BR112019000214B1

BR112019000214B1 - Aparelho para cultivar microalgas em um caldo de cultura, método para purificação de ar e água e fixação ou conversão de dióxido de carbono com biomassa e sistema para cultivar microalgas

Info

Publication number: BR112019000214B1
Application number: BR112019000214-6A
Authority: BR
Inventors: Young Nam Kim; Yong Woo Park
Original assignee: Greentech Ventures, Inc
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2022-11-01
Also published as: US20210230524A1; AU2017291820B2; EP3481940A4; WO2018009575A1; US10941373B2; PH12019500051A1; CN111032849A; KR20160088265A; US20190040347A1; JP2019524152A; MX2019000249A; BR112019000214A2; CL2019000031A1; AU2017291820A1; JP2022107657A; EP3481940A1; CA3027659A1

Abstract

Trata-se de um sistema de produção de caldo de cultura de microalgas inclui um dispositivo para esterilização de caldo de cultura com o uso de um gerador de microbolha de ar, um dispositivo de equalização de pressão e compressão de ar para a injeção de dióxido de carbono e oxigênio na atmosfera no caldo de cultura. O sistema inclui também um dispositivo de resfriamento de ar para manter a temperatura de caldo de cultura adequada quando a temperatura da água está alta demais, um dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático para promover a fotossíntese, e um fotobiorreator vertical vedado para bloquear poluentes e aumentar a concentração de oxigênio e dióxido de carbono dissolvidos. O sistema inclui adicionalmente um dispositivo de coleta de alta eficácia que usa membranas de fibras ocas, e um dispositivo de secagem por ar quente que usa o calor residual gerado por compressão de.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo para a coleta e cultura eficaz de microalgas, e um método para purificação de ar e o tratamento biológico e purificação de nitrogênio e fósforo em esgoto sanitário, que é água servida orgânica, através da fixação e conversão de dióxido de carbono com o uso de biomassa.

[002] As microalgas, que são micro-organismos de fotossíntese, apareceram na Terra primitiva a 2 a 3 bilhões de anos atrás. Com base em sua capacidade poderosa de prosperar e propagar, as mesmas converteram os carbonos que eram abundantes na Terra jovem em materiais orgânicos através de fotossíntese e descarregaram oxigênio como resultado de sua capacidade metabólica. Tornaram o surgimento de animais possível e sobreviveram até hoje.

[003] Não se pode negar que o ambiente da Terra atual está enfrentando uma crise grave devido à depleção de fontes de energia e ao impacto do aquecimento global devido à emissão excessiva de gases de efeito estufa. Consequentemente, a fim de reduzir emissões de dióxido de carbono e o uso de combustíveis fósseis, a bioenergia derivada a partir de organismos está recebendo atenção maior como uma fonte de energia alternativa. Pode, portanto, considerar-se que é fortemente necessário que o biocombustível neutro em carbono renovável substitua combustível de transporte, que é fortemente dependente de combustíveis fósseis convencionais, no futuro próximo.

[004] A bioenergia não é apenas mais fácil de armazenar do que os outros tipos de energias renováveis, mas também pode ser usada diretamente em motores de combustão interna. Pode ser misturada e usada com diesel normal e é uma substância biodegradável não tóxica. Até o presente momento, tem sido produzido mais biodiesel a partir de óleo de palma, óleo de semente de colza ou outras plantas ricas em óleo. No entanto, tal biodiesel derivado de planta se depara com o problema de sustentabilidade. Por exemplo, para produzir o consumo mundial anual de biodiesel (cerca de 2 bilhões de toneladas em 2015) a partir de semente de colza exigiria cerca de duas vezes o território igual à área da península coreana. Além disso, mais da metade da energia total que pode ser produzida é consumida durante o processamento. Existem razões pelas quais a pesquisa e desenvolvimento na produção de biodiesel com o uso de microalgas está recebendo maior atenção recentemente.

[005] O uso de microalgas encontra muitas vantagens. Primeiramente, as microalgas exibem características de produtividade muito superiores a plantas em geral. As microalgas de crescimento mais rápido se dividem e dobram em número a cada 3 horas. Adicionalmente ao dióxido de carbono, as mesmas podem remover poluentes, como amônia, nitratos e fosfatos, também tornando os mesmos úteis em tratamento de água servida. Além disso, as microalgas cultivadas podem, além de serem uma alternativa para combustíveis fósseis convencionais, produzem substâncias naturais úteis como antioxidantes. Após a extração de tais substâncias, os subprodutos podem ser usados como alimentação ou fertilizante, tornando os mesmos uma fonte de combustível que pode ser usada para uma ampla variedade de propósitos.

[006] No entanto, existem diversos obstáculos técnicos a serem superados para a cultura em massa de microalgas. Os processos para a cultura de microalgas são responsáveis por mais de 50% dos custos totais, seguido da coleta, concentração, secagem e separação e extração. Os métodos de cultura existentes incluem a patente coreana no 10-0679989 (“Raceway-type outdoor mass microalgal culture vessel provided with seed culture vessel”) e patente coreana publicada no 10-2012-0014387 (Photobioreactors for microalgal mass cultures and cultivation methods using them). No entanto, os fotobiorreatores e sistema de cultura do tipo lagoa aberta (raceway pond) convencionais exigem uma área de instalação ampla e custos de instalação iniciais altos. No caso de lagoas abertas pequenas, que têm custos de instalação iniciais baixos, a formação de biofilme pelas microalgas e períodos de cultura longos resultam em rendimentos menores. Além disso, os coagulantes, que são agentes químicos, são usados para coleta, resultando em problemas de poluição de água secundários. Os fotobiorreatores, que têm boas taxas de rendimento, são limitados pelo fato de que são restritos a uma estrutura horizontal a fim de induzir um fluxo de modo que impeça a fixação de algas às paredes. Essa estrutura horizontal não apenas torna difícil a introdução de dióxido de carbono na atmosfera, mas também restringe a liberação do produto fotossintético, oxigênio. Isso, através da intoxicação de oxigênio, limita o crescimento à produtividade.

[007] Finalmente, pode afirmar-se que, para a comercialização de microalgas, o desenvolvimento de uma tecnologia de combinação de alta energia e baixo custo que envolve custos de instalação iniciais baixos e reduz custos operacionais mediante o fornecimento de fatores de crescimento microalgáceo (luz, dióxido de carbono, nitrogênio, fósforo, minerais residuais) em baixo custo é urgente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[008] As necessidades antecedentes são atendidas, a uma grande extensão, pela presente invenção, em que, em um aspecto, é fornecido um fotobiorreator e um método de cultivar e coletar microalgas que, em algumas modalidades, supera as desvantagens descritas no presente documento pelo menos até certo ponto.

