ES1099707U

ES1099707U - Photobiorreactor of floating support. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Info

Publication number: ES1099707U
Application number: ES201331479U
Authority: ES
Inventors: Jesús FERNÁNDEZ GONZÁLEZ (100%)
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-02-10
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: ES1099707Y; WO2015092093A1

Abstract

Photobioreactor of floating support comprising a plurality of surfaces (1) and separation means (3) in contact with an aqueous medium (5), configured to rotate integrally with an axis (2) connected to propulsion means (6), Characterized in that said plurality of surfaces (1), axis (2) and/or separation means (3) are configured for full or partial flotation in said aqueous medium (5). (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

FOTOBIORREACTOR DE SOPORTE FLOTANTE FOTOBIOR REACTOR FLOATING SUPPORT

FIELD OF THE INVENTION

La presente invención se encuadra en el campo de los bioreactores y se refiere a un fotobioreactor con elementos que flotan sobre un lecho acuoso, que permite prescindir de ejes pesados y cojinetes de apoyo, sin limitación de longitud para el eje. The present invention falls within the field of bioreactors and refers to a photobioreactor with elements that float on an aqueous bed, which makes it possible to dispense with heavy shafts and support bearings, without limitation of shaft length.

STATE OF THE TECHNIQUE

En los últimos años el cultivo de microalgas a gran escala ha despertado un gran interés por las posibilidades que presenta tanto para la depuración de aguas residuales como para la producción de biomasa algal pluriespecífica. De los sistemas propuestos, son los sistemas de biofilm abiertos, en los que las microalgas se adhieren a un soporte bañado por un medio acuoso y expuesto directamente a la luz, los más novedosos, y los que presentan perspectivas más prometedoras. Las microalgas, junto con otros microorganismos, crecen fundamentalmente sobre un soporte proporcionado a tal efecto y forman una película denominada biofilm, en la que, si el medio es rico en nutrientes minerales y pobre en materia orgánica, predominan las microalgas. El soporte del biofilm en los sistemas estudiados hasta el momento puede ser fijo, siendo el medio acuoso el que se mueve sobre él, o puede ser móvil en un medio acuático estático o de lento movimiento. Entre los sistemas con el soporte del biofilm fijo ha habido desarrollos con los paneles verticales expuestos al aire y sobre los que se hace caer una cortina continua del medio de cultivo, como es el caso de la patente “Fotobiorreactor laminar para producción de microalgas” (ES 2 347 515 B2), en el que se utilizan paneles verticales huecos, cubiertos por ambas caras por paños de tejidos. En el campo de la depuración de aguas residuales, los denominados “biodiscos”, o “contactores biológicos rotativos”, comprenden un conjunto de superficies planas, normalmente con forma de disco, que giran semi-sumergidas en el agua residual, pasando las superficies de los discos por situaciones alternativas de contacto con el aire y el agua residual, lo que hace que se desarrollen microorganismos sobre dichas superficies formando una película que se conoce con el nombre de “biofilm”. Este tipo de sistemas están diseñados para la eliminación de la materia orgánica por medio de microorganismos heterótrofos (bacterias y hongos principalmente) y para la desnitrificación que se realiza por bacterias específicas a partir de nitratos y materia orgánica. Para estas condiciones no se requiere la luz y por consiguiente los discos están bastante juntos y lo normal es que el sistema tenga una cubierta opaca. El crecimiento en espesor del biofilm sobre la superficie de los discos hace que ni los nutrientes ni el oxígeno lleguen a las capas internas, lo que hace que, con el tiempo, mueran los microorganismos de estas capas y provoquen el desprendimiento de todo el biofilm que sedimenta en el fondo y comienza de nuevo a producirse otro biofilm sobre la superficie despejada. El peso del biofilm en los discos debe ser soportado por los cojinetes de apoyo del eje de giro, debiendo ser éste construido en material resistente a la flexión y de una longitud limitada que no suele superar los 8 metros. Entre estos sistemas con el soporte del biofilm móvil cabe citar el sistema propuesto por M.B.Johnson, “Microalgal biodiesel production through a novel attached cultured system and conversión parameters” , objeto de una tesis doctoral leída en abril de 2009 en Virginia (USA) y en la que se desarrolla un panel de laboratorio de iluminación cenital que bascula alrededor de un eje central con lo que cada lado del panel es sometido alternativamente a inundación por el medio de cultivo y retirada de éste. Otro sistema de soporte de biofilm móvil ha sido publicado en la Memoria de la Tesis de grado de L. Christenson dirigida por R. C. Sims con el título “Algal biofilm production and harvesting system for wastewater treatment with biofuels by-products” presentada el 05.01.2011 en la Universidad del Estado de Utah (USA), que consiste en un fotobiorreactor que utiliza una cuerda continua de algodón de 6,4 mm de diámetro que se mueve sumergida en un medio de cultivo y se enrolla y desenrolla en dos cilindros que rotan en el mismo sentido. Las algas se adhieren a la cuerda formando un biofilm y la cosecha se realiza por el escurrido mecánico de la cuerda. Otros documentos representativos de los esfuerzos dirigidos a mejorar los sistemas actuales son In recent years, the cultivation of large-scale microalgae has aroused great interest in the possibilities it presents both for the purification of wastewater and for the production of multi-specific algal biomass. Of the proposed systems, they are the open biofilm systems, in which the microalgae adhere to a support bathed by an aqueous medium and exposed directly to the light, the most novel, and those that present the most promising perspectives. Microalgae, together with other microorganisms, mainly grow on a support provided for this purpose and form a film called biofilm, in which, if the medium is rich in mineral nutrients and poor in organic matter, microalgae predominate. The biofilm support in the systems studied so far can be fixed, the aqueous medium being the one that moves on it, or it can be mobile in a static or slow-moving aquatic environment. Among the systems with the fixed biofilm support there have been developments with vertical panels exposed to the air and on which a continuous curtain of the culture medium is dropped, as is the case of the patent "Laminar photobioreactor for microalgae production" ( EN 2 347 515 B2), in which hollow vertical panels are used, covered on both sides by cloths. In the field of wastewater purification, the so-called "biodisks", or "rotating biological contactors", comprise a set of flat surfaces, usually disk-shaped, that rotate semi-submerged in the wastewater, passing the surfaces of the discs for alternative situations of contact with air and wastewater, which causes microorganisms to develop on said surfaces forming a film that is known as "biofilm". These types of systems are designed for the elimination of organic matter by means of heterotrophic microorganisms (mainly bacteria and fungi) and for the denitrification that is carried out by specific bacteria from nitrates and organic matter. For these conditions the light is not required and therefore the discs are quite close together and it is normal for the system to have an opaque cover. The growth in thickness of the biofilm on the surface of the discs causes that neither the nutrients nor the oxygen reach the inner layers, which causes, over time, the microorganisms of these layers die and cause the detachment of all the biofilm that settles at the bottom and begins again to produce another biofilm on the cleared surface. The weight of the biofilm on the discs must be supported by the support bearings of the pivot shaft, which must be constructed of material resistant to bending and of a limited length that does not usually exceed 8 meters. Among these systems with the support of the mobile biofilm, the system proposed by MBJohnson, “Microalgal biodiesel production through a novel attached cultured system and conversion parameters”, object of a doctoral thesis read in April 2009 in Virginia (USA) and in which develops a zenith lighting laboratory panel that swings around a central axis so that each side of the panel is alternately subjected to flooding by the culture medium and its removal. Another mobile biofilm support system has been published in the L. Christenson Grade Thesis Report directed by RC Sims with the title “Algal biofilm production and harvesting system for wastewater treatment with biofuels by-products” presented on 05.01.2011 at the Utah State University (USA), which consists of a photobioreactor that uses a 6.4 mm diameter continuous cotton cord that moves submerged in a culture medium and is wound and unwound in two cylinders that rotate in the same sense. The algae adhere to the rope forming a biofilm and the harvest is done by mechanical draining of the rope. Other documents representative of efforts to improve current systems are

