 0.02 and 0.04 m (BOROWITZKA, 1999).

[015] Os fotobiorreatores de placas planas são constituídos por painéis em forma de paralelepípedo, construídos em material transparente, que pode ser vidro ou plástico. A largura do reator deve ser extremamente reduzida em relação à altura de forma a aumentar a razão superfície/volume.[015] The flat plate photobioreactors are constituted by panels in the form of parallelepiped, built in transparent material, which can be glass or plastic. The width of the reactor must be extremely reduced in relation to the height in order to increase the surface/volume ratio.

[016] Segundo Klein (2015), um fotobiorreator eficiente deve evitar a formação de grandes zonas escuras, nas quais a luz não chega. O fluxo deve ser turbulento a fim de se obter uma incidência de luz homogênea entre as células, apesar disto, a agitação não pode ser muito intensa e vigorosa, pois pode causar a destruição celular das microalgas.[016] According to Klein (2015), an efficient photobioreactor must avoid the formation of large dark areas, in which light does not reach. The flow must be turbulent in order to obtain a homogeneous incidence of light between the cells, despite this, the agitation cannot be very intense and vigorous, as it can cause cellular destruction of the microalgae.

[017] Contudo, é importante evitar que as microalgas cresçam se instalando nas paredes dos fotobiorreatores, de forma que venha a reduzir a entrada de luz e dissipação de calor do meio algal.[017] However, it is important to prevent microalgae from growing by installing themselves on the walls of photobioreactors, so that it will reduce the entry of light and heat dissipation from the algal medium.

[018] Um fotobiorreator eficaz deve obedecer a alguns parâmetros. O estudo e a pesquisa da literatura sobre fotobiorreatores, no que tange a escolha de qual modelo utilizar no cultivo das microalgas, também deixa sugerido a possibilidade de ajustes e inovações, que possibilitem adequações das junções dessas modalidades já conhecidas, as novas modalidades de fotobiorreatores inovadores, e com capacidades produtivas maiores e com as mais recentes melhorias tecnológicas, como exemplificando modelos híbridos, oportunizando novas pesquisas e desenvolvimento desses processos de cultura.[018] An effective photobioreactor must obey some parameters. The study and research of the literature on photobioreactors, regarding the choice of which model to use in the cultivation of microalgae, also suggests the possibility of adjustments and innovations, which allow adaptations of the junctions of these already known modalities, the new modalities of innovative photobioreactors , and with greater productive capacities and with the latest technological improvements, as exemplifying hybrid models, providing opportunities for new research and development of these cultural processes.

[019] O valor do pH tem um alto impacto no cultivo da microalga com relação a disponibilidade e assimilação dos nutrientes dissolvidos no meio. O equilíbrio químico entre espécies de carbono (CO2, HCO3 e CO3 2-), a precipitação de fosfatos, volatilização de amônia e solubilidade dos oligoelementos depende do pH. Além disso, existem algumas espécies de microalgas sensíveis ao valor de desse parâmetro, que inclusive pode definir a espécie dominante em cultivos com mais de um tipo de espécie (cultivo misto). Assim o valor de pH no cultivo deve estar nas faixas entre 7 e 9, e com valores ideais entre faixas de 8,2 e 8,7. Em cultivos de alta densidade celular, o pH geralmente aumenta (atingindo valores limitados de até 9) e pode ser corrigido com a aeração pela injeção de CO2 (PIRES; ALVIM-FERRAZ; MARTINS, 2017).[019] The pH value has a high impact on microalgae cultivation with regard to availability and assimilation of nutrients dissolved in the medium. The chemical balance between carbon species (CO2, HCO3 and CO3 2-), phosphate precipitation, ammonia volatilization and trace element solubility depends on pH. In addition, there are some species of microalgae sensitive to the value of this parameter, which can even define the dominant species in crops with more than one type of species (mixed cultivation). Thus, the pH value in cultivation must be in the ranges between 7 and 9, and with ideal values between ranges of 8.2 and 8.7. In cultures with high cell density, the pH usually increases (reaching limited values of up to 9) and can be corrected with aeration by injecting CO2 (PIRES; ALVIM-FERRAZ; MARTINS, 2017).

[020] Os meios de cultura das microalgas são constituídos por nutrientes compostos por macroelementos (carbono, nitrogênio, oxigênio, hidrogênio, fósforo, cálcio, magnésio, silicato, enxofre e potássio) e microelementos (ferro, manganês, cobre, entre outros) (LOURENÇO, 2006).[020] Microalgae culture media consist of nutrients composed of macroelements (carbon, nitrogen, oxygen, hydrogen, phosphorus, calcium, magnesium, silicate, sulfur and potassium) and microelements (iron, manganese, copper, among others) ( LOURENÇO, 2006).

[021] A transferência de massa de CO2 e O2. Segundo Rezvani, Moheimani e Bahri (2016), indicam que o cultivo de microalgas em larga escala para biosequestro de CO2 em usinas pode ser um processo alternativo as tecnologias convencionais de tratamento de gases. O emprego de fontes suplementares de carbono, nos cultivos, pode potencializar a taxa de crescimento, bem como, gerar uma maior biomassa e maior concentração de ácidos graxos poli-insaturados.[021] Mass transfer of CO2 and O2. According to Rezvani, Moheimani and Bahri (2016), they indicate that the large-scale cultivation of microalgae for CO2 biosequestration in power plants can be an alternative process to conventional gas treatment technologies. The use of supplementary sources of carbon in crops can enhance the growth rate, as well as generate a greater biomass and greater concentration of polyunsaturated fatty acids.

[022] Segundo Pires et al. (2017), o carbono é um dos nutrientes mais importantes para o crescimento microalgal, representando quase 50% do peso seco da biomassa (1,8g de CO2 são necessários para produzir 1g de biomassa). O carbono pode ser fornecido para culturas como CO2 (dissolvido em fluxos de ar), HCO3 - e CO3 2- (dissolvido em meio de cultura). Alimentando o sistema com CO2, este gás é dissolvido no meio, formando ácido carbônico que é usado por microalgas durante a fotossíntese.[022] According to Pires et al. (2017), carbon is one of the most important nutrients for microalgal growth, representing almost 50% of the dry weight of biomass (1.8g of CO2 are needed to produce 1g of biomass). Carbon can be supplied to cultures as CO2 (dissolved in air streams), HCO3 - and CO3 2- (dissolved in culture medium). Feeding the system with CO2, this gas is dissolved in the medium, forming carbonic acid that is used by microalgae during photosynthesis.