[009] Uma modalidade da presente invenção pertence a um sistema de produção de caldo de cultura de microalgas que inclui um dispositivo para esterilização de caldo de cultura com o uso de um gerador de microbolha de ar, um dispositivo de equalização de pressão e compressão de ar para a injeção de dióxido de carbono e oxigênio a partir da atmosfera no caldo de cultura, e um dispositivo de resfriamento de ar para manter a temperatura de caldo de cultura adequada em resposta a uma temperatura da água que é maior do que uma temperatura máxima predeterminada. O sistema inclui também um dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático para promover fotossíntese, um fotobiorreator vertical vedado configurado para conter um meio de cultura inoculado com microalgas, sendo que o fotobiorreator vertical é configurado para permitir luz no meio de cultura, bloquear poluentes e aumentar concentração de oxigênio e dióxido de carbono dissolvidos, um dispositivo de coleta de alta eficácia com o uso de membranas de fibras ocas, e um dispositivo de secagem por ar quente com o uso do calor residual gerado por compressão de ar.

[010] Uma outra modalidade da presente invenção pertence a um método para purificação de água e ar e fixação e conversão de dióxido de carbono com biomassa que inclui as etapas do método de suprir ar e água a serem purificados para um sistema de produção de caldo de cultura de microalgas. O sistema de produção de caldo de cultura de microalgas inclui um dispositivo para esterilização de caldo de cultura com o uso de um gerador de microbolha de ar, um dispositivo de equalização de pressão e compressão de ar para a injeção de dióxido de carbono e oxigênio a partir da atmosfera no caldo de cultura, e um dispositivo de resfriamento de ar para manter a temperatura de caldo de cultura adequada em resposta a uma temperatura da água que é maior do que uma temperatura máxima predeterminada. O sistema inclui também um dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático para promover fotossíntese, um fotobiorreator vertical vedado configurado para conter um meio de cultura inoculado com microalgas, sendo que o fotobiorreator vertical é configurado para permitir luz no meio de cultura, bloquear poluentes e aumentar concentração de oxigênio e dióxido de carbono dissolvidos, um dispositivo de coleta de alta eficácia com o uso de membranas de fibras ocas, e um dispositivo de secagem por ar quente com o uso do calor residual gerado por compressão de ar.

[011] Dessa forma, foram descritas, de preferência, amplamente, certas modalidades da invenção a fim de que a descrição detalhada das mesmas no presente documento possa ser mais bem compreendidas, e para que a presente contribuição para a técnica possa ser mais bem observada. Existem, certamente, modalidades adicionais da invenção que serão descritas abaixo e que formarão o assunto das reivindicações anexas à mesma.

[012] Sobre esse assunto, antes de explicar pelo menos uma modalidade da invenção em detalhes, deve-se compreender que a invenção não é limitada em sua aplicação aos detalhes de construção e às disposições dos componentes apresentados na seguinte descrição ou ilustrados nos desenhos. A invenção tem capacidade para modalidades além daquelas descritas e para ser praticada e realizada de várias maneiras. Além disso, deve-se compreender que a fraseologia e terminologia empregadas no presente documento, bem como no resumo, são para o propósito de descrição e não devem ser consideradas como limitadoras.

[013] Como tal, aqueles versados na técnica irão observar que a idealização na qual esta revelação é baseada pode ser prontamente usada como uma base para o projeto de outras estruturas, métodos e sistemas para realizar os vários propósitos da presente invenção. É importante, portanto, que as reivindicações sejam consideradas como incluindo tais construções equivalentes na medida em que as mesmas não se desviam do espírito e escopo da presente invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[014] A Figura 1 é uma vista em perspectiva das instalações e equipamentos para a cultura de microalgas eficaz, de acordo com a presente invenção;

[015] A Figura 2 mostra vistas frontal e traseira da estufa para a cultura de microalgas, de acordo com a presente invenção;

[016] A Figura 3 é um lado da estufa para cultura de microalgas de acordo com a presente invenção;

[017] A Figura 4 é uma vista em corte da estufa para cultura de microalgas de acordo com a presente invenção;

[018] A Figura 5 é uma primeira vista em corte da estufa instalada para cultura de microalgas de acordo com a presente invenção;

[019] A Figura 6 é uma segunda vista em corte da estufa instalada para cultura de microalgas de acordo com a presente invenção;

[020] A Figura 7 é uma terceira vista em corte da estufa instalada para cultura de microalgas de acordo com a presente invenção;

[021] A Figura 8 é um diagrama estrutural do dispositivo de geração de microbolha de ar para esterilização de caldo de cultura, de acordo com a presente invenção;

[022] A Figura 9 é uma ilustração do dispositivo de geração de microbolha de ar instalado para esterilização de caldo de cultura, de acordo com a presente invenção;

[023] A Figura 10 é uma primeira ilustração dos tubos de suprimento de ar e caldo de cultura (dióxido de carbono e nitrogênio), de acordo com a presente invenção;

[024] A Figura 11 é uma segunda ilustração dos tubos de suprimento de ar e caldo de cultura (dióxido de carbono e nitrogênio), de acordo com a presente invenção;

[025] A Figura 12 é uma primeira ilustração do compressor de ar instalado de acordo com a presente invenção;

[026] A Figura 13 é uma segunda ilustração do compressor de ar instalado de acordo com a presente invenção;

[027] A Figura 14 é uma ilustração do tanque e dispositivo de resfriamento de ar para regulação de pressão de ar comprimido instalados de acordo com a presente invenção;

[028] A Figura 15 é uma ilustração do dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático instalado de acordo com a presente invenção;

[029] A Figura 16 é uma vista lateral do fotobiorreator vertical de acordo com a presente invenção;

[030] A Figura 17 é uma primeira ilustração do fotobiorreator vertical instalado de acordo com a presente invenção;

[031] A Figura 18 é uma ilustração do dispositivo de regulação de pressão de ar instalado no fotobiorreator vertical de acordo com a presente invenção;

[032] A Figura 19 é uma segunda ilustração do fotobiorreator vertical instalado de acordo com a presente invenção;

[033] A Figura 20 é uma terceira ilustração do fotobiorreator vertical instalado de acordo com a presente invenção;

[034] A Figura 21 é um diagrama de blocos do fotobiorreator vertical de acordo com a presente invenção;

[035] A Figura 22 é um gráfico de crescimento diário para o fotobiorreator vertical, de acordo com a presente invenção;

[036] A Figura 23 é um gráfico de crescimento mensal para o fotobiorreator vertical, de acordo com a presente invenção;

[037] A Figura 24 é uma vista frontal do dispositivo de coleta de microalgas de membrana de fibra oca, de acordo com a presente invenção;

[038] A Figura 25 é uma vista lateral do dispositivo de coleta de microalgas de membrana de fibra oca, de acordo com a presente invenção;

[039] A Figura 26 é uma ilustração do dispositivo de coleta de microalgas de membrana de fibra oca instalado, de acordo com a presente invenção;

[040] A Figura 27 é uma foto dos resultados de operação do dispositivo de coleta de microalgas de membrana de fibra oca, de acordo com a presente invenção;

