BRPI0505266B1 - um novo processo de agitação de culturas de microalgas em tanques usando bombeador por borbulhamento - Google Patents

Abstract

um novo processo de agitação de culturas de microalgas em tanques usando bombeador por borbulhamento.para agitação, homogeneização, troca de gases e iluminação de cultivos de microalgas em tanque de cultura, compreendido por um sistema de movimentação do cultivo de microalgas pelo processo de arraste por borbulhamento sendo este arraste produzido por unidades de bombeadores por borbulhamento colocadas simetricamente no interior do tanque de cultivo e arranjadas de tal modo que fluxo horizontal de meio de cultivo que se estabelece na saída de cada unidade de bombeador por borbulhamento, é orientado de encontro ao fluxo horizontal produzido pelas unidades de bombeadores por borbulhamento circunvizinhas de modo a gerar fluxos e contra fluxos solenoidais ao longo de todo o meio de cultivo. este sistema permite a máxima eficiência nas trocas gasosas com o meio de cultivo, permitindo também uma maior eficiência no processo de alternância de períodos de iluminação e sombra paras todas as porções de população de microalgas do cultivo.

Description

Relatório Descrito de Patente de Invenção para “UM NOVO PROCESSO DE AGITAÇÃO DE CULTURAS DE MICROALGAS EM TANQUES USANDO BOMBEAMENTO POR BORBULHAMENTO”.

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção é concernente a um processo de agitação de cultivo de microalgas em tanques, utilizando tubos de bombeamento vertical de fluidos por borbulhamento (bombeado por borbulhamento). Este sistema é composto, essencialmente, de uma rede de unidade de bombeadores por borbulhamento distribuídos uniformemente em toda a extensão de um tanque convencional de cultivo de microalgas. O mesmo tem a finalidade principal de incrementar a eficiência com que a luz e distribuída para as microalgas nos tanques de cultura, propiciando um aumento na produtividade em biomassa das mesmas. Este aumento de eficiência se deve à formação no meio de cultivo de fluxos solenoidais com componentes verticais de velocidade de escoamento em tomo de cada unidade de bombeador por borbulhamento. A dinâmica deste fluxo e sua distribuição espacial ao longo de toda a extensão do tanque de cultura apresentam como vantagens, o melhoramento das trocas gasosas, a diminuição do efeito de sombreamento, a geração de fotoperiodismo curto que propicia a diminuição do efeito de fotoinibição causada pela exposição das microalgas a altas intensidades de luz solar por longo período de tempo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A biomassa de microalgas vem sendo utilizada de diferentes formas: em dietas alimentares (para emagrecimento ou como suplemento alimentar); para a extração de produtos de alto valor comercial, para o enriquecimento de rações para animais. Em dietas alimentares, o seu uso baseia-se na sua alta concentração de proteínas, aminoácidos essenciais, beta-caroteno, vitaminas. Como constituintes de importância comercial, citamos: ficocianina, astraxantina, beta-caroteno e àcido-linolênico. A produção de biomassa de microalgas para fins comerciais é feita principalmente em tanques (denominados de sistema aberto), cuja produtividade areolar específica média é de aproximadamente 7 g m'2.dia1 e, com menor frequência em fotobioreatores (sistemas fechados), com maior produtividade areolar (tipo planar - 51g m' . dia ). Os sistemas abertos (tanques de cultura) apesar da menor produtividade são mais empregados, pois estes apresentam como vantagem um baixo capital de investimento e custo de produção.

Estratégias que promovessem um aumento na produtividade dos tanques de cultura, sem, contudo, aumento os custos de instalação e operação desse sistema, tomaria economicamente mais atrativa a utilização da biomassa de microalgas, ampliando as perspectivas de seu mercado. A questão principal em relação ao aumento da produtividade é o delineamento de uma estratégia que permita maximizar o aproveitamento da luz solar pelas microalgas para a conversão dessa energia em biomassa, minimizando os efeitos de fotoinibição e de sombreamento da cultura, os quais resultariam na diminuição da produção. Outros pontos importantes são: o alcance e manutenção de uma faixa ótima de temperatura e de concentração de CO2 no meio de cultivo, e a facilidade de liberação do O2 produzido no processo de fotossíntese (este em concentrações elevadas pode provocar a inibição do crescimento das microalgas).