[023] Conforme mencionado acima, o CO2 adicionado também tem um importante papel para o controle do pH. As principais limitações da transferência de CO2 da fase gasosa a fase líquida é o seu baixo coeficiente de transferência de massa. A redução do tamanho de bolha melhora a transferência de massa, levando a uma dissolução mais rápida. Por outro lado, o oxigênio produzido pela fotossíntese pode se acumular no meio, tornando prejudicial para as microalgas. Nesse contexto, a adição de gases de combustão à cultura tem vantagens relativas à transferência de CO2 e O2, pois contém suficiente CO2 para culturas de microalgas e uma composição reduzida em O2, o que aumenta a força motriz da transferência de massa deste gás (PIRES; ALVIM-FERRAZ; MARTINS, 2017).[023] As mentioned above, the added CO2 also plays an important role in pH control. The main limitations of CO2 transfer from gas to liquid phase is its low mass transfer coefficient. Reducing bubble size improves mass transfer, leading to faster dissolution. On the other hand, the oxygen produced by photosynthesis can accumulate in the medium, making it harmful to microalgae. In this context, the addition of flue gases to the culture has advantages related to the transfer of CO2 and O2, as it contains enough CO2 for microalgae cultures and a reduced O2 composition, which increases the driving force of the mass transfer of this gas (PIRES ; ALVIM-FERRAZ; MARTINS, 2017).

[024] A alta concentração de O2 promove a atividade de enzimas oxigena se, levando a alta preferência de aceitação de O2 em vez de CO2 e perda consequente de carbono fixo, juntamente com a redução da produtividade da biomassa. Assim, o oxigênio dissolvido deve ser mantido abaixo de 400% do valor de saturação do ar (correspondente a 30 mg. L -1, assumindo o equilíbrio de solubilidade de O2 de 7,5mg L-1 a 30°C). A transferência de massa do meio para a atmosfera depende do coeficiente de difusão de O2 e da turbulência do meio. A transferência pode ser melhorada pela adição de uma corrente de ar contendo uma concentração adequada de O2/CO2.[024] The high concentration of O2 promotes the activity of oxygenate enzymes, leading to a high preference of acceptance of O2 over CO2 and consequent loss of fixed carbon, along with a reduction in biomass productivity. Thus, dissolved oxygen must be kept below 400% of the air saturation value (corresponding to 30 mg. L -1, assuming an O2 solubility equilibrium of 7.5 mg L-1 at 30°C). The transfer of mass from the medium to the atmosphere depends on the O2 diffusion coefficient and the turbulence of the medium. Transfer can be improved by adding a stream of air containing an adequate concentration of O2/CO2.

[025] A luminosidade tem grande influência no projeto de um fotobiorreator. A luz solar é a principal fonte de energia para o cultivo de microalgas autotróficas, que assim como as plantas terrestres, convertem luz em energia química através de fotossíntese. Consequentemente a luz é um parâmetro chave para o cultivo de microalgas.[025] The luminosity has a great influence on the design of a photobioreactor. Sunlight is the main source of energy for the cultivation of autotrophic microalgae, which, like terrestrial plants, convert light into chemical energy through photosynthesis. Consequently, light is a key parameter for the cultivation of microalgae.

[026] Shahnazari et al. (2017) reportaram que a minimização de evaporações, perda de energia do ciclo de vida dos processos de cultivo e extração são fundamentais para viabilidade da produção da biomassa de microalgas. E que embora o cultivo ao ar livre utilizando a luz solar possa diminuir a energia gasta para geração da biomassa, a luz solar natural não otimiza o crescimento das células de algas devido ao amplo espectro de luz, incluindo ultravioleta (UV) e raios infravermelhos (IR), que podem danificar a estrutura celular e aumentar a evaporação nas lagoas. O cultivo usando LEDs geram menos quantidade de calor, a saída espectral (vermelhos e/ou azuis) dos LEDs é altamente compatível com as necessidades fotossintéticas das microalgas, proporcionando um maior crescimento e maior acúmulo de lipídeos.[026] Shahnazari et al. (2017) reported that the minimization of evaporations, energy loss from the life cycle of the cultivation and extraction processes are fundamental for the viability of the production of microalgae biomass. And although outdoor cultivation using sunlight can reduce the energy used to generate biomass, natural sunlight does not optimize the growth of algae cells due to the broad spectrum of light, including ultraviolet (UV) and infrared rays ( IR), which can damage the cellular structure and increase evaporation in ponds. Cultivation using LEDs generate less amount of heat, the spectral output (red and/or blue) of the LEDs is highly compatible with the photosynthetic needs of microalgae, providing greater growth and greater accumulation of lipids.

[027] Embora a radiação solar no solo apresente um amplo intervalo de comprimento de onda, apenas uma fração corresponde à luz visível (400 e 700 nm) podem ser utilizados pelas microalgas. Essa fração também é chamada de Radiação Ativa Fotossintética (RAF) e representa 43% do total de radiação.[027] Although solar radiation on the ground has a wide range of wavelength, only a fraction corresponds to visible light (400 and 700 nm) can be used by microalgae. This fraction is also called Photosynthetic Active Radiation (RAF) and represents 43% of the total radiation.

[028] A intensidade da radiação solar depende da localização geográfica e das condições climáticas. No entanto, o cultivo de microalga não exige altas intensidades de luz. A partir de um valor específico, seu crescimento se estabiliza, sendo esse fenômeno chamado de fotoinibição (saturação de luz). A fotoinibição microalgal pode ocorrer em duas condições: células que crescem na superfície ou perto dela durante a exposição de irradiação mais forte; e células localizadas em camadas mais baixas do cultivo (expostas a baixo nível de irradiação), que de repente são expostas a uma irradiação mais alta devido a processos físicos como a mistura (PIRES; ALVIM-FERRAZ; MARTINS, 2017).[028] The intensity of solar radiation depends on geographic location and climatic conditions. However, microalgae cultivation does not require high light intensities. From a specific value, its growth stabilizes, this phenomenon being called photoinhibition (light saturation). Microalgal photoinhibition can occur under two conditions: cells that grow on or near the surface during exposure to stronger irradiation; and cells located in lower layers of the culture (exposed to a low level of irradiation), which are suddenly exposed to a higher irradiation due to physical processes such as mixing (PIRES; ALVIM-FERRAZ; MARTINS, 2017).