[041] A Figura 28 é uma ilustração do dispositivo de secagem de microalgas instalado, de acordo com a presente invenção;

[042] A Figura 29 é um foto do lado interno do dispositivo de secagem de microalgas instalado, de acordo com a presente invenção, após a secagem;

[043] A Figura 30 mostra fotos do dispositivo de secagem de microalgas, de acordo com a presente invenção, antes e após a secagem (lado direito);

[044] A Figura 31 é uma ilustração do sistema de controlo automático para a estufa instalado de acordo com a presente invenção;

[045] A Figura 32 é um gráfico que mostra a densidade de células em função da temperatura de crescimento, de acordo com a presente invenção; e

[046] A Figura 33 é um gráfico que mostra a densidade de células em função da iluminação de crescimento, de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[047] As modalidades da presente invenção se referem a um sistema de produção de caldo de cultura de microalgas que tem um dispositivo para esterilização de caldo de cultura com o uso de um gerador de microbolha de ar, um dispositivo de equalização de pressão e compressão de ar para a injeção de dióxido de carbono e oxigênio na atmosfera no caldo de cultura, e um dispositivo de resfriamento de ar para manter a temperatura de caldo de cultura adequada quando a temperatura da água for alta demais. O sistema inclui também um dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático para promover fotossíntese, um fotobiorreator vertical vedado para bloquear poluentes e aumentar a concentração de oxigênio e dióxido de carbono dissolvidos, um dispositivo de coleta de alta eficácia que usa membranas de fibras ocas, e um dispositivo de secagem por ar quente que usa o calor residual gerado por compressão de ar. As modalidades adicionais se referem a um método para purificação de água e ar e fixação ou conversão de dióxido de carbono com o uso do sistema de produção de caldo de cultura de microalgas descrito no presente documento.

[048] De acordo com as modalidades da presente invenção, a água servida rica em fósforo e nitrogênio a partir de usinas de tratamento de esgoto sanitário pode ser esterilizada com o uso de um dispositivo de geração de microbolha de ar e usada em caldo de cultura de microalgas para cultivar microalgas que são passadas através de uma membrana de fibra oca para coletar apenas a biomassa (microalgas), depois do qual a água purificada é descartada em rios ou novamente esterilizada através do dispositivo de geração de microbolha de ar e reutilizada em caldo de cultura tanto para economizar custos como melhorar o ambiente da água.

[049] O dispositivo de equalização e pressurização de ar comprime dióxido de carbono, oxigênio e nitrogênio, etc. na atmosfera e supre os mesmos em uma pressão constante nos fotobiorreatores, não apenas fornecendo fatores necessários para o crescimento de microalgas, mas também melhorando o ambiente do ar. O fotobiorreator vertical vedado aumenta a taxa de infiltração da luz, um elemento de fotossíntese, veda contaminantes ou espécies concorrentes na atmosfera, permite a dissolução fácil dos fatores de crescimento antecedentes, etc., e descarrega oxigênio, o produto metabólico de fotossíntese, através de um tubo de descarga situado no topo do fotobiorreator.

[050] Com o uso de água servida rica em nitrogênio e fósforo, e poluentes transportados pelo ar como dióxido de carbono na atmosfera como fatores de crescimento para microalgas, os custos podem ser economizados e o ambiente pode ser protegido. Além disso, o método simples de coleta e cultura de microalgas permite a coleta diária em altas concentrações e alta pureza.

[051] PROBLEMA DA TÉCNICA Até o presente momento, os oxidantes à base de cloro (hipoclorito de sódio ligeiramente ácido, etc.) têm sido usados para esterilização, que é a etapa central no tratamento de caldo de cultura bruto para cultura de microalgas. No entanto, tais substâncias não são ecologicamente corretas, e precisam ser desenvolvidas tecnologias mais economicamente viáveis que possam suprimir a produção de subprodutos secundários nocivos como trialometanos (THM) e ácido acético halogênico (HAA).

[052] É necessário desenvolver instalações que possam maximizar a produção de microalgas através da otimização de condições de crescimento, que consistem em um dispositivo de cultura com capacidade para cultivar diversos tipos de microalgas ao longo do ano em baixo custo e alta eficácia sem contaminação por microalgas nativas, um dispositivo com capacidade de coletar essa microalga de modo eficaz, e outros equipamentos como geradores de ar pressurizado e tubos para o suprimento e coleta de caldo de cultura que possa suportar esses dispositivos.

[053] A fim de maximizar a produtividade, os métodos do tipo batelada (método em que a inoculação é seguida de coleta em batelada quando o crescimento de pico é alcançado), como o sistema de cultura do tipo lagoa aberta convencional ou fotobiorreator, deveriam ser evitados. O método deve permitir a coleta diária contínua para manter alta densidade de crescimento e a otimização de condições de crescimento como iluminação e nutrição.

[054] Com o uso de tais tecnologias, podem ser desenvolvidas outras tecnologias, como dispositivos que purificam o ar através da conversão de biomassa de dióxido de carbono, e dispositivos que purificam água servida por meio do tratamento biológico das grandes quantidades de nitrogênio e fósforo contidos no interior.

[055] SOLUÇÃO DA TÉCNICA Para alcançar os objetivos mencionados acima, a presente invenção fornece uma estufa de vinila em que todos os equipamentos relacionados à cultura são contidos, para permitir a coleta durante o ano independentemente do clima. Como o método para remoção de microalgas nativas ou patógenos em água servida e a esterilização do fotobiorreator vertical, o uso de microbolhas no caldo de cultura bruto faz com que sólidos na água se elevem até a superfície para a remoção eficaz, e a introdução de ozônio, um oxidante forte, na água natural faz com que o ozônio dissolvido e bolhas na água se espalhem e desloquem na água até que a pressão da água faça com que as mesmas estourem. Os radicais hidroxila (OH-) que são produzidos quando as moléculas de ozônio dentro das bolhas, purificam e esterilizam completamente o caldo de cultura bruto, substituindo oxidantes à base de cloro convencionais.

[056] O dióxido de carbono, nitrogênio e oxigênio, que são elementos principais da fotossíntese, são comprimidos até 1 x 106 Pa (10 bar) com o uso de um compressor de ar e passados através de múltiplos estágios de microfiltros para remover por filtração patógenos ou espécies concorrentes no ar. Esse ar comprimido purificado é alimentado 24 horas por dia através de tubos no fundo de cada fotobiorreator. Durante as horas diurnas com luz do sol, o dióxido de carbono que existe em uma concentração de 350 ppm no ar é usado para fotossíntese, e durante as horas noturnas, quando não há luz, o oxigênio na atmosfera que é necessário para a respiração pelas microalgas é suprido, fornecendo condições de crescimento ideais. Além disso, é fornecido um fotobiorreator vertical, que significa que o ar comprimido que é introduzido através dos tubos inferiores se eleva até a superfície, formando bolhas e causando ondulações naturais. Isso não apenas impede que as microalgas se fixem às superfícies de parede, mas também induz a dissolução de dióxido de carbono e nitrogênio, etc. na atmosfera no caldo de cultura. Sob essas condições de crescimento ideais, ocorre o crescimento rápido. Quando a concentração alcança seu pico, no qual a luz solar é bloqueada, 1/2 é coletado em 24 horas para manter um concentração de cultura ideal para a absorção de luz. O fotobiorreator é reabastecido com uma quantidade de caldo de cultura igual à quantidade coletada, juntamente com os nutrientes necessários para o crescimento.