Com a finalidade de aumentar a produtividade, vêm sendo testadas modificações nos sistemas de cultivo, como por exemplo: na geometria, esquema de circulação da biomassa e troca de gases, entre outras (em sistemas abertos e fechados). O sistema de agitação atualmente mais utilizado para a produção industrial de microalgas em sistema aberto é 0 de agitação por pás (ex.: em tanques do tipo pista de corrida -“raceway”). Estas pás promovem a circulação do meio de cultivo nesses tanques, e têm como característica básica a formação de turbilhões ao longo do meio de cultivo. Este mecanismo consegue reduzir 0 efeito de sobreamento sobre as microalgas que estão situadas em região profundas do meio de cultivo, removendo-as para regiões mais próximas da superfície do tanque; porém, para concentrações celulares maiores do que 0,5 g/1 a eficiência deste sistema diminui muito com a concentração, além de não reduzir o efeito de fotoinibição que ocorre nas regiões próximas à superfície, dado os longos períodos de tempo envolvidos nestes movimentos turbilhonares.

Para solucionar este problema, apresentamos um sistema de agitação feito de bombeadores por borbulhamento, que funciona segundo o princípio da agitação do meio por turbilhonamento, mas com a produção de tempos de movimentação vertical muito menor que os produzidos pelos sistemas de pás, alcançados uma maior eficiência no que diz respeito à diminuição do sombreamento e a redução dos tempos de exposição à luz solar direta das células próximas à superfície (a fim de diminuir a fotoinibição).

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A figura 1 mostra, um exemplo de tanque retangular (vista de topo) de pequeno porte provido de 32 unidades de bombeador por borbulhamento, e uma das possíveis simetrias de distribuição destas unidades. A figura 2 mostra em corte longitudinal exemplos de unidades funcionais de bombeador por borbulhamento. A figura 3 mostra detalhamento de exemplo de um possível sistema de conexões entre bombeadores por borbulhamento de uma mesma fileira, através de um tubo secundário de distribuição de gás.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO É objetivo da presente invenção um processo de agitação de culturas de microalgas em tanques usando bombeador por borbulhamento caracterizado por: a) apresentar unidades de bombeadores por borbulhamento (4) uniformemente posicionadas (2,3) ao longo de toda a área do tanque de cultivo; b) ser constituído em cada unidade de bombeador por borbulhamento, de um tubo de bombeamento (5), que compreende um tubo vertical com abertura na sua extremidade inferior (7) a qual está posicionada a uma pequena distancia do fundo do tanque de cultivo ou com uma ou mais aberturas laterais, junto à extremidade inferior (8), disposto radialmente em relação ao eixo do tudo, de modo a proporcionar em ambos os casos baixa impedância ao escoamento do meio de cultura entrado no tubo de bombeamento, havendo na extremidade superior desde tubo um bocal de orientação de fluxo (9), orientando o fluxo de meio de cultivo que sai do tubo de bombeamento sob a forma de fluxo horizontais superficiais; c) suas unidades de bombeador por borbulhamento serem agrupadas geometricamente de maneira uniforme ao longo de toda a área do tanque de cultivo, sejam elas fixadas a conjuntos de suporte formados por barras e traves (12) ou invidualmente fixadas ao fundo do tanque de cultivo (11) de forma que, independentemente de aspectos construtivos das unidades de bombeador por borbulhamento e de seu sistema de fixação apresentados, quando o fluxo horizontal superficial produzido por uma dada unidade de bombeador por borbulhamento vai de encontro ao fluxo produzido pelas unidades circunvizinhas, serem produzidos os padrões solenoidais com movimentos cíclicos de fluxo de meio de cultivo entre o fundo e a superfície do tanque de cultivo a curtos intervalos de tempo. O processo aqui pleiteado tem por objetivo utilizar um gás para gerar a movimentação do meio de cultivo que chega às unidades de bombeador por borbulhamento através de tubo de admissão de gás (15) que por sua vez estão ligados ao tubo principal de distribuição de gás (19) através de tubulações secundarias (16, 17), esta alimentação do gás podendo ser feita com ar puro filtrado ou ar enriquecido de C02, permitindo o enriquecimento do meio de cultivo com a fonte de carbono requerida pela cultura.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA

INVENÇÃO

No cultivo de microalgas, o bombeador por borbulhamento vem sendo utilizado normalmente com a finalidade de bombear o meio através do sistema de cultivo e também proporciona a injeção de C02 no mesmo. No processo . aqui apresentado, os bombeadores por borbulhamento têm a finalidade de promover em toda extensão do meio de cultivo do tanque de cultura, fluxos turbilhonares localizados e com geometria solenoidal. Este efeito é obtido pela distribuição uniforme do bombeador por borbulhamento em toda a área do > tanque, com distância adequada entre os mesmos, estando eles totalmente encobertos pelo meio de cultivo. Os movimentos gerados por estes sistemas são mais intensos, mais rápidos e menos caóticos que o de outros sistemas de agitação utilizados em tanque. Desta forma, consegue-se melhorar a distribuição de luz 5 para as microalgas em suspensão no meio de cultivo, além de promover um grande aumento da superfície de contato liquida-gás, resultando em uma rápida troca gasosa entre o meio de cultivo e o gás que esta sendo injetado nos bombeadores por borbulhamento. 3 A operação do bombeador por borbulhamento é baseada no efeito de bombeamento obtido pela passagem de gás (ex.: ar) injetado através do interior de um tubo vertical preenchido como o líquido a ser bombeado. Como sistema de bombeamento, apesar de apresentar baixa eficiência com relação 5 a outros sistemas de bombeamento (ex.: bombas eletromecânicas); tem uma construção simples e ausência de movimento de partes mecânicas, tem baixo custo e elevada resistência a detritos e partículas em suspensão no meio bombeado, o que o toma recomendado para determinadas aplicações - tratamento de esgoto, biorreatores, bombeamento de líquidos viscosos.

Os desenhos anexos mostram a disposição dos diversos componentes do sistema de agitação para cultivo de microalgas em tanque utilizando bombeamento por borbulhamento, objeto da presente patente.

Onde figura 1 mostra, um exemplo de tanque retangular de pequeno porte provido de 32 unidades de bombeador por borbulhamento, e uma das possíveis simetrias de distribuição destas unidades. A figura 2 mostra em corte longitudinal exemplos de unidades funcionais de bombeador por borbulhamento. E a figura 3 mostra detalhamento de exemplo de um possível sistema de conexões entre bombeadores por borbulhamento de uma mesma fileira, através de um tubo secundário de distribuição de gás.

De acordo com as ilustrações apresentadas nas figuras citadas acima, o processo de agitação utilizando bombeador por borbulhamento, objeto do presente pedido, consiste de: Unidade de bombeadores por borbulhamento distribuídas uniformemente ao longo de todo um tanque de cultivo, sendo que, para um tanque com perfil retangular (1) longo como exemplificado, as distâncias máximas aconselháveis entre os bombeadores por borbulhamento devem ser de 90cm no sentido da dimensão do tanque (2), e de 20 cm no sentido transversal a esta (3). Cada unidade de bombeador por borbulhamento fica posicionada verticalmente com relação ao fundo do tanque de cultivo (4) e consiste de um tubo cilíndrico (tubo de bombeamento) (5), mecanicamente rígido, resistente à corrosão e preferencialmente construído de material transparente (ex.: resina acrílica, PVC). Este tubo é provido de orifício lateral (6) situado um pouco acima da extremidade inferior do tubo de bombeamento. A extremidade inferior está aberta (7), para livre passagem do meio de cultivo e posicionada de modo a formar com o fundo do tanque de cultivo uma região de baixa impedância ao escoamento do meio de cultivo para o interior do tubo de bombeamento.