[029] É comum a utilização de iluminação artificial por lâmpadas fluorescentes (FLs), que possuem amplos espectros de emissão, incluindo comprimentos de onda com baixa atividade fotossintética para certas microalgas. Uma alternativa é a utilização de LEDs, que são os diodos emissores de luz, e podem ser aplicados para ajustar a composição bioquímica da biomassa produzida por microalgas, através de comprimentos de onda únicos em diferentes intensidades de luz ou pulsos de frequência de luz (SCHULZE et al, 2014).[029] It is common to use artificial lighting by fluorescent lamps (FLs), which have broad emission spectra, including wavelengths with low photosynthetic activity for certain microalgae. An alternative is the use of LEDs, which are light-emitting diodes, and can be applied to adjust the biochemical composition of biomass produced by microalgae, through single wavelengths at different light intensities or light frequency pulses (SCHULZE et al, 2014).

[030] Apesar do grande potencial da utilização de LEDs para a produção de microalgas, estas ainda são em média 4 vezes mais caras do que as FLs. O alto custo inicial pode ser compensado pela sua alta vida útil, além da sua melhor eficiência energética quando comparada com as FLs. A tecnologia de iluminação LED, é uma inovação de opção viável para o cultivo de microalgas in door, em salas fechadas, especialmente quando a luz suplementar é necessária para uma produção mais rápida de biomassa e acumulação de componentes bioquímicos específicos (SCHULZE et al, 2014).[030] Despite the great potential of using LEDs for the production of microalgae, these are still on average 4 times more expensive than FLs. The high initial cost can be offset by its long service life, in addition to its better energy efficiency when compared to FLs. LED lighting technology is a viable innovation option for the cultivation of microalgae indoors, in closed rooms, especially when supplementary light is needed for faster biomass production and accumulation of specific biochemical components (SCHULZE et al, 2014 ).

[031] A temperatura também é uma variável importante para o controle do cultivo de microalgas, pois influencia diretamente nas atividades metabólicas, enzimáticas e na conformação de estruturas vitais. A temperatura ideal fica entre 15 e 26°C. Valores mais altos que isso pode inibir a atividade metabólica e reduz a solubilidade de componentes gasosos (CO2) no meio de cultivo. Baixos valores diminuem a cinética de atividades metabólicas. No entanto, existem algumas espécies que podem crescer com temperaturas mais altas que o valor estipulado. Levando em consideração a variabilidade de crescimento devido às mudanças de temperatura, os fotobiorreatores devem conter dispositivos para que seja possível controlar a temperatura de cultivo (PIRES; ALVIM-FERRAZ; MARTINS, 2017).[031] Temperature is also an important variable to control the cultivation of microalgae, as it directly influences the metabolic, enzymatic and conformation activities of vital structures. The ideal temperature is between 15 and 26°C. Values higher than this can inhibit metabolic activity and reduce the solubility of gaseous components (CO2) in the culture medium. Low values decrease the kinetics of metabolic activities. However, there are some species that can grow at temperatures higher than the stipulated value. Taking into account the variability of growth due to changes in temperature, photobioreactors must contain devices so that it is possible to control the temperature of cultivation (PIRES; ALVIM-FERRAZ; MARTINS, 2017).

[032] Um importante fator para a construção do fotobiorreator é o fluxo de luz através das superfícies externas das paredes transparentes, portanto, a relação da área da superfície externa exposta à luz disponível (Ad) [m²] com o volume do reator (Vr) [l], é um importante parâmetro. Desta forma, quanto maior for a relação Ad/Vr, maior será a incidência de luz no meio de cultivo. O que se busca, portanto, são fotobiorreatores com grandes áreas de superfícies iluminadas.[032] An important factor for the construction of the photobioreactor is the light flow through the external surfaces of the transparent walls, therefore, the ratio of the area of the external surface exposed to available light (Ad) [m²] with the reactor volume (Vr ) [l], is an important parameter. Thus, the greater the Ad/Vr ratio, the greater the incidence of light in the culture medium. What is sought, therefore, are photobioreactors with large areas of illuminated surfaces.

[033] Fitas de LED, poderão ser fixadas nas paredes transparentes do fotobiorreator pelo lado externo, para garantir a melhor absorção de luz possível pelas células das microalgas, essas fitas de LED são de fácil remoção, proporcionando desta forma uma facilidade maior no caso de manutenção e limpeza.[033] LED strips can be attached to the transparent walls of the photobioreactor from the outside, to ensure the best possible light absorption by the microalgae cells, these LED strips are easy to remove, thus providing greater ease in the case of maintenance and cleaning.

TECHNICAL STATUS

[034] Segundo (FLICKINGER,1999) o cultivo de microalgas em sistemas de tanques a céu aberto (race way) têm sido usado desde a década de 1950 e é o mais utilizado atualmente, por apresentarem menor custo de construção e de operação. Geralmente é um canal de circuito fechado de recirculação, construído de concreto e chão batido, podendo ser revestido com plástico branco. Com cerca de 30 cm de profundidade, possui uma roda de pás que opera continuamente para impedir a sedimentação.[034] According to (FLICKINGER, 1999) the cultivation of microalgae in open-air tank systems (race way) has been used since the 1950s and is currently the most used, as they present lower construction and operation costs. It is usually a closed loop recirculation channel, constructed of concrete and beaten ground, and can be lined with white plastic. About 30 cm deep, it has a paddle wheel that operates continuously to prevent sedimentation.

[035] Segundo Teixeira e Morales (2006), esse tipo de cultivo permite colheitas anuais de cerca de 180 toneladas por hectare. A produtividade é reduzida pela possibilidade existente de contaminação (competição) e predação por parte de outros microrganismos.[035] According to Teixeira and Morales (2006), this type of cultivation allows annual harvests of about 180 tons per hectare. Productivity is reduced by the existing possibility of contamination (competition) and predation by other microorganisms.