[057] Através do método mencionado anteriormente, a cultura de alta densidade é possível durante o ano independentemente do clima, até em espaço limitado.

[058] EFEITOS DAS MODALIDADES DA INVENÇÃO O dióxido de carbono e nitrogênio livremente disponíveis, etc., no ambiente são usados, melhorando o ambiente atmosférico, e o fósforo e nitrogênio em água servida tratada podem ser usados no caldo de cultura para obter efeitos de purificação de água.

[059] Com o uso de poluentes como recursos na cultura de microalgas, uma circulação positiva de recursos pode ser induzida, e a viabilidade econômica pode ser garantida mediante a minimização de custos de produção.

[060] Embora a redução de produtividade devido à contaminação de caldo de cultura tenha sido o maior obstáculo para a cultura de microalgas até o presente momento, a esterilização de radical hidroxila (OH-) e ozônio ecologicamente correta supera esse obstáculo, e uma estrutura vedada para os fotobiorreatores protege as culturas contra poluentes ou algas concorrentes no ar, fornecendo condições de crescimento ideais.

[061] A estrutura vertical facilita a coleta e o suprimento de caldo de cultura, permitindo a coleta em 24 horas e condições de luz ideais para maximizar a produtividade.

[062] As microalgas coletadas são passadas através de uma membrana de fibra oca para separar as microalgas da água. A água é então esterilizada com um dispositivo de geração de microbolha e reutilizada no caldo de cultura. As microalgas concentradas são secas com o uso do ar quente descarregado a partir do compressor.

[063] Um sistema de coleta e crescimento de microalgas 10, de acordo com a modalidade da presente invenção, é mostrado na Figura 1. Conforme mostrado na Figura 1, o sistema de coleta e crescimento de microalgas 10 inclui uma estufa 101, uma área de controle de qualidade 102 e um compartimento de congelador 103. O sistema de coleta e crescimento de microalgas 10 inclui também um esterilizador 200 como um gerador de microbolha para gerar um suprimento de ozônio pressurizado para esterilizar meios de crescimento entrantes.

[064] A presente invenção se refere a um método para produção em massa contínua e econômica de biomassa derivada de microalgas sem contaminação.

[065] As microalgas são produtores primários que produzem compostos orgânicos através da fotossíntese. Seu produto, biomassa, é um substituto para a energia líquida de combustíveis fósseis, enquanto que suas substâncias de assimilação de pigmento, com capacidades antioxidantes poderosas, têm capacidade para produzir substâncias naturais economicamente corretas úteis como fármacos. As microalgas estão surgindo como uma alternativa para diversos produtos petroquímicos, e, sendo um alimento nutricionalmente completo, estão sendo usadas para suplementos alimentares saudáveis ou alimentos. Após a extração dessas substâncias úteis, os subprodutos podem ser usados como fertilizante ou alimentação para animais. Recentemente, os subprodutos de microalgas orgânicos estão sendo usados para promover o crescimento vegetal e para prevenção de pragas.

[066] O sucesso de usinas que produzem em massa microalgas é determinado pela manipulação de água (caldo de cultura), o mais importante dos quatro elementos (água, dióxido de carbono, luz, nutrientes) necessários para a cultura de microalgas.

[067] A água subterrânea, lagos, rios e água marinha são as fontes principais para a água em caldo de cultura de microalgas. No entanto, a industrialização rápida no século 21 resultou na poluição grave do ar, água e solo. Isso significa que a água natural não pode ser usada tal como é, mas precisa ser completamente esterilizada para remover quaisquer detritos estranhos, toxinas, antibióticos residuais e micróbios, etc., na água.

[068] Até o presente momento, os oxidantes à base de cloro (hipoclorito de sódio ligeiramente ácido, etc.) têm sido usados para esterilização, que é a etapa central no tratamento de caldo de cultura bruto para cultura de microalgas. No entanto, tais substâncias não são ecologicamente corretas, e a produção de subprodutos secundários nocivos como trialometanos (THM) e ácido acético halogênico (HAA) tem sido um obstáculo para a cultura em massa de microalgas. Consequentemente, o esterilizador 200 usa microbolhas no caldo de cultura bruto para remover de modo eficaz sólidos na água. A adição de ozônio, um oxidante forte, na água natural faz com que o ozônio dissolvido e bolhas na água se espalhem e desloquem na água até que a pressão faça com que as mesmas estourem. Os radicais hidroxila (OH-) que são produzidos quando as moléculas de ozônio dentro das bolhas, purificam e esterilizam completamente o caldo de cultura bruto.

[069] A composição e desempenho do dispositivo de microbolha para o tratamento do caldo de cultura de microalgas são conforme exposto a seguir: 1) Composição; - Bomba: 5 a 10 toneladas/hora - Gases introduzidos: Ar, oxigênio, ozônio; e 2) Desempenho; - tamanho de bolha: <20 micrometros - Concentração de gás dissolvido: >80% - Tamanho permissível de sólidos: <5 mm.

[070] O sistema de coleta e crescimento de microalgas 10 inclui um aparelho alimentador de meio de cultura de microalgas 301, um aparelho alimentador de ar/CO2 302, um ou mais compressores 401, um tanque de alta pressão 402 para armazenar o ar a partir do compressor 401, um resfriador de ar 403 e um sistema de fotobiorreator 500. Em um exemplo particular, o sistema de fotobiorreator 500 inclui um arranjo de fotobiorreatores dispostos verticalmente (VPBR).

[071] O caldo de cultura esterilizado e purificado é introduzido nos fotobiorreatores dispostos verticalmente 500 ao ser bombeado através dos tubos conectados 301.

[072] Os fotobiorreatores são inoculados com as microalgas de alta concentração cultivadas no reator intermediário através de tubos instalados no fundo dos fotobiorreatores, após o qual uma quantidade adequada (0,5% do caldo de cultura bruto) de nutrientes é introduzida.

[073] O ar comprimido pelo compressor de ar 401 é temporariamente armazenado em um dispositivo de regulação de pressão (tanque de alta pressão) 402. Com o uso dos microfiltros (1 x 5 mícrons, 1 x 1 mícron) do resfriador de ar 403, quaisquer partículas de limalha de microalgas nativas (patógenos ou microalgas concorrentes, etc.) são removidas por filtração na pressão de ar definida.