--: ES 2161620 A1 “Sistema dual de nitrificación-desnitrificación mediante biodiscos” de fecha de prioridad 27.08.1999. EN 2161620 A1 “Dual nitrification-denitrification system using biodisks” of priority date 27.08.1999.

--: CN 201006845 Y “Rotating biologicaldisc” de fecha de prioridad 19.01.2007. CN 201006845 AND “Rotating biologicaldisc” of priority date 19.01.2007.

--: ES 2328777 A1 “Planta depuradora de biodiscos” de fecha de prioridad 29.02.2008. EN 2328777 A1 “Biodisc treatment plant” of priority date 29.02.2008.

--: ES 2 346 388 A1 “Dispositivo de biodiscos para un reactor de depuración de aguas residuales” de fecha de prioridad 13.10.2008. EN 2 346 388 A1 “Biodisks device for a wastewater treatment reactor” dated priority 13.10.2008.

--: AR 041868 A1 “Reactor de biodiscos de propulsión hidráulica” de fecha de prioridad 30.10.2003 Los sistemas conocidos hasta la fecha, incluyendo los anteriormente descritos, todavía afrontan problemas de rendimiento, facilidad de cosecha, coste de las instalaciones o sencillez en el manejo y mantenimiento. Por tanto, todavía se necesita un sistema mejorado para el cultivo de microalgas que supere los problemas arriba descritos. AR 041868 A1 “Hydraulic propulsion biodisks reactor” of priority date 30.10.2003 The systems known to date, including those described above, still face problems of performance, ease of harvest, cost of facilities or simplicity in handling and maintenance. Therefore, an improved system for microalgae culture that overcomes the problems described above is still needed.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invención resuelve éstos problemas descritos anteriormente gracias a una especial configuración de su eje, biodiscos y medios de separación. De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención se refiere a un fotobiorreactor para depuración de aguas y producción de biomasa que comprende una pluralidad de superficies (1) y medios de separación (3) en contacto con un medio acuoso (5), configurados para rotar solidariamente con un eje (2) conectado a medios de propulsión (6), caracterizado porque dicha pluralidad de superficies (1), eje (2) y/o medios de separación (3) están configurados para la flotación total o parcial en dicho medio acuoso (5). Esta especial configuración presenta numerosas ventajas frente a los sistemas descritos anteriormente. La pluralidad de superficies (1), el eje (2) y/o los medios de separación (3) son flotantes en el medio acuoso (5), por lo que no tiene problemas de limitación de su longitud por efecto de la flexión del eje, que es uno de los problemas que tienen los sistemas de biodisco descritos hasta la fecha. A medida que va aumentando la capa de biofilm sobre la superficie de los discos, estos pesarán más y por lo tanto el conjunto de discos-eje-separadores descenderá de nivel hasta que su incremento de peso se equilibre con el empuje del volumen de agua desplazada, lo que no supone ningún problema de flexión para el eje. Es más, al formar un sistema flotante, es innecesaria la utilización de cojinetes para el soporte del eje de arrastre de los discos, lo que supone un considerable ahorro en la instalación y en el mantenimiento. The present invention solves these problems described above thanks to a special configuration of its axis, biodisks and separation means. In accordance with a first aspect, the present invention relates to a photobioreactor for water purification and biomass production comprising a plurality of surfaces (1) and separation means (3) in contact with an aqueous medium (5), configured to rotate in solidarity with an axis (2) connected to propulsion means (6), characterized in that said plurality of surfaces (1), axis (2) and / or separation means (3) are configured for total or partial flotation in said aqueous medium (5). This special configuration has numerous advantages over the systems described above. The plurality of surfaces (1), the shaft (2) and / or the separation means (3) are floating in the aqueous medium (5), so that it has no problems of limitation of its length due to the flexion of the axis, which is one of the problems that the biodisc systems described to date have. As the biofilm layer on the surface of the disks increases, they will weigh more and therefore the set of axle-separator disks will level down until their weight gain is balanced with the thrust of the volume of water displaced , which is not a problem of flexion for the axis. Moreover, when forming a floating system, the use of bearings for the support of the drive shaft of the disks is unnecessary, which represents a considerable saving in installation and maintenance.