De modo a dirigir o fluxo de meio de cultivo e propiciar uma movimentação uniforme e conveniente em todo o volume do meio, as extremidades superiores dos tubos de bombeamento são providas de bocais de orientação de fluxo (9), de forma a orientar lateralmente o fluxo de meio de cultivo nas direções adequadas que permitam estabelecer os padrões de fluxo de meio de cultivo com velocidade de movimentação vertical mais alta. 0 formato dos bocais de orientação dependerá da disposição geométrica particular de um dado arranjo de bombeadores por borbulhamento (exemplo: bocais em T, em cruz, etc). A fixação do bocal de orientação ao tubo de borbulhamento poderá ser feita de diversas formas que asseguram a rigidez necessária (exemplo: encaixe, rosqueamento, colagem, etc).

Cada unidade de bombeador por borbulhamento é presa por uma barra vertical (barra vertical suporte) (10). Esta barra vertical de suporte e firmemente fixada a cada unidade de bombeador por borbulhamento de tal forma que o eixo vertical do tubo de bombeamento se encontre colinear ou paralelo ao eixo desta barra. Para cada conjunto de unidade de bombeador por borbulhamento que estarão dispostas ao longo da direção da menor dimensão do tanque existe uma barra horizontal (trave horizontal de suporte) (12) à qual estão presas as barras verticais de suporte de forma mecanicamente estável. A fixação de cada bombeador por borbulhamento à sua barra vertical de suporte e/ou a fixação do conjunto de barras verticais de suporte a uma determinada trave horizontal de suporte deve prover meios para regulagem da posição vertical de cada bombeador por borbulhamento em relação ao fundo do tanque (ex.: a barra vertical de suporte pode ser roscada em toda a sua extensão superior e atravessar orifícios convenientemente espaçados na trave horizontal de suporte de forma a se poder ajustar a altura das respectivas unidades de bombeador por borbulhamento por meio de porcas (13)). As extremidades da trave horizontal de suporte deverão estar fixadas de forma mecanicamente estável, porém removível, a pontos de apoio laterais ao tanque (14) (ex.: estacas removíveis ou blocos de apoio repousando nas bordas laterais do tanque, cavaletes de apoio reguláveis posicionados nas laterais do tanque), devendo ser providos meios de regulagem tanto da posição horizontal quanto da posição vertical da trave horizontal de suporte de cada conjunto em relação ao tanque. Desta forma se propicia meios de, eficazmente, estabelecer uma dada geometria de disposição vertical e horizontal de cada fileira de unidade de bombeadores por borbulhamento. Diversas traves horizontais de suporte são desta forma colocadas em paralelo umas às outras, em intervalos pré-determinados pelo operador, ao longo da dimensão maior do tanque de cultivo. Altemativamente, a fixação e o posicionamento das unidades de bombeadores por borbulhamneto no interior do tanque podem ser feitas provendo cada uma delas de uma base plana (11) e de pequena altura que as fixe ao fundo do tanque. Neste caso, logo acima da base devera haver aberturas laterais (8) radialmente dispostas para entrada do fluxo de meio a ser bombeado e, logo acima destas, o orifício de entrada de tudo de admissão de gás, conforme já descrito. A interconexão dos diversos tubos de admissão de gás pode ser feita, conforme a descrição anterior, em tubos secundários de distribuição de gás dispostos ao longo do tanque de cultivo. No caso aqui proposto, cada unidade de bombeador por borbulhamento é independente das demais, devendo ser orientada e posicionada individualmente para compor o arranjo requerido. A admissão de gás em cada unidade de bombeador por borbulhamento é feita através de mangueira flexível (tubo de admissão de gás) (15) com diâmetro interno podendo variar de 0,5 a 1 cm. Esta mangueira é introduzida de forma mecanicamente estável no orifício lateral do tubo de bombeamento de forma que a abertura no externo da mangueira esteja posicionada sobre o eixo deste tubo. Esta mangueira sobe ate a através horizontal de suporte onde se liga ao um tubo flexível (tubo secundário de distribuição de gás) (16) através de uma das conexões em T (17) existentes naquele tubo, as quais estão fixadas na trave horizontal de suporte. O tubo secundário de distribuição de gás constitui um trajeto único para o gás ao longo da fileira de unidades de bombeador por borbulhamento posicionadas em cada trave horizontal de suporte sendo este fechamento em uma de suas extremidades (18) de modo a evitar a perda de gás. A entrada de gás no tubo secundário de distribuição de gás, para cada fileira de unidade de bombeadores por borbulhamento, é conectada a um tubo de maior diâmetro (tubo principal de distribuição de gás) (19), de modo a distribuir o gás uniformemente ao longo de cada fieira de bombeadores por borbulhamento. O gás em uso é insuflado no sistema através de compressores e/ou cilindros de gás providos de regulador de pressão.