[074] O ar purificado (incluindo dióxido de carbono, nitrogênio e oxigênio) é movido através dos tubos de suprimento 302 e é purificado uma segunda vez mediante a passagem através do filtro do dispositivo de controle fino instalado no fundo dos fotobiorreatores 500.

[075] O ar que é introduzido forma bolhas de ar, que se elevam até o topo e criam ondulações. Isso evita que as microalgas se fixem às paredes dos fotobiorreatores durante o crescimento, e o bloqueio da luz solar. Além disso, o caldo de cultura se move horizontal e verticalmente, aumentando as oportunidades para o contato com a luz (fatores de crescimento) e promovendo o crescimento.

[076] Uma vez que o pico (50.000.000 células/ml) é alcançado, 1/2 do caldo de cultura é recuperado (coletado) em intervalos de 24 horas. Isso permite que a competição de cultura ideal (25.000.000 células/ml) por absorção de luz para fotossíntese seja mantida. O fotobiorreator é reabastecido com uma quantidade de caldo de cultura esterilizado com ozônio igual à quantidade coletada, adicionando-se os nutrientes que são necessários para o crescimento.

[077] A presente invenção, conforme descrito nas modalidades, permite a produtividade máxima mediante a repetição desse método de cultura. O caldo de cultura recuperado através dos tubos inferiores 301 (microalgas de alta densidade) é passado através de um separador de membrana de fibra oca 600 que emprega o princípio da osmose reversa para coletar a água e microalgas separadamente. A água é, então, purificada e esterilizada através do gerador de microbolha 200 e reutilizada no fotobiorreator 500. As microalgas de alta densidade coletadas são secas em um secador 700 que usa o calor que é gerado durante a compressão de ar. Um painel de controle 800 é utilizado para supervisionar a operação do sistema de coleta e crescimento de microalgas 10.

[078] A Figura 2 mostra vistas frontal e traseira da estufa 101 para a cultura de microalgas, de acordo com a presente invenção e a Figura 3 é um lado da estufa 101 para cultura de microalgas de acordo com a presente invenção. A Figura 4 é uma vista em corte da estufa 101 para cultura de microalgas, de acordo com a presente invenção, que mostra um abridor/fecho de teto automático 110, um elemento de sombra 112, um motor de acionamento de elemento de sombra 114, um motor de acionamento de janela 116 e janela 118 operada pelo motor de acionamento de janela 116.

[079] A Figura 5 é uma primeira vista em perspectiva da estufa 101 instalada para a cultura de microalgas, de acordo com a presente invenção, que mostra o fotobiorreator 500 em um estado desmontado. A Figura 6 é uma segunda vista em perspectiva da estufa 101 instalada para a cultura de microalgas, de acordo com a presente invenção, que mostra a área em que o fotobiorreator 500 deve ser montado. A Figura 7 é uma terceira vista em perspectiva da estufa 101 instalada para a cultura de microalgas, de acordo com a presente invenção, que mostra o fotobiorreator 500 montado instalado na estufa 101.

[080] A Figura 8 é um diagrama estrutural do dispositivo de geração de microbolha de ar 200 para a instalação de caldo de cultura, de acordo com a presente invenção, que mostra o esterilizador 200 que inclui um gerador de oxigênio 210, um gerador de ozônio 212, uma bomba 214 e um tanque de flutuação 216. O caldo de cultura sob a forma de água natural ou esgoto sanitário é colocado no tanque de flutuação 216 e o ozônio é borbulhado através do caldo de cultura a partir de baixo. O ozônio em excesso é coletado a partir do topo do tanque de flutuação 216 e alimentado de volta para o fundo do tanque de flutuação 216.

[081] A Figura 9 é uma ilustração do dispositivo de geração de microbolha de ar 200 instalado para a esterilização do caldo de cultura, de acordo com a presente invenção, que mostra a conexão ao tanque de flutuação 216

[082] A Figura 10 é uma primeira ilustração dos tubos de suprimento de ar e caldo de cultura (dióxido de carbono e nitrogênio) 301 e 302, de acordo com a presente invenção. Conforme mostrado na Figura 10, o fotobiorreator 500 é suprido com ar/CO2 a partir do compressor 401 através da linha 302 e o fotobiorreator 500 é suprido com meios de cultura a partir de uma bomba 510 através da linha 301. A Figura 11 é uma segunda foto dos tubos de suprimento de ar e caldo de cultura (dióxido de carbono e nitrogênio) 301 e 302, de acordo com a presente invenção.

[083] A Figura 12 é uma primeira ilustração do compressor de ar 401 instalado de acordo com a presente invenção e a Figura 13 é uma segunda ilustração do compressor de ar instalado de acordo com a presente invenção.

[084] A Figura 14 é uma ilustração do tanque 402 e dispositivo de resfriamento de ar 403 para regulação de pressão de ar comprimido instalados de acordo com a presente invenção. É também mostrado na Figura 14 um tanque de armazenamento 410 para meios de cultura. A Figura 15 é uma ilustração do dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático 412 instalado de acordo com a presente invenção.

[085] A Figura 16 é uma vista lateral do fotobiorreator vertical 500 de acordo com a presente invenção e a Figura 17 é uma ilustração em perspectiva do fotobiorreator vertical 500 instalado de acordo com a presente invenção. A Figura 18 é uma ilustração de um dispositivo de regulação de pressão de ar 520 instalado no fotobiorreator vertical 500 de acordo com a presente invenção e a Figura 19 é uma segunda ilustração do fotobiorreator vertical 500 instalado de acordo com a presente invenção. A Figura 20 é uma terceira ilustração do fotobiorreator vertical 500 instalado de acordo com a presente invenção. A Figura 21 é um diagrama de blocos do fotobiorreator vertical 500 de acordo com a presente invenção. Conforme mostrado na Figura 21, ar/CO2 é suprido através do compressor 401, tanque 402 e resfriador 403. O meio é suprido através do tanque 410. As microalgas são cultivadas no fotobiorreator vertical 500 e coletadas em um tanque 550.

[086] A Figura 22 é um gráfico de crescimento diário para o fotobiorreator vertical, de acordo com a presente invenção, e a Figura 23 é um gráfico de crescimento mensal para o fotobiorreator vertical, de acordo com a presente invenção.

[087] A Figura 24 é uma vista frontal do dispositivo de coleta de microalgas de membrana de fibra oca 600, de acordo com a presente invenção, e a Figura 25 é uma vista lateral do dispositivo de coleta de microalgas de membrana de fibra oca 600, de acordo com a presente invenção. Em geral, o dispositivo de coleta de microalgas de membrana de fibra oca 600 concentra as microalgas cultivadas mediante a passagem da cultura além das fibras ocas em alta pressão. As aberturas nas fibras são pequenas demais para as microalgas passarem, assim as microalgas são concentradas. A Figura 26 é uma ilustração do dispositivo de coleta de microalgas de membrana de fibra oca 600 instalado, de acordo com a presente invenção.