Biofilm formation surfaces

Las superficies (1) que forman el cuerpo del fotobiorreactor están preferiblemente fabricadas en material plástico rígido. Los microorganismos que forman el biofilm pueden ser autótrofos (algas) heterótrofos (hongos y bacterias) o una mezcla de ambos grupos. Esta pluralidad de superficies (1) pueden ser discos, y su material de fabricación y configuración admite numerosas variantes que el experto en la materia puede ajustar en función de las necesidades de cada planta y las particularidades de la aplicación. Es preferible que se construya a partir de un material poliolefínico, como por ejemplo el polipropileno celular, con el borde perimetral cerrado. De acuerdo con una realización preferida, cada superficie (1) comprende en al menos una de sus caras un recubrimiento que facilita el crecimiento de microorganismos. Dicho recubrimiento puede comprender, por ejemplo, geotextil de fibras de polipropileno. El “geotextil” es una tela permeable y flexible de fibras sintéticas, generalmente polipropileno y poliéster, las cuales se pueden fabricar de forma no tejida (non woven) o tejida (woven). Existen de diversos grosores y niveles de impermeabilización. De acuerdo con otra realización, las superficies (1) comprenden un plano central de polipropileno celular y en el que dicho recubrimiento comprende polietileno espumado. El polietileno espumado aumenta la flotabilidad y aumenta la retención de medio acuoso, favoreciendo en desarrollo microbiano, por lo que este tipo de recubrimiento está más indicado para condiciones de heterotrofia utilizada para eliminación de materia orgánica por bacterias y hongos principalmente. Más aún, el polipropileno celular tiene la propiedad de aumentar la flotabilidad del sistema ya que tiene canales de aire en su interior que le proporciona una densidad aparente menor de la unidad, lo cual supone una ventaja frente a otros materiales utilizados como PVC que aumentan considerablemente el peso del conjunto. The surfaces (1) that form the body of the photobioreactor are preferably made of rigid plastic material. The microorganisms that form the biofilm can be heterotrophic autotrophs (algae) (fungi and bacteria) or a mixture of both groups. This plurality of surfaces (1) can be discs, and its manufacturing and configuration material admits numerous variants that the person skilled in the art can adjust according to the needs of each plant and the particularities of the application. It is preferable that it be constructed from a polyolefin material, such as cellular polypropylene, with the perimeter edge closed. According to a preferred embodiment, each surface (1) comprises on at least one of its faces a coating that facilitates the growth of microorganisms. Said coating may comprise, for example, geotextile of polypropylene fibers. "Geotextile" is a permeable and flexible fabric of synthetic fibers, usually polypropylene and polyester, which can be manufactured in a non-woven or non-woven way. There are various thicknesses and levels of waterproofing. According to another embodiment, the surfaces (1) comprise a central plane of cellular polypropylene and wherein said coating comprises foamed polyethylene. Foamed polyethylene increases buoyancy and increases the retention of aqueous medium, favoring microbial development, so this type of coating is more suitable for heterotrophy conditions used to eliminate organic matter mainly by bacteria and fungi. Moreover, cellular polypropylene has the property of increasing the buoyancy of the system since it has air channels inside that provides a lower bulk density of the unit, which is an advantage over other materials used as PVC that increase considerably The weight of the set.

Separation means

Los medios de separación (3) son preferiblemente de una densidad inferior a la del lecho acuático para facilitar la flotación de la pluralidad de superficies (1) y del eje (2). Es posible ajustar los materiales de los que están fabricados los medios de separación The separation means (3) are preferably of a density lower than that of the water bed to facilitate flotation of the plurality of surfaces (1) and the axis (2). It is possible to adjust the materials from which the separation means are manufactured

(3) en función de las necesidades concretas de cada caso. En una realización de la invención, los medios de separación (3) están realizados en poliestireno expandido (EPS). Por tanto, a fin de ajustar la flotabilidad del sistema para obtener los rendimientos óptimos, los medios de separación (3) y/o dichas pluralidad de superficies (1) son de una densidad inferior a la del medio acuático (5). El experto en la materia puede ajustar la flotabilidad del conjunto, variando los materiales y configuración. (3) depending on the specific needs of each case. In one embodiment of the invention, the separation means (3) are made of expanded polystyrene (EPS). Therefore, in order to adjust the buoyancy of the system to obtain the optimum yields, the separation means (3) and / or said plurality of surfaces (1) are of a density lower than that of the aquatic environment (5). The person skilled in the art can adjust the buoyancy of the set, varying the materials and configuration.

Eje Axis

De acuerdo con una realización preferida, dicho eje (2) es paralelo a la superficie del medio acuoso y la pluralidad de superficies (1) y medios de separación (3) se configuran para rotar flotando en posición perpendicular a la superficie (4) de dicho medio acuoso (5). Cada una de las superficies (1) que forman parte del fotobiorreactor de la invención tiene una parte sumergida en el agua y ofrece una cierta resistencia al inicio del movimiento, por lo que para vencer dicha fuerza de inercia es preciso aplicar una fuerza externa que la supere. La fuerza de inercia de cada disco dependerá principalmente de la fuerza de rozamiento originada por la naturaleza y dimensión de la superficie de contacto entre el disco y el medio acuoso y de la velocidad de giro del disco. En el caso de que todos los discos iniciaran de forma simultánea la rotación, la fuerza de inercia del conjunto sería equivalente a la suma de todas las fuerzas de inercia de cada disco. Este es el problema de otros dispositivos descritos en el estado de la técnica, por ejemplo, el anteriormente mencionado en ES 2328777 A1, el cual consigue la rotación del sistema mediante motores eléctricos robustos que requieren un potente reductor, para reducir la velocidad, lo cual complica el sistema y aumenta el consumo energético, reduciendo la eficiencia y robustez del sistema. Para minimizar la fuerza de inercia del conjunto, en una realización preferida de la presente invención se utiliza un eje (2) especialmente concebido para absorber una parte de la energía que le llega de los medios de propulsión (6) en forma de energía de torsión. De acuerdo con esta realización, el eje (2) puede configurarse para absorber en su torsión parte de la energía transmitida por la porción anterior y a su vez transmitirla a la porción siguiente con desfase temporal. De acuerdo con esta realización se consigue un mejor funcionamiento si el eje (2) está formado por un nervio central y una pluralidad de costillas, estando preferiblemente construido a base de un material plástico extruido. De acuerdo con esta realización particular, dicho eje According to a preferred embodiment, said axis (2) is parallel to the surface of the aqueous medium and the plurality of surfaces (1) and separation means (3) are configured to rotate floating perpendicular to the surface (4) of said aqueous medium (5). Each of the surfaces (1) that are part of the photobioreactor of the invention has a part submerged in the water and offers a certain resistance at the beginning of the movement, so to overcome said inertial force it is necessary to apply an external force that the surpass The force of inertia of each disk will depend mainly on the frictional force caused by the nature and dimension of the contact surface between the disk and the aqueous medium and the speed of rotation of the disk. In the event that all the disks simultaneously initiate the rotation, the force of inertia of the set would be equivalent to the sum of all the forces of inertia of each disk. This is the problem of other devices described in the prior art, for example, the one mentioned above in ES 2328777 A1, which achieves the rotation of the system by robust electric motors that require a powerful reducer, to reduce the speed, which complicates the system and increases energy consumption, reducing the efficiency and robustness of the system. To minimize the force of inertia of the assembly, in a preferred embodiment of the present invention an axis (2) specially designed to absorb a part of the energy that comes from the propulsion means (6) in the form of torsion energy is used . According to this embodiment, the axis (2) can be configured to absorb part of the energy transmitted by the anterior portion in its torsion and in turn transmit it to the next portion with a temporary offset. According to this embodiment, a better operation is achieved if the shaft (2) is formed by a central rib and a plurality of ribs, being preferably constructed from an extruded plastic material. According to this particular embodiment, said axis