[036] É um sistema pouco sofisticado, pela impossibilidade de controlar parâmetros biológicos e físico-químicos.[036] It is a less sophisticated system, due to the impossibility of controlling biological and physicochemical parameters.

[037] Por ser um sistema a céu aberto a captação do CO2 não é eficiente, havendo perdas para atmosfera. Neste tipo de cultivo o consumo de água é superior além dos circuitos ocuparem muito espaço (TEIXEIRA E MORALES, 2006).[037] As it is an open-air system, the capture of CO2 is not efficient, with losses to the atmosphere. In this type of cultivation, water consumption is higher, in addition to the circuits occupying a lot of space (TEIXEIRA E MORALES, 2006).

[038] O atual estado da técnica antecipa alguns documentos de patentes sobre fotobiorreatores, como o PI 1102195-0 intitulado “FOTOBIORREATOR TUBULAR VERTICAL PARA PRODUZIR MICROALGAS” – trata de um fotobiorreator (1) a ser utilizado para a produção de biomassa algal, que compreende um dispositivo multitubular constituído de pelo menos dez tubos de cultura dispostos verticalmente e equidistante de um dispositivo central munido de lâmpadas, acoplados em uma base circular. a cultura algal cresce isolada do ambiente externo, em cilindros transparentes instalados na referida base circular; o giro contínuo dos tubos de cultura a uma velocidade constante, durante períodos reguláveis de incidência de luz, permite que esta penetre na massa algal em cultivo, promovendo um crescimento homogêneo e sem contaminação.[038] The current state of the art anticipates some patent documents on photobioreactors, such as PI 1102195-0 entitled "VERTICAL TUBULAR PHOTOBIOREACTOR TO PRODUCE MICROALGAE" - it deals with a photobioreactor (1) to be used for the production of algal biomass, which comprises a multitubular device consisting of at least ten culture tubes arranged vertically and equidistant from a central device provided with lamps, coupled to a circular base. the algal culture grows isolated from the external environment, in transparent cylinders installed on said circular base; the continuous rotation of the culture tubes at a constant speed, during adjustable periods of light incidence, allows it to penetrate the algal mass under cultivation, promoting a homogeneous growth without contamination.

[039] O documento acima apresenta como pontos negativos o sobreaquecimento do meio, a rápida depleção do CO2 e a acumulação de O2, que originam variações acentuadas no valor de pH. Isto se deve à exposição dos tubos aos raios solares. Além disso, demanda alto investimento para construção/ manutenção, dificuldade no controle da temperatura do meio, tendência do crescimento de biomassa nos tubos.[039] The document above presents as negative points the overheating of the environment, the rapid depletion of CO2 and the accumulation of O2, which originate sharp variations in the pH value. This is due to the exposure of the tubes to the sun's rays. In addition, it demands high investment for construction/maintenance, difficulty in controlling the temperature of the environment, and a tendency for biomass to grow in the tubes.

[040] O documento BR 1020166029485-1 intitulado “FOTOBIORREATOR PARA CULTIVO DE MICROORGANISMOS FOTOSSINTETIZANTES” – trata de um fotobiorreator de placa plana caracterizado por compreender uma câmara de cultura fechada com estrutura de hexaedro regular de base retangular; sistemas de injeção e dispersão de gases e duas placas de iluminação removíveis.[040] Document BR 1020166029485-1 entitled "PHOTOBIOREACTOR FOR CULTIVATION OF PHOTOSYNTHETIC MICROORGANISMS" - deals with a flat plate photobioreactor characterized by comprising a closed culture chamber with a regular hexahedron structure with a rectangular base; gas injection and dispersion systems and two removable lighting plates.

[041] O limitante dos fotobiorreatores de placas planas dificuldade de controlar a temperatura do meio de cultura, os inputs energéticos e a dificuldade de ampliação de escala para reproduzir em instalações industriais. Existe ainda a possibilidade de ocorrer crescimento de biomassa nas paredes dos painéis, o que provoca uma diminuição da radiação incidente disponível, diminuindo assim a produtividade.[041] The limiting of flat plate photobioreactors difficulty in controlling the temperature of the culture medium, energy inputs and the difficulty of scaling up to reproduce in industrial facilities. There is also the possibility of biomass growth on the walls of the panels, which causes a decrease in available incident radiation, thus decreasing productivity.

[042] Os fotobiorreatores da modalidade air-lift geralmente são constituídos por uma coluna com duas zonas interconectadas. Na base de uma das zonas faz-se a injeção de ar e CO2 através de um difusor, que reduz a densidade do meio, fazendo com que este suba pela coluna (zona de ascensão). Ao chegar ao topo da coluna as bolhas de gás são libertadas e o fluido perde densidade, descendo do outro lado da coluna, na zona descendente. Estes biorreatores são caracterizados por uma excelente mistura e turbulência num padrão circular, favorecendo as trocas gasosas e a fotossíntese (WANG et al., 2012).[042] The photobioreactors of the air-lift modality generally consist of a column with two interconnected zones. At the base of one of the zones, air and CO2 are injected through a diffuser, which reduces the density of the medium, causing it to go up through the column (ascension zone). Upon reaching the top of the column, gas bubbles are released and the fluid loses density, descending on the other side of the column, in the descending zone. These bioreactors are characterized by excellent mixing and turbulence in a circular pattern, favoring gas exchange and photosynthesis (WANG et al., 2012).

[043] Nos fotobiorreatores da modalidade air-lift, as altas concentrações de microalgas, quase toda a luz disponível é absorvida somente por uma fina camada superior de células nos biorreatores, esse efeito pode ser evitado por meio da agitação adequada, que deve ser suficiente para manter as microalgas em suspensão, proporcionar uma exposição uniforme de luz em todas as células, aumentar a transferência de massa, para reduzir o gradiente de nutriente na cultura e para evitar a decantação. Entretanto, o fornecimento excessivo de energia pode produzir prejuízos celulares as microalgas, sendo mais suscetíveis às forças de cisalhamento, afetando o desempenho do cultivo (MOLINA; FERNANDEZ; CHISTI, 2001).[043] In air-lift photobioreactors, the high concentrations of microalgae, almost all available light is absorbed only by a thin upper layer of cells in the bioreactors, this effect can be avoided by means of adequate agitation, which should be sufficient to keep microalgae in suspension, provide uniform light exposure across all cells, increase mass transfer, to reduce nutrient gradient in the culture, and to prevent decantation. However, the excessive supply of energy can produce cellular damage to microalgae, being more susceptible to shear forces, affecting the cultivation performance (MOLINA; FERNANDEZ; CHISTI, 2001).