[088] A Figura 27 é uma foto dos resultados de operação do dispositivo de coleta de microalgas de membrana de fibra oca 600, de acordo com a presente invenção. Conforme mostrado na Figura 27, o meio de cultura bruto (extrema direita) é filtrado para produzir concentrado (recipiente intermediário) e sobrenadante (extrema esquerda).

[089] A Figura 28 é uma ilustração do dispositivo de secagem de microalgas 700 instalado, de acordo com a presente invenção. A Figura 29 é um foto do lado interno do dispositivo de secagem de microalgas 700 instalado, de acordo com a presente invenção, após a secagem. A Figura 30 mostra fotos das microalgas concentradas antes (balde esquerdo) e após (balde direito) a secagem no dispositivo de secagem de microalgas 700, de acordo com a presente invenção. A Figura 31 é uma ilustração do sistema de controlo automático 800 para a estufa 101 instalado de acordo com a presente invenção.

[090] A seguir, é descrita uma modalidade da presente invenção com referência às modalidades exemplificadoras da mesma. As modalidades representam os resultado de uma execução de teste de 1 mês da presente invenção. As modalidades contidas no presente documento são modalidades exemplificadoras da presente invenção, e deverá ficar óbvio para uma pessoa versada na técnica que essas modalidades não se destinam a restringir o escopo de proteção da presente invenção a essas modalidades.

[091] No presente experimento, as microalgas marinhas de água fria Nannochloropsis sp. foram usadas em um experimento de crescimento externo com 2 toneladas de caldo de cultura para o propósito de avaliar a produtividade do fotobiorreator vertical de alta eficácia inventado pelo presente inventor. No experimento, que foi realizado durante 1 mês, a produtividade diária média foi de 0,953 g/l na cultura com CO2 a 0,1% introduzido, enquanto que a produtividade foi de 0,574 g/l quando apenas o ar foi introduzido. Conforme a distribuição de temperatura, a faixa foi a partir de um mínimo de 20 °C a um máximo de 31 °C. Foi mostrado que não há diferença significativa na produtividade de acordo com a temperatura dentro dessa faixa. A luz iluminou em uma luminosidade de 5.000 a 40.000 Lux, e foi constatado que a intensidade da luz e o crescimento das microalgas foram intimamente relacionados. Entretanto, foi constatado que o método de cultura de microalgas por flutuação em reator pressurizado tentado no presente experimento foi altamente eficaz.

[092] A cepa usada no presente experimento foi Nannochloropsis sp. (KMMCC-290) a partir do Korean Marine Microalgae Culture Center, e da base de cultura CONYWY foi usada para cultivar a cepa (Cuillard e Ryther, 1962). A cepa foi líquida e sólida cultivada sob condições de temperatura de 25 °C e foi armazenada ou usada para inoculação.

[093] A composição básica do dispositivo experimental para o teste de cultura externa é conforme exposto a seguir: fotobiorreatores, compressor de ar, injetor de dióxido de carbono, misturador de caldo de cultura e coletador de caldo de cultura mostrados na Figura 21. Os fotobiorreatores foram conectados a um tubo de policarbonato transparente especial de 4.000 mm de comprimento com um diâmetro de 140 mm, com 20 fotobiorreatores fixados a cada uma das 2 linhas. 2.000 l de água marinha esterilizada com o uso do dispositivo de microbolhas (OH-) foram injetados. Cada linha foi inoculada com 200 l, que é 1/10 da quantidade total de 2.000 l de caldo de cultura, a uma concentração de cerca de 5,0 x 107 células por 1 ml. 8 horas após a inoculação, urina de vaca esterilizada como uma fonte de nitrogênio e outros nutrientes inorgânicos foram injetados a uma concentração de 0,5%, e a cultura foi continuada. Em uma linha, o ar (incluindo dióxido de carbono a 0,03%) foi suprido através do compressor de ar, e na outra linha, dióxido de carbono liquefeito a 0,1% foi misturado.

[094] O caldo de cultura inoculado foi cultivado durante os primeiros 5 dias após a inoculação em um estado otimizado com o compressor de ar, a válvula foi ajustada de modo que o caldo de cultura não alcançasse os tubos de PVC de conexão fixados ao topo de cada tubo de cultura. No sexto dia, 50% ou 1.000 l do caldo de cultura foram descarregados através dos tubos inferiores e coletados. Então, cada linha foi reabastecida com 500 l de novo caldo de cultura, uma quantidade equivalente ao caldo de cultura descarregado a partir de cada uma. Isso foi repetido a cada 24 horas, com os fotobiorreatores operados continuamente durante 30 dias.

[095] Os 1.000 l de caldo de cultura de alta concentração coletado foi adicionalmente concentrado com o uso de uma membrana de fibra oca, e após cerca de 30 minutos, as microalgas concentradas foram dessalinizadas 2 vezes com água doce. As microalgas dessalinizadas foram secas com o uso de um secador de forno a um teor de umidade de 4% ou menos, após o qual o peso de célula seco total foi encontrado para determinar a massa celular total.

[096] Uma certa quantidade das espécimes coletadas a partir de cada um dos caldos de cultura foi diluída, e a contagem de células foi medida com o uso de um hemocitômetro. A contagem de células medida foi dividida pela massa celular para gerar o peso de célula seco por célula. Observe que a intensidade de iluminação durante a cultura foi medida com o uso de um medidor de Lux portátil com capacidade para medir entre 600 e 300.000 Lux. As unidades são mostradas em Lux.

[097] Conforme mostrado na Figura 22, o número de células antes da adição a nutrientes inorgânicos na linha (Linha A) injetada com ar apenas e na linha injetada com uma mistura de ar e dióxido de carbono a 0,1% (Linha B) foi constatado como sendo de 0,55 a 0,60 x 107 células, indicando uma taxa de diluição inicial adequada. A partir do segundo dia após a inoculação até a coleta, a contagem de células aproximadamente dobrou em ambas as linhas, alcançando 2,6 x 107 células e 4,8 x 107 células, respectivamente, no 5o dia após a inoculação, um dia após a coleta. Conforme foi esperado, a taxa de crescimento das células na Linha B com o dióxido de carbono injetado foi maior do que na Linha A. A contagem de células pré-coleta da Linha B foi quase o dobro daquela da Linha A.

[098] Tentou-se a coleta de células a partir do 6o dia após a inoculação em diante. Foi determinado que o caldo de cultura seria extraído nesse momento com base nos resultados a partir de experimentos anteriores, em que a taxa de crescimento exponencial de pico foi alcançada entre 120 e 150 horas. Consequentemente, o caldo de cultura foi extraído a cada 24 horas para coleta a partir do 6o dia em diante. A quantidade de caldo de cultura extraído nesse ponto foi de 1.000 l ou 50% dos 2.000 l totais. Isso foi devido ao fato de que o estado de cultura ideal foi alcançado 24 horas após o reabastecimento com o novo caldo de cultura imediatamente após a extração de 50%. A concentração de células dentro dos fotobiorreatores imediatamente antes da extração no 6o dia foi de 3,5 x 107 células e 6,1 x 107 células por 1 ml para a Linha A e Linha B, respectivamente.