Em cada unidade de bombeador por borbulhamento, o gás flui de baixo para cima no interior do tubo de bombeamento arrastando o meio de cultivo em direção ao bocal de orientação de fluxo. A alimentação de gás pode ser feita com ar puro filtrado ou ar enriquecido de C02, permitindo o enriquecimento do meio de cultivo com a fonte de carbono requerida pela cultura e a promoção da agitação na forma descrita. O uso de gás com baixa pressão parcial de 02 resultante do processo fotossintética do meio de cultivo. O funcionamento da unidade de bombeador por borbulhamento estabelece no interior do mesmo um fluxo vertical de meio de culto, de baixo para cima, em consequência do arraste do liquido pelas bolhas de gás que se formam na extremidade do tubo de admissão de gás e sobem ao longo do tubo de bombeamento. Ao chegar ao bocal de orientação de fluxo, o fluxo de meio de cultivo e microalgas, em alta velocidade, é desviado horizontalmente e estabelece um fluxo horizontal superficial direcionando ao longo de uma ou mais direção, conforme o formato particular do bocal de orientação de fluxo sendo utilizado. O fluxo horizontal de meio de cultivo que se estabelece na saída de cada unidade de bombeador por borbulhamento, conforme anteriormente descrito, é orientado de encontro ao fluxo horizontal produzido pelas unidades de bombeadores por borbulhamento circunvizinhas dispostas conforme o formato particular do bocal sendo empregado. Este encontro resulta em rápidos fluxos verticais descendentes de meio de cultivo a meia distância entre os pares de bombeadores por borbulhamento. No encontro do fluxo descendente do tanque com o fundo do tanque, são produzidos novos fluxos horizontais profundos e divergentes do meio de cultivo, que por sua vez se combinam novamente para as unidades de bombeadores por borbulhamento, tendo como consequência a formação de padrões solenoidais de escoamento com a máxima componente vertical de velocidade de escoamento possível. Estabelecem-se também importantes turbilhões de escoamento entre o fundo e a superfície do tanque de cultivo, dispostos em planos verticais, turbilhoem estes que reforçam a recirculação de meio de cultivo entre o fundo e a superfície do tanque de cultivo. O processo ora proposto prove o cultivo de microalgas em tanque aberto com movimentação conjunta do meio de cultivo e das microalgas por borbulhamento de arraste, através do emprego de diversas unidades de bombeadores por borbulhamento (4) uniformemente posicionadas (2,3) ao longo de toda a área do tanque de cultivo. Assim, estabelecendo fluxos solenoidais com componentes de velocidade de escoamento verticais distribuídas uniformemente ao longo do meio de cultura, promovendo a recirculação de microalgas entre o fundo e a superfície em todo o tanque de cultivo, empregando padrões de fluxo de meio de cultivo com alternância das microalgas entre o fundo e a superfície do meio de cultivo, de forma distribuída em todo o tanque de cultivo.