[044] O documento WO2013151434 intitulado “HYBRID WASTEWATER TREATMENT” – trata de um processo para o tratamento biológico de águas residuais no qual o desempenho de um sistema convencional de lodo ativado é melhorado pela adição de um sistema aeróbico de biomassa granular em uma configuração de processo híbrido paralelo. A biomassa residual e o material suspenso do sistema de biomassa granular aeróbica são introduzidos no sistema convencional de lodo ativado para esse fim. A parte da biomassa alimentada ao processo de lodo ativado tem uma velocidade de assentamento menor do que a parte da biomassa do processo de biomassa granular que não é alimentado ao processo de lodo ativado.[044] The document WO2013151434 entitled "HYBRID WASTEWATER TREATMENT" - deals with a process for the biological treatment of wastewater in which the performance of a conventional activated sludge system is improved by adding an aerobic system of granular biomass in a configuration of parallel hybrid process. Residual biomass and suspended material from the aerobic granular biomass system are introduced into the conventional activated sludge system for this purpose. The part of the biomass fed to the activated sludge process has a lower settling rate than the part of the biomass from the granular biomass process that is not fed to the activated sludge process.

OBJECTIVES OF THE INVENTION

[045] É objetivo da presente invenção, propor um fotobiorreator híbrido, que combinando as tecnologias de placas planas e air-lift resulta numa hidrodinâmica efetiva na homogeneização do meio reacional;[045] It is the objective of the present invention to propose a hybrid photobioreactor, which combining the technologies of flat plates and air-lift results in an effective hydrodynamics in the homogenization of the reaction medium;

[046] É objetivo da presente invenção, propor um fotobiorreator híbrido, capaz de controlar os intervalos ótimos de parâmetros que favorecem o crescimento das espécies cultivadas, mais especificamente microalgas e cianobactérias no tratamento de efluentes poluídos por esgotos, metais pesados e derivados do petróleo para aplicação da economia circular e bioeconomia desenvolvido;[046] It is the objective of the present invention to propose a hybrid photobioreactor, capable of controlling the optimal ranges of parameters that favor the growth of cultivated species, more specifically microalgae and cyanobacteria in the treatment of effluents polluted by sewage, heavy metals and petroleum derivatives for application of circular economy and developed bioeconomy;

[047] É objetivo da presente invenção, propor um fotobiorreator híbrido, capaz de acelerar a produção de biomassa microalgal, dessa forma proporcionando ganhos na remoção de contaminantes em efluentes líquidos e gasosos a depender da finalidade;[047] It is the objective of the present invention to propose a hybrid photobioreactor, capable of accelerating the production of microalgal biomass, thus providing gains in the removal of contaminants in liquid and gaseous effluents depending on the purpose;

[048] É objetivo da presente invenção, propor um fotobiorreator híbrido, capaz de remover mais de um poluente ao mesmo tempo em águas, tais como: fósforo, nitrogênio, matéria orgânica, metais pesados, poluentes derivados de efluentes industriais e domésticos e para biodegradação de hidrocarbonetos do petróleo águas doces, estuarinas e marinhas através da aplicação de microrganismos previamente selecionados (microalgas e cianobactérias), cuja aplicação possui larga variedade na indústria do petróleo, na indústria da mineração, em empresas petroquímicas, de fertilizantes, cosméticos, em ETAs e ETEs, e no gerenciamento de áreas costeiras impactadas, mais especificamente em matrizes ambientais aquáticas. O fotobiorreator conseguiu reduzir em até 92% a concentração de petróleo e até 70% de metais pesados e 100% de poluentes derivados de efluentes domésticos, como nitrogênio e fósforo;[048] It is the objective of the present invention to propose a hybrid photobioreactor, capable of removing more than one pollutant at the same time in waters, such as: phosphorus, nitrogen, organic matter, heavy metals, pollutants derived from industrial and domestic effluents and for biodegradation of petroleum hydrocarbons in fresh, estuarine and marine waters through the application of previously selected microorganisms (microalgae and cyanobacteria), whose application has a wide variety in the oil industry, in the mining industry, in petrochemical, fertilizers, cosmetics, in ETAs and ETEs, and in the management of impacted coastal areas, more specifically in aquatic environmental matrices. The photobioreactor managed to reduce up to 92% the concentration of oil and up to 70% of heavy metals and 100% of pollutants derived from domestic effluents, such as nitrogen and phosphorus;

[049] É objetivo da presente invenção, propor um fotobiorreator híbrido, que através da mescla do sistema air-lift, evita o esmagamento dos microrganismos produzidos, aliviando estresse das células cultivadas, aumentando por conseguinte sua produtividade, sendo muito menos agressivo ao meio reacional, que um sistema com bombas centrifuga, ou bombas do tipo diafragma, utilizada nos convencionais fotobiorreatores de placas planas;[049] It is the objective of the present invention to propose a hybrid photobioreactor, which through the mixture of the air-lift system, avoids the crushing of the microorganisms produced, relieving the stress of the cultured cells, thus increasing their productivity, being much less aggressive to the reaction medium , that a system with centrifugal pumps, or diaphragm type pumps, used in conventional flat plate photobioreactors;

[050] É objetivo da presente invenção, propor um fotobiorreator híbrido, cuja circulação do meio aquoso, favorece também o controle de temperatura, pois tem capacidade de resfriar o meio reacional. Os difusores são constituídos em base de PVC e tem uma manta de Neoprene, com microfuros, que geram microbolhas, melhorando a difusão do oxigênio e outros gases. Além disso, os microfuros impedem o contra fluxo caso para a injeção de gás (ar) no interior do fotobiorreator sem obstrução das micropartículas do sistema reacional do fotobiorreator;[050] It is the aim of the present invention to propose a hybrid photobioreactor, whose circulation of the aqueous medium also favors temperature control, as it has the ability to cool the reaction medium. The diffusers are made of PVC and have a Neoprene blanket, with micro holes, which generate microbubbles, improving the diffusion of oxygen and other gases. In addition, the microholes prevent the counterflow case for the injection of gas (air) inside the photobioreactor without obstructing the microparticles of the photobioreactor reaction system;

[051] É objetivo da presente invenção, propor um fotobiorreator híbrido de ótima relação custo x benefício.[051] It is the objective of the present invention to propose a hybrid photobioreactor with an excellent cost-benefit ratio.