[099] Após a inoculação inicial, 1.000 l de caldo de cultura foram extraídos a partir do 6o dia em diante, no qual foi considerado que o pico da fase de crescimento exponencial foi alcançado. Conforme mostrado na Figura 23, a cultura continuou durante 25 dias adicionais, reabastecendo-se os fotobiorreatores com a mesma quantidade de caldo de cultura extraído. Para analisar a taxa de crescimento, as contagens de célula foram medidas no caldo de cultura imediatamente após a inoculação e imediatamente antes da extração. Mediante a descoberta da contagem de células e peso de célula seco das microalgas extraídas, a contagem de células diária média e taxa de crescimento média, etc., foram analisadas conforme mostrado na Figura 23 e Tabela 1.

[0100] Tabela 1. Taxa de crescimento específica, Número de células médio e Peso seco médio de células na Linha A & B:

[0101] Para Linha B, com CO2 a 0,1% injetado, a contagem de células média diária por 1 ml imediatamente antes da extração foi encontrada mediante a divisão da contagem de células total ao longo de 25 dias, gerando um valor de 6,35 x 107 células/ml. Entretanto, a taxa de crescimento dentro dos fotobiorreatores foi encontrada com o uso da seguinte equação, que se aplica à taxa de crescimento de células na fase de crescimento exponencial.

[0102] Na equação para taxa de crescimento de célula: N = N02n, N é a contagem de células após t horas terem passado e N0 é a contagem de células inicial. O n minúsculo é o número de gerações dentro de t horas. A substituição das funções Log na equação acima gera o seguinte: LogN = LogN0 + nLog2. A contagem de geração total, n, se torna LogN - LogNO - Log2 (0,301). Aqui, a contagem de células inicial N0 é a contagem de células total dentro do fotobiorreator de 2 toneladas que foi reabastecido com uma quantidade igual de novo caldo de cultura depois que 100 l de caldo de cultura de flutuação pressurizado de alta concentração foram extraídos. A contagem de células N após 5 horas se torna a contagem de células total quando tiver passado 24 horas após a adição de caldo de cultura, imediatamente antes da extração.

[0103] Na Linha B, a contagem de células inicial e a contagem de células total imediatamente antes da extração são conforme exposto a seguir e, consequentemente, o número total de gerações, n, se torna aproximadamente 4,40 gerações. Em que a contagem de células inicial N0 = 3,0 x 106 células/ml. A contagem de células imediatamente antes da coleta N = 6,35 x 107 células/ml. A contagem de geração total n = LogN - LogNO -0,301 = 4,40

[0104] Entretanto, a taxa de crescimento específica de células, k, foi constatada como tendo um valor de 0,301/g, em que g é o tempo de duplicação. O tempo de duplicação é o tempo de cultura total dividido pelo número de gerações. O valor g para a Linha B, que é 24 horas divididas pela contagem de geração de 4,4, se torna aproximadamente 5,45 horas. Consequentemente, a taxa de crescimento específica K para Linha B foi constatada como tendo um valor de aproximadamente 0,055, que é 0,301 dividido por 5,45 horas. Em que g = t/n = 24 horas / 4,4 gerações = 5,45 e em que k = 0,301/g = 0,301/5,45 = 0,055.

[0105] Para a Linha A, injetada com ar apenas, a contagem de células inicial após a diluição, foi medida em 2,8 x 106 células/ml, gerando uma contagem de geração total de aproximadamente 3,77 gerações, tempo de geração de aproximadamente 6,37 horas e um valor de 0,047 para a taxa de crescimento específica k.

[0106] Entretanto, o peso de célula seco diário médio para a Linha B encontrado mediante a secagem de 100 l das células coletadas foi calculado como sendo de 1.800 g. A divisão disso pela contagem de células total gerou um peso de célula seco de 0,015 μg^lula. A multiplicação disso pela contagem de células diária média de 6,35 x 107 células/ml x 2.000 l gerou uma massa de célula diária média por litro de 0,953 g/l para a Linha B. A massa de célula para a Linha A, que não foi suprida com dióxido de carbono, foi calculada como sendo de 0,574 g/l.

[0107] O presente experimento foi realizado em Gangneung durante o mês de setembro de 2014. A temperatura de ar mínima na área foi em torno de 20 °C, com uma temperatura diurna máxima que excede 30°C. Com a finalidade de manter a temperatura do caldo de cultura entre 25 °C e 30 °C, ar resfriado foi injetado quando a temperatura do caldo de cultura excedeu 29 °C para regular a temperatura máxima para não mais do que 30 °C. Durante o período experimental, o caldo de cultura registrou uma temperatura mínima de 20 °C, alcançando uma temperatura máxima de 31 °C. Conforme visto na Figura 32, as alterações de temperatura durante o período experimental não têm um grande impacto no crescimento celular. Isso é considerado como sendo devido ao fato de que a faixa de variação de temperatura foi pequena, em 25 °C ±5 °C.

[0108] Entre os fatores ambientais que impactam o crescimento de microalgas, a função da luz é mais importante. Os resultados do presente experimento também geram resultados que demonstram essa influência da luz. Em torno de setembro de 2014, quando o experimento foi realizado, o clima em Gangneung foi ensolarado quase metade do tempo, e nublado o restante. Em dias chuvosos ou nublados, a intensidade de iluminação foi, em geral, entre 5.000 e 30.000 Lux, enquanto que 300.000 Lux foram excedidos durante o dia em dias ensolarados. A luz excessivamente intensa pode interromper a fotossíntese devido à saturação de luz, e o calor radiante pode fazer com que a temperatura do caldo de cultura aumente, suprimindo o crescimento do organismo marinho de água fria Nannochloropsis sp. Portanto, um elemento de sombra foi instalado em dias claros com luz solar intensa, mantendo-se a intensidade de luz entre 20.000 a 30.000 Lux.

[0109] A observação do crescimento de microalgas a partir do 6o dia após a inoculação até o 30o dia, quando o experimento terminou, mostrou que existiu uma correlação muito próxima entre a intensidade de luz e o crescimento de algas, conforme visto na Figura 33. Além disso, pode ser conhecido que a taxa de crescimento teve uma inclinação mais íngreme quando dióxido de carbono a 0,1% foi injetado do que quando apenas oxigênio foi injetado.

[0110] Os radicais hidroxila (OH-) no presente experimento, que dissolvem toxinas dentro do caldo de cultura bruto, podem ser reutilizados. Espera-se que o fotobiorreator vertical vedado seja um sistema economicamente viável, tecnologicamente avançado e ecologicamente correto para a cultura e coleta de microalgas.