(2)(2): absorbe en su torsión parte de la energía transmitida por la porción anterior y a su vez la transmite a la porción siguiente con desfase temporal. El hecho de incluir un eje con la capacidad de ser flexible a la torsión hace que la energía se transmita a los discos de forma secuencial eliminando los picos de energía necesarios para vencer la fuerza de inercia del conjunto de los discos, por lo que se disminuye considerablemente la energía necesaria para el arranque del sistema. Para facilitar la acumulación de la energía de torsión, se utiliza preferiblemente un eje absorbs in its torsion part of the energy transmitted by the anterior portion and in turn transmits it to the next portion with temporary lag. The fact of including an axis with the ability to be flexible to torsion causes energy to be transmitted to the disks sequentially eliminating the peaks of energy necessary to overcome the force of inertia of the set of disks, so it decreases considerably the energy necessary for system startup. To facilitate the accumulation of torsional energy, an axis is preferably used

(2) (2): de sección estrellada, que tiene un nervio central y varias costillas longitudinales que engranan con la parte central de los biodiscos y sirven para el arrastre de éstos y para darles movimiento de rotación alrededor del eje. Esta concepción del eje (2) diseñado para tener torsión elástica, es otra innovación de la presente invención, frente a los ejes tradicionales que están concebidos para tener resistencia a la flexión que origina el peso de los biodiscos cargados de biomasa. of starry section, which has a central nerve and several longitudinal ribs that mesh with the central part of the biodisks and serve to drag them and to give them rotational movement around the axis. This conception of the axis (2) designed to have elastic torsion, is another innovation of the present invention, compared to the traditional axes that are designed to have resistance to flexion that originates the weight of biodiesel loaded with biomass.