GENERAL DESCRIPTION OF THE INVENTION

[052] Ciente do atual estado da técnica, suas lacunas e limitantes, o inventor, pessoa conhecedora da matéria em questão, após estudos e pesquisas, criou o “FOTOBIORREATOR HÍBRIDO PARA CULTIVO ACELERADO DE MICROALGAS E CIANOBACTÉRIAS NO TRATAMENTO DE EFLUENTES E OUTROS MEIOS POLUÍDOS” – o qual trata de um fotobiorreator híbrido sustentado em chassi adequado, que comporta as placas planas, com paredes inferiores a 45º melhorando, entre outros fatores, a fluidodinâmica bem como o volume morto de biomassa ao final de cada ciclo, e inserindo a tecnologia de placas planas a tecnologia de air-lift, com o objetivo de atribuir uma maior homogeneidade ao meio reacional, cujo volume é delimitado pelas placas planas. Para tanto, para obtenção de um escoamento turbulento foram instalados difusores de ar circulares, nas paredes inferiores a 45º, para injeção de bolhas finas, dotados de membranas especiais com sistema triplo, antientupimento (backflow) com elevada transferência de oxigênio e CO2.[052] Aware of the current state of the art, its gaps and limitations, the inventor, a person knowledgeable in the matter in question, after studies and research, created the "HYBRID PHOTOBIOREACTOR FOR ACCELERATED CULTIVATION OF MICROALGAE AND CYANOBACTERIA IN THE TREATMENT OF EFFLUENTS AND OTHER POLLUTED MEDIA ” - which deals with a hybrid photobioreactor supported on a suitable chassis, which includes the flat plates, with walls less than 45º improving, among other factors, the fluid dynamics as well as the biomass dead volume at the end of each cycle, and inserting the technology from flat plates to air-lift technology, with the objective of attributing greater homogeneity to the reaction medium, whose volume is delimited by the flat plates. Therefore, to obtain turbulent flow, circular air diffusers were installed, on the walls below 45º, for injection of fine bubbles, equipped with special membranes with triple system, anti-clogging (backflow) with high transfer of oxygen and CO2.

DESCRIPTION OF THE FIGURES

[053] A seguir, explica-se a invenção com referência aos desenhos anexos, nos quais estão representadas de forma ilustrativa e não limitativa:
Fig. 1: Vista em perspectiva do fotobiorreator híbrido para cultivo acelerado de microalgas e cianobactérias no tratamento de efluentes e outros meios poluídos;
Fig. 2: Vista em perspectiva invertida do fotobiorreator híbrido para cultivo acelerado de microalgas e cianobactérias no tratamento de efluentes e outros meios poluídos, com detalhe da conexão rebaixada;
Fig. 3: Vista em perspectiva explodida do fotobiorreator híbrido para cultivo acelerado de microalgas e cianobactérias no tratamento de efluentes e outros meios poluídos;
Fig. 4: Vista anterior do fotobiorreator híbrido para cultivo acelerado de microalgas e cianobactérias no tratamento de efluentes e outros meios poluídos;
Fig. 5: Vista superior do fotobiorreator híbrido para cultivo acelerado de microalgas e cianobactérias no tratamento de efluentes e outros meios poluídos;
Fig. 6: Gráfico ilustrando a cinética de crescimento microalgal no fotobiorreator híbrido para cultivo acelerado de microalgas e cianobactérias no tratamento de efluentes e outros meios poluídos;
Fig. 7: Vista esquemática do fotobiorreator híbrido para cultivo acelerado de microalgas e cianobactérias no tratamento de efluentes e outros meios poluídos, mostrando uso.[053] The invention is explained below with reference to the attached drawings, in which they are represented in an illustrative and non-limiting way:
Fig. 1: Perspective view of the hybrid photobioreactor for accelerated cultivation of microalgae and cyanobacteria in the treatment of effluents and other polluted media;
Fig. 2: Inverted perspective view of the hybrid photobioreactor for accelerated cultivation of microalgae and cyanobacteria in the treatment of effluents and other polluted media, with detail of the lowered connection;
Fig. 3: Perspective exploded view of the hybrid photobioreactor for accelerated cultivation of microalgae and cyanobacteria in the treatment of effluents and other polluted media;
Fig. 4: Anterior view of the hybrid photobioreactor for accelerated cultivation of microalgae and cyanobacteria in the treatment of effluents and other polluted media;
Fig. 5: Top view of a hybrid photobioreactor for accelerated cultivation of microalgae and cyanobacteria in the treatment of effluents and other polluted media;
Fig. 6: Graph illustrating the microalgal growth kinetics in the hybrid photobioreactor for accelerated cultivation of microalgae and cyanobacteria in the treatment of effluents and other polluted media;
Fig. 7: Schematic view of the hybrid photobioreactor for accelerated cultivation of microalgae and cyanobacteria in the treatment of effluents and other polluted media, showing usage.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[054] O “FOTOBIORREATOR HÍBRIDO PARA CULTIVO ACELERADO DE MICROALGAS E CIANOBACTÉRIAS NO TRATAMENTO DE EFLUENTES E OUTROS MEIOS POLUÍDOS”, objeto desta solicitação de Patente de Invenção, se refere a um fotobiorreator (1) híbrido aplicado preferencialmente a microalgas e cianobactérias, as quais atuarão na biodegradação de poluentes derivados de esgotos, dos hidrocarbonetos de petróleo (HTPs), e na extração de metais pesados (Ni, Pb, Cr, Zn, Cu) em águas, que combinas as tecnologias de placas planas e a air-lift, em que a primeira tecnologia, entre outros aspectos, além de comportar o meio reacional permite a passagem da luz solar, e a segunda tecnologia, por meio de um difusor (10) instalado nas placas planas oblíquas (6) a 45º, permite apenas um sentido de fluxo do ar atmosférico para agitação do ar atmosférico no meio reacional propriamente dito, desta forma possibilitando o controle dos intervalos ótimos de parâmetros, que favorece o crescimento das espécies cultivadas.[054] The "HYBRID PHOTOBIOREACTOR FOR ACCELERATED CULTIVATION OF MICROALGAE AND CYANOBACTERIA IN THE TREATMENT OF EFFLUENTS AND OTHER POLLUTED MEDIA", object of this patent application, refers to a hybrid photobioreactor (1) applied preferentially to microalgae and cyanobacteria, which will act in the biodegradation of pollutants derived from sewage, petroleum hydrocarbons (HTPs), and in the extraction of heavy metals (Ni, Pb, Cr, Zn, Cu) in water, which combines flat plate and air-lift technologies, in which the first technology, among other aspects, in addition to containing the reaction medium allows the passage of sunlight, and the second technology, through a diffuser (10) installed on oblique flat plates (6) at 45º, allows only one atmospheric air flow direction to agitate the atmospheric air in the reaction medium itself, thus enabling the control of the optimal ranges of parameters, which favors the growth of cultivated species.