[0111] Entretanto, foi descoberto no presente experimento de taxa de crescimento que a luz e o dióxido de carbono agiram como elementos principais de crescimento, de acordo com o qual, a pesquisa adicional será conduzida na concentração ideal de dióxido de carbono para crescimento e o impacto de intensidade de luz e comprimentos de onda da luz diferentes no crescimento a fim de aperfeiçoar ainda mais a produtividade.

[0112] Uma modalidade preferencial da presente invenção foi descrita em detalhes no mencionado anteriormente, e o escopo substancial da presente invenção será definido pelas reivindicações anexas e equivalentes das mesmas.

[0113] As diversas características e vantagens da invenção são evidentes a partir do relatório descritivo detalhado e, dessa forma, pretende-se através das reivindicações anexas abranger todas tais características e vantagens da invenção que se incluem no espírito e escopo verdadeiro da invenção. Adicionalmente, uma vez que inúmeras modificações e variações ocorreram prontamente para aqueles versados na técnica, não se deseja limitar a invenção à construção e operação exata ilustradas e descritas e, consequentemente, todas as modificações e equivalentes adequados podem recorrer a ou serem abrangidos pelo escopo da invenção.

Claims

1. Aparelho para cultivar microalgas em um caldo de cultura CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um dispositivo para esterilização de caldo de cultura usando um gerador de microbolha de ar 200, incluindo um gerador de oxigênio 210, um gerador de ozônio 212, uma bomba 214 e um tanque de flutuação 216, em que o ozônio gerado pelo gerador de ozônio é borbulhado através do caldo de cultura colocado no tanque de flutuação por baixo, em que o gerador de microbolha de ar 200 esteriliza microalgas e micróbios concorrentes presentes em águas subterrâneas ou águas tratadas de estações de tratamento de esgoto usando radicais OH; um dispositivo de equalização de pressão e compressão de ar 302 para a injeção de dióxido de carbono e oxigênio da atmosfera no caldo de cultura; um dispositivo de resfriamento de ar 403 para manter a temperatura do caldo de cultura adequada; um dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático 412 para promover a fotossíntese; um fotobiorreator vertical vedado 500 configurado para conter um meio de cultura inoculado com uma microalga; um dispositivo de coleta 600 que compreende membranas de fibras ocas; e um dispositivo de secagem por ar quente 700.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo de equalização de pressão e compressão de ar 302 compreende um dispositivo 401 para comprimir dióxido de carbono e oxigênio na atmosfera para 1 x 106Pa (10 bar), um dispositivo para equalizar pressão de ar, e tubos e um dispositivo de prevenção de refluxo de gás para injetar os gases comprimidos no caldo de cultura.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático 412 supre dióxido de carbono liquefeito no caldo de cultura usando um sensor de pH.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático 412 supre automaticamente dióxido de carbono quando o pH do caldo de cultura é de 7,26 ou maior, e interrompe automaticamente dióxido de carbono quando o pH do caldo de cultura é menor do que 7,26 se a microalga é uma microalga de água doce, e supre automaticamente dióxido de carbono quando o pH do caldo de cultura é de 7,30 ou maior, e interrompe automaticamente dióxido de carbono quando o pH do caldo de cultura é menor do que 7,30 se a microalga é uma microalga de água marinha.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que os gases comprimidos são injetados no fundo do aparelho.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um dispositivo para o controle de pressão de gás.

7. Método para purificação de ar e água e fixação ou conversão de dióxido de carbono com biomassa CARACTERIZADO pelo fato de que compreende suprir ar e água a serem purificados a um aparelho para cultivar microalgas em um caldo de cultura, o aparelho compreendendo: um dispositivo 200 para esterilização de caldo de cultura usando um gerador de microbolha de ar, incluindo um gerador de oxigênio 210, um gerador de ozônio 212, uma bomba 214 e um tanque de flutuação 216, em que o ozônio gerado pelo gerador de ozônio é borbulhado através do caldo de cultura colocado no tanque de flutuação por baixo, em que o gerador de microbolha de ar esteriliza microalgas e micróbios concorrentes presentes em águas subterrâneas ou águas tratadas de estações de tratamento de esgoto usando radicais OH; um dispositivo de equalização de pressão e compressão de ar 302 para a injeção de dióxido de carbono e oxigênio da atmosfera no caldo de cultura; um dispositivo de resfriamento de ar 403 para manter a temperatura de caldo de cultura adequada; um dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático 412; um fotobiorreator vertical vedado 500 configurado para conter um meio de cultura inoculado com uma microalga; um dispositivo de coleta 600 que usa membranas de fibras ocas; e um dispositivo de secagem por ar quente 700.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo de equalização de pressão e compressão de ar 302 compreende um dispositivo 401 para comprimir dióxido de carbono e oxigênio na atmosfera para 1 x 106 Pa (10 bar), um dispositivo para equalizar pressão de ar, e tubos e um dispositivo de prevenção de refluxo de gás para injetar os gases comprimidos no caldo de cultura.

9. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático 412 supre dióxido de carbono liquefeito no caldo de cultura usando um sensor de pH.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático 412 supre automaticamente dióxido de carbono quando o pH do caldo de cultura é de 7,26 ou maior, e interrompe automaticamente dióxido de carbono quando o pH do caldo de cultura é menor do que 7,26 se a microalga é uma microalga de água doce, e supre automaticamente dióxido de carbono quando o pH do caldo de cultura é de 7,30 ou maior, e interrompe automaticamente dióxido de carbono quando o pH do caldo de cultura é menor do que 7,30 se a microalga é uma microalga de água marinha.

11. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que os gases comprimidos são injetados no fundo do aparelho.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um dispositivo para o controle de pressão de gás.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato de que a troca e o fluxo mútuos do caldo de cultura entre os fotobiorreatores verticais conectados idênticos 500 é induzida pela força de empuxo do dispositivo para o controle de pressão de gás.

14. Sistema para cultivar microalgas CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um dispositivo 200 para esterilização de caldo de cultura usando um gerador de microbolha de ar, incluindo um gerador de oxigênio 210, um gerador de ozônio 212, uma bomba 214 e um tanque de flutuação 216, em que o ozônio gerado pelo gerador de ozônio é borbulhado através do caldo de cultura colocado no tanque de flutuação por baixo, em que o gerador de microbolha de ar esteriliza microalgas e micróbios concorrentes presentes em águas subterrâneas ou águas tratadas de estações de tratamento de esgoto usando radicais OH; um dispositivo de equalização de pressão e compressão de ar 302 para a injeção de dióxido de carbono e oxigênio da atmosfera no caldo de cultura; um dispositivo de resfriamento de ar 403 para manter a temperatura do caldo de cultura adequada; um dispositivo de suprimento de dióxido de carbono automático 412 para promover a fotossíntese; um fotobiorreator vertical vedado 500 configurado para conter um meio de cultura inoculado com uma microalga; um dispositivo de coleta 600 que compreende membranas de fibras ocas; e um dispositivo de secagem por ar quente 700.