Means of Propulsion

Los medios de propulsión (6) comprenden preferiblemente medios para la propulsión hidrobárica, por ejemplo, una rueda con recipientes diseñados para recibir un líquido de forma que produzcan suficiente empuje como para crear la energía mecánica necesaria para mover el conjunto. De acuerdo con una realización preferida, los medios de propulsión (6) comprenden cangilones que hacen girar dichos medios de propulsión (6) alrededor de su eje debido al peso del agua que reciben dichos cangilones, proporcionando al eje (2) un par motor proporcional al peso del agua y a la proyección horizontal del radio de giro del centro de gravedad de cada cangilón con el agua (propulsión hidrobárica). Este tipo de propulsión también supone una ventaja con respecto a otros sistemas conocidos. De acuerdo con ésta configuración se rebajan las necesidades energéticas para la rotación del conjunto. Tal y como se ha mencionado anteriormente, la gran mayoría de los dispositivos existentes consiguen el movimiento del sistema mediante motores eléctricos robustos que necesita de un potente reductor para conseguir una velocidad de 1-2 vueltas por minuto, salvo en la patente ES 2328777 A1, citada anteriormente en que la velocidad de giro es mucho menor (de 0,016 a 0,32 vueltas por minuto), pero igualmente se realiza mediante un reductor mecánico a partir de la energía proporcionada por un motor eléctrico. En la patente AR 041868 A1 se utiliza un propulsor hidráulico cuya energía sin embargo se consigue por el impacto que produce un chorro de agua a presión, sobre las paletas de una rueda hidráulica. Toda la energía necesaria para mover los discos la facilita el chorro de agua a presión, lo que conlleva un gasto energético muy alto. En una realización preferida la presente invención resuelve este problema aprovechando la fuerza de la gravedad que actúa sobre la masa de agua y en la que el gasto energético se origina solamente para subir el agua desde el nivel del medio acuoso (5) hasta el nivel de los cangilones, generalmente alrededor de 1 metro. En otra realización, en el caso de que se aprovechase el agua de llegada al medio acuoso (5), si éste viniese de una cota superior a los medios de propulsión, no sería necesario el consumo de energía en el bombeo. El uso de un propulsor hidrobárico mediante una rueda de canjilones permite regular la velocidad de rotación mediante el flujo de agua que se suministre, eliminando los mecanismos de engranajes reductores o los variadores de frecuencia que son necesarios en los sistemas tradicionales que utilizan motores eléctricos. Además, supone un ahorro energético considerable respecto al uso de motores eléctricos. La propulsión hidrobárica en conjunción con un eje (2) con capacidad de acumular energía en forma de torsión producen un efecto sinérgico de mejora en el rendimiento, simplicidad de mantenimiento y eficiencia energética. De acuerdo con una realización particular, el eje de giro de la rueda se corresponde con el eje motor y bien directamente (7), o bien a través de un eje intermedio, transmite por uno de sus extremos el movimiento de giro al eje (2) a través de una junta cardan (8). Este tipo de juntas permiten transmitir el movimiento de giro entre dos ejes no alineados por lo que el eje motor puede estar fijo y el eje (2) puede variar su posicionamiento en altura sin perder la recepción de la fuerza del eje motor. De acuerdo con esta realización, para lograr que ambos ejes estén en el mismo plano vertical, aunque no estén alineados, se colocan dos o más elementos centradores (10) del eje (2) que comprenden, por ejemplo, dos varillas paralelas dispuestas verticalmente, por cuyo interior puede desplazarse libremente en sentido vertical, hacia arriba o hacia abajo, el eje (2). The propulsion means (6) preferably comprise means for hydrobaric propulsion, for example, a wheel with containers designed to receive a liquid so as to produce enough thrust to create the mechanical energy necessary to move the assembly. According to a preferred embodiment, the propulsion means (6) comprise buckets that rotate said propulsion means (6) around its axis due to the weight of the water that said buckets receive, providing the shaft (2) with a proportional motor torque to the weight of the water and to the horizontal projection of the turning radius of the center of gravity of each bucket with the water (hydrobaric propulsion). This type of propulsion also represents an advantage over other known systems. According to this configuration, the energy requirements for the rotation of the assembly are reduced. As mentioned above, the vast majority of existing devices achieve the movement of the system by means of robust electric motors that need a powerful reducer to achieve a speed of 1-2 turns per minute, except in the patent ES 2328777 A1, cited above in that the speed of rotation is much lower (from 0.016 to 0.32 revolutions per minute), but it is also done by a mechanical reducer from the energy provided by an electric motor. In the patent AR 041868 A1 a hydraulic propellant is used whose energy is nevertheless achieved by the impact produced by a jet of pressurized water on the vanes of a hydraulic wheel. All the energy needed to move the discs is facilitated by the jet of pressurized water, which entails a very high energy expenditure. In a preferred embodiment, the present invention solves this problem by taking advantage of the force of gravity acting on the body of water and in which the energy expenditure originates only to raise the water from the level of the aqueous medium (5) to the level of the buckets, usually about 1 meter. In another embodiment, in the case that the arrival water to the aqueous medium (5) was used, if it came from a higher level than the propulsion means, the energy consumption in the pumping would not be necessary. The use of a hydrobaric propeller by means of a wheel of cannons allows to regulate the speed of rotation by means of the flow of water that is supplied, eliminating the mechanisms of reducing gears or the frequency inverters that are necessary in the traditional systems that use electric motors. In addition, it represents a considerable energy saving compared to the use of electric motors. Hydrobaric propulsion in conjunction with an axis (2) with the ability to accumulate energy in the form of torsion produces a synergistic effect of improvement in performance, simplicity of maintenance and energy efficiency. According to a particular embodiment, the axis of rotation of the wheel corresponds to the motor axis and either directly (7), or through an intermediate axis, transmits at one of its ends the movement of rotation to the axis (2 ) through a cardan board (8). This type of joints allows the movement of rotation between two non-aligned axes to be transmitted, so that the motor axis can be fixed and the axis (2) can vary its position in height without losing the reception of the force of the motor axis. According to this embodiment, in order to achieve that both axes are in the same vertical plane, although they are not aligned, two or more centering elements (10) of the axis (2) are placed, comprising, for example, two parallel rods arranged vertically, through which the axis (2) can move freely vertically, upwards or downwards.

Other elements of the photobioreactor

En una realización particular de la presente invención, dicho medio acuático (5) está confinado en un recipiente cuyo fondo forma medios de acumulación recorridos por medios de recogida configurado para recoger la masa acumulada en dicho fondo y transportarla hasta medios de almacenamiento. Dicho fondo tiene preferiblemente forma de tolva, estando dichos medios de recogida formados por un tornillo sinfín (12), configurado para conducir la masa acumulada en dicho fondo hasta los medios de acumulación, preferiblemente una arqueta (13). En otra realización particular de la invención el fotobiorreactor comprende una bomba In a particular embodiment of the present invention, said aquatic medium (5) is confined in a container whose bottom forms accumulation means traveled by collection means configured to collect the accumulated mass in said bottom and transport it to storage means. Said bottom is preferably in the form of a hopper, said collection means being formed by an endless screw (12), configured to drive the accumulated mass in said bottom to the accumulation means, preferably a cassette (13). In another particular embodiment of the invention the photobioreactor comprises a pump

(14) configurada para transportar la masa conducida por el tornillo sinfín (12) hacia dicha arqueta (13) hasta un tamiz (11) configurado para separar la materia acuosa de forma que propulse los medios de propulsión (6). De acuerdo con esta realización particular, el otro extremo del eje motor que no ha sido utilizado para mover el eje (2), a través de un embrague (9), se configura para transmitir el movimiento a dicho tornillo sinfín (12). Por tanto, en esta configuración se combina los elementos ventajosos de la presente invención de forma que el mismo medio acuoso tras la separación en el tamiz (11) sirve para accionar los medios de propulsión (6). De esta forma la separación de la biomasa algal del agua se efectúa de forma pasiva intercalando un tamiz estático en el flujo del medio de cultivo que se bombea para el movimiento de la rueda de cangilones. El sistema puede llevar incorporado una tubería porosa (16) que recorra toda la parte inferior de los medios acuosos y por la que se pueda hacer borbotear gases. Por ejemplo, se puede hacer borbotear aire atmosférico para oxigenar el medio de cultivo, cuando se desee eliminar materia orgánica disuelta, o aire enriquecido en CO2 para favorecer el desarrollo de las microalgas. El conjunto de los superficies (1) y el medio de cultivo pueden tener una cubierta abatible que aísle parte o la totalidad de superficies (1) de la atmósfera exterior. Dicha cubierta puede ser opaca o transparente a la luz cuando se quiera producir biomasa algal. La finalidad de esta cubierta puede ser para protección térmica y/o para confinar la atmósfera con los gases emitidos por la tubería porosa. (14) configured to transport the mass driven by the auger (12) towards said cassette (13) to a sieve (11) configured to separate the aqueous matter so as to propel the propulsion means (6). According to this particular embodiment, the other end of the drive shaft that has not been used to move the shaft (2), through a clutch (9), is configured to transmit the movement to said auger screw (12). Therefore, in this configuration the advantageous elements of the present invention are combined so that the same aqueous medium after separation in the screen (11) serves to drive the propulsion means (6). In this way the separation of the algal biomass from the water is carried out passively by inserting a static sieve into the flow of the culture medium that is pumped for the movement of the bucket wheel. The system may include a porous pipe (16) that runs through the entire lower part of the aqueous media and through which gas can be bubbled. For example, atmospheric air can be bubbled to oxygenate the culture medium, when it is desired to eliminate dissolved organic matter, or CO2 enriched air to favor the development of microalgae. The set of surfaces (1) and the culture medium may have a collapsible cover that isolates part or all surfaces (1) from the outside atmosphere. This cover can be opaque or transparent to light when you want to produce algal biomass. The purpose of this cover can be for thermal protection and / or to confine the atmosphere with the gases emitted by the porous pipe.