[055] Mais particularmente, o fotobiorreator (1) híbrido utiliza a tecnologia de placas planas, selecionada para aumentar a área de incidência solar no fluido, favorecer o processo de limpeza e renovação da área reacional, uma vez que ao final de uma campanha de microalgas produzidas, a matéria residual tem tendência a interferir no próximo lote de cultivo das microalgas, assim como a tecnologia air-lift de circulação do meio aquoso, que é positiva no controle de temperatura, pois tem capacidade de resfriar o meio reacional, enquanto na recirculação com auxílio de bombas, o aquecimento é ocorrido quase sempre, devido a bomba permanecer o tempo todo em operação.[055] More particularly, the hybrid photobioreactor (1) uses flat plate technology, selected to increase the area of solar incidence in the fluid, favoring the cleaning and renewal process of the reaction area, since at the end of a campaign of microalgae produced, the residual matter tends to interfere with the next batch of microalgae cultivation, as well as the air-lift technology for circulating the aqueous medium, which is positive in temperature control, as it has the ability to cool the reaction medium, while in recirculation with the aid of pumps, heating occurs almost always, because the pump remains in operation all the time.

[056] Numa forma de realização da invenção, o fotobiorreator (1) híbrido compreende uma estrutura modular (2) em cuja porção superior formata um quadro prismático (3) que dá suporte mecânico às placas planas, preferencialmente em vidro transparente, em que pese as placas planas anterior e posterior (4), as placas planas laterais (5), as placas planas oblíquas (6) a 45º e a placa plana de base (7), ao passo que em sua porção inferior dita estrutura modular (2) apresenta um pedestal (8). Sobre as placas planas existe uma tampa (9), preferencialmente de vidro, que evita uma possível contaminação externa superior no meio de cultivo. A referida tampa (9) possui orifícios para a passagem dos tubos de recirculação do meio reacional, quando necessário processo de recirculação por bomba do tipo diafragma, pois uma bomba centrifuga poderia vir a destruir os microrganismos na passagem pela voluta da bomba, devido ao atrito nas paredes internas e a redução da área pelo movimento do rotor desta bomba. As placas planas oblíquas (6) a 45º tem o propósito conjunto de inclinar o difusor (10), preferencialmente do tipo prato, para melhorar a fluido dinâmica no interior do fotobiorreator (1) híbrido, promovendo a máxima homogeneização do meio reacional e uniformização da incidência solar. Além disso, favorece consideravelmente o aumento de área difundida elevando o grau de agitação e homogeneização do meio reacional mantendo a movimentação contínua do meio, por conseguinte, promove de forma acelerada a produção das microalgas. Além disso, as placas planas oblíquas (6) a 45º possibilitam reduzir o volume morto de biomassa produzida ao final de cada ciclo. Cada parede placa plana oblíqua (6) a 45º comporta um difusor (10) de contorno circular e membrana de bolha fina, com sistema triplo, antientupimento (backflow) montado sobre bases e conexões em termoplásticos especiais, tem elevada transferência de oxigênio.[056] In an embodiment of the invention, the hybrid photobioreactor (1) comprises a modular structure (2) in whose upper portion it formats a prismatic frame (3) that gives mechanical support to the flat plates, preferably in transparent glass, in weight the front and rear flat plates (4), the lateral flat plates (5), the oblique flat plates (6) at 45º and the flat base plate (7), while in its lower portion, the modular structure (2) features a pedestal (8). On the flat plates there is a lid (9), preferably made of glass, which avoids a possible external contamination in the culture medium. Said cover (9) has holes for the passage of the recirculation tubes of the reaction medium, when necessary, the recirculation process by diaphragm type pump, as a centrifugal pump could destroy microorganisms in the passage through the pump volute, due to friction on the inner walls and the reduction of the area by the movement of the impeller of this pump. The oblique flat plates (6) at 45º have the joint purpose of tilting the diffuser (10), preferably of the plate type, to improve the fluid dynamics inside the hybrid photobioreactor (1), promoting maximum homogenization of the reaction medium and uniformity of the solar incidence. Furthermore, it considerably favors the increase in the diffused area, increasing the degree of agitation and homogenization of the reaction medium, maintaining the continuous movement of the medium, therefore, it promotes the production of microalgae in an accelerated way. In addition, the oblique flat plates (6) at 45º make it possible to reduce the dead volume of biomass produced at the end of each cycle. Each 45º oblique flat plate wall (6) comprises a diffuser (10) with a circular contour and a thin bubble membrane, with a triple system, anti-clogging (backflow) mounted on bases and connections in special thermoplastics, with high oxygen transfer.