Sendo constituído em cada unidade de bombeador por borbulhamento, de um tubo de bombeamento (5), que compreende um tubo vertical com abertura na sua extremidade inferior (7) a qual está posicionada a uma pequena distancia do fundo do tanque de cultivo ou com uma ou mais aberturas laterais, junto à extremidade inferior (8), disposto radialmente em relação ao eixo do tudo, de modo a proporcionar em ambos os casos baixa impedância ao escoamento do meio de cultura entrado no tubo de bombeamento, havendo na extremidade superior desde tubo um bocal de orientação de fluxo (9), podendo se de vários formatos (“T, cruz, cone, ou outro tipo), dependendo da geometria de distribuição dos bombeadores por borbulhamento pelo tanque, com a finalidade de orientar o fluxo de meio de cultivo que sai do tubo de bombeamento sob a forma de fluxo horizontais superficiais. Dispondo assim de diversas unidades de bombear por borbulhamento agrupadas geometricamente de maneira uniforme ao longo de toda a área do tanque de cultivo, sejam elas fixadas a conjuntos de suportes formados por barras e traves (12) ou individualmente fixadas ao fundo do tanque de cultivo (11) de forma que, independentemente de aspectos construtivos das unidades de bombeador por borbulhamento e de seu sistema de fixação apresentados, quando o fluxo horizontal superficial produzido por uma dada unidade de bombeador por borbulhamento vai de encontro ao fluxo produzido pelas unidades circunvizinhas, são produzidos os padrões solenoidais com movimentos cíclicos de fluxo de meio de cultivo entre o fundo e a superfície do tanque de cultivo a curtos intervalos de tempo, sendo seu tempo de ciclo tipicamente menor que 15 segundos.

Estes bombeadores utilizam um gás para gerar a movimentação do meio de cultivo que chega às unidades de bombeador por borbulhamento através de tubo de admissão de gás (15) que por sua vez estão ligados ao tubo principal de distribuição de gás (19) através de tubulações secundarias (16, 17), sendo a alimentação do gás podendo ser feita com ar puro filtrado ou ar enriquecido de C02, permitindo o enriquecimento do meio de cultivo com a fonte de carbono requerida pela cultura.

Claims (3)

1.- UM NOVO PROCESSO DE AGITAÇÃO DE CULTURAS DE MICROALGAS EM TANQUES USANDO BOMBEADOR POR BORBULHAMENTO caracterizado por: a) apresentar unidades de bombeadores por borbulhamento (4) uniformemente posicionadas (2,3) ao longo de toda a área do tanque de cultivo; b) ser constituído em cada unidade de bombeador por borbulhamento, de um tubo de bombeamento (5), que compreende um tubo vertical com abertura na sua extremidade inferior (7) a qual está posicionada a uma pequena distancia do fundo do tanque de cultivo ou com uma ou mais aberturas laterais, junto à extremidade inferior (8), disposto radialmente em relação ao eixo do tudo, de modo a proporcionar em ambos os casos baixa impedância ao escoamento do meio de cultura entrado no tubo de bombeamento, havendo na extremidade superior desde tubo um bocal de orientação de fluxo (9), orientando o fluxo de meio de cultivo que sai do tubo de bombeamento sob a forma de fluxo horizontais superficiais; c) suas unidades de bombear por borbulhamento serem agrupadas geometricamente de maneira uniforme ao longo de toda a área do tanque de cultivo, sejam elas fixadas ao fundo do tanque de cultivo (11) de forma que, independentemente de aspectos construtivos das unidades de bombeador por borbulhamento e de seu sistema de fixação apresentados, quando o fluxo horizontal superficial produzido por uma dada unidade de bombeador por borbulhamento vai de encontro ao fluxo produzido pelas unidades circunvizinhas, serem produzidos os padrões solenoidais com movimentos cíclicos de fluxo de meio de cultivo entre o fundo e a superfície do tanque de cultivo a curtos intervalos de tempo.

2. - UM NOVO PROCESSO DE AGITAÇÃO DE CULTURAS DE MICROALGAS EM TANQUES USANDO BOMBEADOR POR BORBULHAMENTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar um gás para gerar a movimentação do meio de cultivo que chega às unidades de bombeador por borbulhamento através de tubo de admissão de gás (15) que por sua vez estão ligados ao tubo principal de distribuição de gás (19) através de tubulações secundarias (16, 17).

3. - UM NOVO PROCESSO DE AGITAÇÃO DE CULTURAS DE MICROALGAS EM TANQUES USANDO BOMBEADOR POR BORBULHAMENTO, caracterizado pela alimentação do gás poder ser feita com ar puro filtrado ou ar enriquecido de C02, permitindo o enriquecimento do meio de cultivo com a fonte de carbono requerida pela cultura.