Applications

El sistema descrito puede ser utilizado para la depuración de aguas residuales con carga orgánica alta y media, para depuración de vertidos eutrofizantes ricos en nitrógeno y fósforo y para producción de biomasa algal. La configuración del conjunto puede ser adaptada para distintas situación y aplicaciones. En una realización de la invención, cuando se utiliza para la depuración de aguas residuales para eliminar carga orgánica, los principales microorganismos que van a actuar van a ser de tipo heterótrofo, por lo que no necesitan recibir radiación luminosa y por lo tanto la separación entre los discos debe ser la mínima posible para aumentar el número de discos por unidad lineal de eje, debiendo estar comprendida entre 2 y 3 cm para facilitar simultáneamente el desprendimiento natural de los biofilmes que se formen en cada cara, sin que lleguen a contactar entre los de dos caras opuestas de discos consecutivos. En una realización de la invención, cuando se utiliza para eliminar nitrógeno y fósforo de efluentes terciarios de estaciones depuradoras que se vierten con baja carga orgánica pero con elementos eutrofizantes, la separación entre los discos debe estar comprendida entre 5 y 12 cm, al objeto que las radiaciones solares puedan penetrar al interior del espacio interdiscal y proyectarse sobre las superficies de los discos, favoreciendo así el desarrollo de una abundante población de microalgas que absorben el nitrógeno, fósforo y otros elementos minerales del agua y por medio del proceso fotosintético forman la parte más abundante de la biomasa que forma el biofilm que se adhiere a las superficies de los discos. En una realización de la invención, cuando se utiliza para producir biomasa algal, ya sea con efluentes terciarios de depuradoras de aguas residuales urbanas o con cualquier otro tipo de medio acuoso, la separación entre los discos debe estar comprendida entre 5 y 12 cm para favorecer la iluminación de las superficies de los discos. El fotobiorreactor de la invención puede ser utilizado, por ejemplo, para el cultivo de microorganismos autótrofos (microalgas) y/o heterótrofos (bacterias y hongos principalmente) en sistemas abiertos extensivos. También para la depuración de aguas residuales y puede aplicarse tanto para la eliminación de la materia orgánica (tratamiento secundario) como para la eliminación de nutrientes, principalmente nitrógeno y fósforo (tratamiento terciario). También está relacionada con la producción de biomasa que puede utilizarse como materia prima para producción de piensos (especialmente para acuicultura), para la producción de biocarburantes o como materia prima para fabricación de diversos compuestos orgánicos. The described system can be used for the purification of wastewater with a high and medium organic load, for the purification of eutrophizing discharges rich in nitrogen and phosphorus and for the production of algal biomass. The configuration of the set can be adapted for different situations and applications. In an embodiment of the invention, when it is used for the purification of wastewater to eliminate organic load, the main microorganisms that are going to act will be of the heterotrophic type, so they do not need to receive light radiation and therefore the separation between The disks must be the minimum possible to increase the number of disks per linear unit of axis, and must be between 2 and 3 cm to simultaneously facilitate the natural detachment of biofilms that form on each side, without reaching contact between of two opposite faces of consecutive discs. In one embodiment of the invention, when it is used to remove nitrogen and phosphorus from tertiary effluents from treatment plants that are discharged with low organic load but with eutrophizing elements, the separation between the disks must be between 5 and 12 cm, for the purpose that solar radiation can penetrate into the interdiscal space and project on the surfaces of the discs, thus favoring the development of an abundant population of microalgae that absorb nitrogen, phosphorus and other mineral elements from the water and through the photosynthetic process form the part more abundant of the biomass that forms the biofilm that adheres to the surfaces of the discs. In an embodiment of the invention, when used to produce algal biomass, either with tertiary effluents from urban wastewater treatment plants or with any other type of aqueous medium, the separation between the disks must be between 5 and 12 cm to favor the illumination of the surfaces of the discs. The photobioreactor of the invention can be used, for example, for the cultivation of autotrophic microorganisms (microalgae) and / or heterotrophs (mainly bacteria and fungi) in extensive open systems. Also for the purification of wastewater and can be applied both for the elimination of organic matter (secondary treatment) and for the elimination of nutrients, mainly nitrogen and phosphorus (tertiary treatment). It is also related to the production of biomass that can be used as raw material for feed production (especially for aquaculture), for the production of biofuels or as a raw material for the manufacture of various organic compounds.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Figura 1: Sección longitudinal de un fotobiorreactor de acuerdo con la presente invención. Figura 2: Sección transversal de un fotobiorreactor de acuerdo con la presente invención. En las figuras, los indicadores numéricos se refieren a los siguientes elementos del fotobioreactor: Biodiscos (1), Eje (2) de sección estrellada (cruz), Medios de separación (3), Superficie del agua (4), Medio acuoso (5), Medios de propulsión (6), que en este caso comprende una rueda de cangilones, Eje motor (7), Junta cardan (8), Embrague (9) que une el eje motor con la transmisión de tornillo sinfín (12) cuando está activado, Elementos centradores (10) del eje de arrastre (2), Tamiz estático (11), Medios de arrastre, en este caso un tornillo sinfín (12), Arqueta (13), Bomba sumergida (14), Medio acuoso separado de la biomasa algal (15), Tubería porosa (16) para difusión de aire o mezclas de gases. Figure 1: Longitudinal section of a photobioreactor according to the present invention. Figure 2: Cross section of a photobioreactor according to the present invention. In the figures, the numerical indicators refer to the following elements of the photobioreactor: Biodisks (1), Axis (2) of starry section (cross), Separation means (3), Water surface (4), Aqueous medium (5 ), Means of propulsion (6), which in this case comprises a bucket wheel, drive shaft (7), cardan joint (8), clutch (9) that joins the drive shaft with the auger transmission (12) when is activated, Centering elements (10) of the drive shaft (2), Static sieve (11), Drive means, in this case an auger (12), Case (13), Submerged pump (14), Separate aqueous medium of algal biomass (15), Porous pipe (16) for air diffusion or gas mixtures.

PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

En la realización que se describe a continuación a modo de ejemplo no limitante, el fotobioreactor se utiliza para reducir el nitrógeno contenido en un efluente de una EDAR de un pueblo que tiene 100 habitantes. Se parte de un efluente de depuradora que tiene un caudal de 15 m3/día, que contiene 30 mg/L de nitrógeno que hay que reducir hasta una concentración de 15 mg/L para poder ser vertido al cauce de la cuenca receptora sin producir problemas de contaminación ambiental. Se pretende por lo tanto lograr una reducción de nitrógeno de 225 g diarios. La eliminación diaria de nitrógeno debida a la actividad de la pluralidad de superficies, (1), en este caso biodiscos, del fotobiorreactor es de 0,2 g por m2 de superficie de biodisco, por lo que se necesita una superficie de biodisco total de 1.125 m2. Se parte de discos de 1,2 m de diámetro que proporcionan por ambas caras una superficie global útil de 2,26 m2, por lo que es necesario utilizar un fotobiorreactor de unos 500 discos que se colocarán con una separación media entre ellos de 8 cm, lo que daría una longitud total del conjunto de los biodiscos de unos 40 m que irían instalados en un canal con forma de tolva con un tornillo sinfín (12) recorriendo la parte inferior. La anchura del canal en su parte media y superior será de 1,5 m, por lo que la superficie total ocupada por el canal será de 60 m2. A continuación del canal que albergue los biodiscos (1) se construirá una arqueta-contenedor para albergar el propulsor, que será cuadrada de 1,5 x 1,5 m, con un pocillo o arqueta (13) en el fondo para recoger las microalgas procedentes del tornillo sinfín (12). El nivel del suelo de esta arqueta (13) es preferiblemente inferior al nivel de salida del tornillo sinfín (12). In the embodiment described below by way of non-limiting example, the photobioreactor is used to reduce the nitrogen contained in an effluent from a WWTP in a town that has 100 inhabitants. It is based on a sewage effluent that has a flow rate of 15 m3 / day, which contains 30 mg / L of nitrogen that must be reduced to a concentration of 15 mg / L in order to be discharged into the riverbed of the receiving basin without causing problems of environmental pollution. It is therefore intended to achieve a nitrogen reduction of 225 g daily. The daily removal of nitrogen due to the activity of the plurality of surfaces, (1), in this case biodisks, of the photobioreactor is 0.2 g per m2 of biodisk surface, so a total biodisk surface of 1,125 m2. It is based on 1.2 m diameter discs that provide a useful global surface of 2.26 m2 on both sides, so it is necessary to use a photobioreactor of about 500 discs that will be placed with an average separation between them of 8 cm , which would give a total length of the set of biodisks of about 40 m that would be installed in a hopper-shaped channel with an endless screw (12) running along the bottom. The width of the canal in its middle and upper part will be 1.5 m, so the total area occupied by the canal will be 60 m2. Following the channel that houses the biodisks (1), a container-casket will be built to house the propeller, which will be 1.5 x 1.5 m square, with a well or cassette (13) at the bottom to collect the microalgae from the auger (12). The floor level of this case (13) is preferably lower than the output level of the auger (12).

Cada disco (1) estará realizado en polipropileno celular de 5 mm de espesor recubierto por un paño de geotextil de polipropileno de 125 g/m2. Los medios de separación (3) son discos de EPS de densidad 20 kg/m3, de 25 cm de diámetro y 7,5 cm de espesor. El eje (2) es macizo, construido en PVC extruido con sección en forma de cruz, de 25 mm de diagonal. Cada costilla lateral tendrá una altura de 10 mm y 5 mm de espesor. La propulsión del eje (2) se efectúa por medio de medios de propulsión (6) que comprenden de una rueda hidráulica que recibe el agua suministrada por una bomba sumergida de 90 Watios (bomba para los biodiscos (1)), que puede proporcionar un caudal de 1,1 L/s a una altura de 1,9 m. Mediante una válvula se regula el caudal para que la rotación del conjunto de los biodiscos (1) sea del orden de 5 vueltas/minuto. La biomasa del biofilm que se va desprendiendo cada día de los biodiscos, sedimenta por su propio peso hasta el fondo del canal en forma de tolva. Periódicamente, una hora cada día, por ejemplo, se pone en marcha el tornillo sinfín (12), activando el embrague del propulsor para arrastrar la biomasa hasta la arqueta (13) del fondo de la arqueta-contenedor del propulsor y desde allí por medio de una bomba sumergida de lodos se eleva hasta la criba estática (11) que separa la biomasa algal del agua. Esta bomba es de 250 W. El agua separada se utiliza para alimentar los medios de propulsión (6), que tiene que mover los biodiscos (1) además el tornillo sinfín (12), para lo cual no hay problema dado que la bomba de lodos tiene suficiente potencia para elevar el agua requerida. De esta manera, mientras funciona la bomba de fangos, descansa la bomba de propulsión de los biodiscos. Un programador diario establece las secuencias de actuación de la bomba de lodos y de la de los biodiscos. Cuando funcione a régimen se supone una producción media diaria por cada m2 de superficie de biodisco de 33,3 g de biomasa de biofilm algal con el 10 % de materia seca. Esto supone una producción diaria de 37,46 kg diarios de biofilm que hay que retirar, ya sea para transformarlo en proteína para pienso animal (14 kg/día),o para cualquier otro uso y en último caso para la producción de compost. Each disk (1) will be made of 5 mm thick cellular polypropylene covered by a 125 g / m2 polypropylene geotextile cloth. The separation means (3) are EPS discs of density 20 kg / m3, 25 cm in diameter and 7.5 cm thick. The shaft (2) is solid, made of extruded PVC with a cross-section, 25 mm diagonal. Each side rib will be 10 mm high and 5 mm thick. The propulsion of the shaft (2) is carried out by means of propulsion means (6) comprising a hydraulic wheel that receives the water supplied by a submerged pump of 90 Watts (pump for biodisks (1)), which can provide a flow rate of 1.1 L / s at a height of 1.9 m. The flow rate is regulated by means of a valve so that the rotation of the set of biodisks (1) is of the order of 5 turns / minute. The biofilm biomass that is released every day from the biodisks, sediments by its own weight to the bottom of the hopper-shaped canal. Periodically, one hour each day, for example, the auger screw (12) is started, activating the impeller clutch to drag the biomass to the cassette (13) at the bottom of the propeller cassette-container and from there by means A submerged sludge pump rises to the static screen (11) that separates the algal biomass from the water. This pump is 250 W. The separated water is used to feed the propulsion means (6), which has to move the biodisks (1) in addition to the auger (12), for which there is no problem since the pump sludge has enough power to raise the required water. In this way, while the sludge pump is running, the propulsion pump of the biodisks rests. A daily programmer establishes the operating sequences of the sludge pump and that of the biodisks. When operating on a regimen, an average daily production is assumed for each m2 of biodisk area of 33.3 g of biofilm algal biomass with 10% of dry matter. This means a daily production of 37.46 kg per day of biofilm that must be removed, either to be transformed into protein for animal feed (14 kg / day), or for any other use and ultimately for the production of compost.