[057] Como os difusores (10) estão montados nas placas planas oblíquas (6) a 45º, lado externo do fotobiorreator (1) híbrido, a zona de borbulhamento, ou seja, a área da membrana perfurada, fica em contato apenas com os microrganismos, o que reduz os pontos de acúmulos de resíduos de lotes anteriores, melhorando a assepsia para o próximo lote de cultivo das espécies a ser produzido. Com esta construtividade também foi possível reduzir a densidade do meio aquoso, nas placas planas oblíquas (6) a 45º, atingindo menores esforços e maior eficiência, gerando redução da perda de carga do sistema, resultando, assim, a convecção em duas zonas laterais do meio residual, uma delas de ascensão na direção do centro, que se encontram e descem o fluido aquoso mais denso. Este método construtivo caracteriza o sistema de fotobiorreatores em airlift. A placa plana de base (7) possui uma conexão (11) rebaixada internamente com o propósito de promover a máxima drenagem possível de esvaziamento do fotobiorreator (1) híbrido, reduzindo ao máximo o volume morto. Por fim, utilizou-se conexões padrões de PVC (12) que entrega a mesma pressão em ambos difusores (10) e com conexão para soprador de ar ou compressor atmosférico.[057] As the diffusers (10) are mounted on the oblique flat plates (6) at 45º, external side of the hybrid photobioreactor (1), the bubbling zone, that is, the perforated membrane area, is in contact only with the microorganisms, which reduces the points of accumulation of residues from previous batches, improving asepsis for the next batch of cultivation of the species to be produced. With this constructivity, it was also possible to reduce the density of the aqueous medium, in the oblique flat plates (6) at 45º, achieving lower efforts and greater efficiency, generating a reduction in the system's head loss, thus resulting in convection in two lateral zones of the residual medium, one of them ascending towards the center, which meet and descend the denser aqueous fluid. This constructive method characterizes the airlift photobioreactor system. The flat base plate (7) has a connection (11) lowered internally with the purpose of promoting the maximum possible drainage of emptying of the hybrid photobioreactor (1), reducing the dead volume as much as possible. Finally, standard PVC connections (12) were used, which deliver the same pressure in both diffusers (10) and with a connection for an air blower or an atmospheric compressor.

[058] Conforme ilustrado na figura 5, que mostra a cinética de crescimentos das microalgas em números de células por mililitros dia, através de coletas na válvula de saída localizada na base do fotobiorreator (1) híbrido, verificou-se inicialmente o período de Lag nos dois primeiros dias, como prevê na literatura, e em seguida um pico na fase Log de crescimento onde a velocidade específica de crescimento tendeu a máxima e iniciando o período de constância (equilíbrio) a partir do 14º dia, onde vê-se a contagem de células se repetindo no 15º dia em diante. Vale ressaltar que ao se cultivar microalgas em grande escala este parâmetro tem muita importância, já que em termos econômicos o cultivo que apresenta o menor tempo de geração equilibrado com uma grande produtividade de biomassa tem uma maior expectativa do potencial de lucratividade. Portanto com base na curva de crescimento, verificou-se que todas as fases de crescimento microalgal ocorreram, conforme abordado na literatura.[058] As illustrated in Figure 5, which shows the kinetics of microalgal growth in numbers of cells per milliliter day, through collections at the outlet valve located at the base of the hybrid photobioreactor (1), the Lag period was initially verified. in the first two days, as predicted in the literature, and then a peak in the Log growth phase where the specific growth velocity tended to the maximum and starting the constancy period (equilibrium) from the 14th day, where the count is seen of cells repeating on the 15th day onwards. It is noteworthy that when cultivating microalgae on a large scale this parameter is very important, since in economic terms the crop that has the shortest generation time balanced with a high biomass productivity has a greater expectation of profitability potential. Therefore, based on the growth curve, it was found that all phases of microalgal growth occurred, as discussed in the literature.

Claims

HYBRID PHOTOBIOREACTOR FOR ACCELERATED CULTIVATION OF MICROALGAE AND CYANOBACTERIA IN THE TREATMENT OF EFFLUENTS AND OTHER POLLUTED MEDIA comprises a modular structure (2) in whose upper portion it formats a prismatic frame (3) that gives mechanical support to the flat plates, preferably in transparent glass, while stepping which in its lower portion said modular structure (2) has a pedestal (8), characterized by combining the technology of flat plates that holds the reaction medium and allows the passage of sunlight through the glasses and the air-lift technology for circulation of the aqueous medium by means of air injected through membrane diffusers (10) installed in the oblique flat plates (6) at 45º of the hybrid photobioreactor (1).

HYBRID PHOTOBIOREACTOR FOR ACCELERATED CULTIVATION OF MICROALGAE AND CYANOBACTERIA IN THE TREATMENT OF EFFLUENTS AND OTHER POLLUTED MEDIA, according to claim 1, characterized by the modular structure (2) supporting the glazed reservoir that contains the reaction medium that comprises the flat anterior and posterior plates (4 ), the flat side plates (5), the flat oblique plates (6) at 45º, and the flat base plate (7); on the flat plates there is a lid (9), preferably made of glass.

HYBRID PHOTOBIOREACTOR FOR ACCELERATED CULTIVATION OF MICROALGAE AND CYANOBACTERIA IN THE TREATMENT OF EFFLUENTS AND OTHER POLLUTED MEDIA, according to claim 2 characterized by the oblique flat plates (6) at 45° contain the diffusers (10).

HYBRID PHOTOBIOREACTOR FOR ACCELERATED CULTIVATION OF MICROALGAE AND CYANOBACTERIA IN THE TREATMENT OF EFFLUENTS AND OTHER POLLUTED MEDIA, according to claim 3, characterized in that the diffusers are based on PVC with a neoprene blanket, with micro-holes that generate microbubbles, improving the diffusion of oxygen and others gases.

HYBRID PHOTOBIOREACTOR FOR ACCELERATED CULTIVATION OF MICROALGAE AND CYANOBACTERIA IN THE TREATMENT OF EFFLUENTS AND OTHER POLLUTED MEDIA, according to claim 2 characterized in that the cover (9) has holes for the passage of recirculation tubes of the reaction medium.

HYBRID PHOTOBIOREACTOR FOR ACCELERATED CULTIVATION OF MICROALGAE AND CYANOBACTERIA IN THE TREATMENT OF EFFLUENTS AND OTHER POLLUTED MEDIA, according to claim 1, characterized by using standard PVC connections (12) that deliver the same pressure in both diffusers (10) and with connection for blower air or atmospheric compressor that generates the compressed air.