Claims

1. Floating support photobioreactor comprising a plurality of surfaces

(1) and separation means (3) in contact with an aqueous medium (5), configured to rotate in solidarity with an axis (2) connected to means of propulsion (6), characterized in that said plurality of surfaces (1), axis (2) and / or means of separation (3) are configured for total or partial flotation in said medium aqueous (5).

2. 2.: Fotobiorreactor de soporte flotante según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho eje (2) es paralelo a la superficie del medio acuoso y porque la, pluralidad de superficies (1) y medios de separación (3) se configuran para rotar flotando en posición perpendicular a la superficie (4) de dicho medio acuoso (5). Floating support photobioreactor according to claim 1, characterized in that said axis (2) is parallel to the surface of the aqueous medium and that the plurality of surfaces (1) and separation means (3) are configured to rotate floating perpendicular to the surface (4) of said aqueous medium (5).

3. 3.: Fotobiorreactor de soporte flotante según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque dicho eje (2) se configura para que cada porción de éste absorba en su torsión parte de la energía transmitida por la porción anterior y a su vez transmitirla a la porción siguiente. Floating support photobioreactor according to any of claims 1 and 2, characterized in that said axis (2) is configured so that each portion thereof absorbs part of the energy transmitted by the anterior portion and in turn transmits it to the next portion.

4. Four.: Fotobiorreactor de soporte flotante según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho eje (2) comprende un nervio central y una pluralidad de costillas longitudinales que engranan con la parte central de los biodiscos. Floating support photobioreactor according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said axis (2) comprises a central rib and a plurality of longitudinal ribs that engage with the central part of the biodisks.

5. 5.: Fotobiorreactor de soporte flotante según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicho eje (2) comprende un material plástico extruido. Floating support photobioreactor according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said shaft (2) comprises an extruded plastic material.

6. 6.: Fotobiorreactor de soporte flotante según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dichas pluralidad de superficies (1) son discos de un material poliolefínico celular con el borde perimetral cerrado, y comprenden en al menos una de sus caras un recubrimiento que facilita el crecimiento de microorganismos. Floating support photobioreactor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said plurality of surfaces (1) are discs of a cellular polyolefin material with the perimeter edge closed, and comprise at least one of its faces a coating that facilitates growth of microorganisms.

7. 7.: Fotobiorreactor de soporte flotante según la reivindicación 6, caracterizado porque ambas caras comprenden un recubrimiento que comprende geotextil de fibras de polipropileno. Floating support photobioreactor according to claim 6, characterized in that both sides comprise a coating comprising geotextile of polypropylene fibers.

8. 8.: Fotobiorreactor de soporte flotante según la reivindicación 6, caracterizado porque dichas superficies (1) comprenden un plano central de polipropileno celular y en el que dicho recubrimiento comprende polietileno espumado. Floating support photobioreactor according to claim 6, characterized in that said surfaces (1) comprise a central plane of cellular polypropylene and wherein said coating comprises foamed polyethylene.

9. 9.: Fotobiorreactor de soporte flotante según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque dichos medios de separación (3) y dichas pluralidad de superficies (1) son de una densidad inferior a la del medio acuático (5). Floating support photobioreactor according to any one of claims 1 to 8, characterized in that said separation means (3) and said plurality of surfaces (1) are of a density lower than that of the aquatic environment (5).

10. 10.: Fotobiorreactor de soporte flotante según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque dichos medios de separación (3) comprenden poliestireno expandido. Floating support photobioreactor according to any one of claims 1 to 8, characterized in that said separation means (3) comprise expanded polystyrene.

11. eleven.: Fotobiorreactor de soporte flotante según cualquiera de las reivindicaciones 1 a Floating support photobioreactor according to any of claims 1 to

5 10, characterized in that said aquatic medium (5) is confined in a container whose bottom forms accumulation means covered by collection means configured to collect the accumulated mass in said bottom and transport it to storage means.

12. Floating support photobioreactor according to claim 11, characterized

10 because said bottom is in the form of a hopper, which is covered by an auger screw (12), configured to drive the accumulated mass in said bottom to a cassette (13).

13. Floating support photobioreactor according to claim 12, characterized in that it comprises a pump (14) configured to transport said mass

15 driven by the auger screw (12) towards said cassette (13) to a sieve (11) configured to separate the aqueous matter so as to propel said propulsion means (6).

14. Rotary photobioreactor according to any one of claims 1 to 13, characterized in that it has a porous pipe running through the lower part of the

20 aqueous media and configured to bubble up atmospheric air or other gas mixtures.

15. Rotary photobioreactor according to any of claims 1 to 14, characterized in that it has a collapsible cover that isolates part or all of the plurality of surfaces (1) from the atmosphere.

Figure 1

Figure 2