ES2326296B1 - Fotobiorreactor vertical sumergible para la obtencion de biocombustibles. - Google Patents
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Abstract
Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles.
La presente invención se refiere a un
fotobiorreactor vertical sumergible para la obtención de
biocombustibles que comprende al menos torres para la realización
de fotosíntesis (1), medios de flotación y acumulación (17),
sistemas electromagnéticos aceleradores de intercambio molecular
(37), medios de limpieza y medios de extracción y control.
Description
Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles.
La presente invención está enmarcada dentro del
diseño de fotobiorreactores de energía sumergidos en mares y lagos
que actúan de forma continua y cerrada, para la producción de
biocombustible y de otros productos de interés, mediante el cultivo
masivo de cepas fitoplanctónicas autotróficas.
La invención se adscribe al sector técnico del
aprovechamiento de las energías renovables mediante la acción de
organismos fitoplanctónicos pertenecientes normalmente a las
siguientes familias taxonómicas: Cloroficeas, Bacilliarioficeas,
Dinoficeas, Criptoficeas, Crisoficeas, Haptoficeas, Prasinoficeas,
Rafidoficeas, Estigmatoficeas... en general las familias
taxonómicas que agrupan especies de la división cromofita
caracterizadas todas ellas por ser organismos unicelulares,
flagelados o no, y con una fase vital estrictamente planctónica
(holoplanctónica) o al menos una de sus fases planctónica
(meroplanctónicas).
Particularmente mediante el uso de los
fotobiorreactores de energía se consigue obtener productos tales
como biocombustibles, productos secundarios tales como naftas,
queroseno, energía térmica, energía eléctrica, gases libre como
oxígeno, hidrógeno...
Así mismo fomenta la captación masiva de gases
con efecto invernadero, especialmente dióxido de carbono.
Hasta la fecha, la obtención de biocombustibles
se viene practicando a partir de cultivos de vegetales superiores,
normalmente del grupo de las fanerógamas o plantas con flor
(girasol, palmera, palmito,..), y normalmente sobre superficie
terrestre (vegetales terrestres).
La obligación por parte de las zonas económicas
de cumplir con los objetivos impuestos por el protocolo de Kyoto
sobre reducción de las emisiones de CO_{2}/SO_{2} y otros gases
que producen el denominado efecto invernadero está llevando a los
países a buscar combustibles alternativos y renovables para evitar
posibles sanciones fiscales.
Aunque en algunas regiones está aumentando la
producción de energía solar y eólica, estas tecnologías resultan
muy costosas y no son viables en todas las zonas climáticas. En
estas condiciones, los biocarburantes están llamados a desempeñar un
papel fundamental como sustitutos de los combustibles fósiles,
especialmente para aplicaciones de transporte y calefacción.
Los costes de producción de biocarburantes a
partir de plantas, como los aceites de palma y de colza, han sido
siempre motivo de preocupación. Teniendo en cuenta los bajos
índices de producción de aceite por hectárea, se necesitarían
enormes cantidades de recursos para que se pudiera alcanzar una
producción comercial. La tierra y el agua son dos recursos escasos
y es preferible emplearlos para producir alimentos, que además
resultan más rentables para los agricultores. Además el abonado
intensivo se presenta como una forma de contaminación terrestre e
hídrica de primera magnitud. Así mismo los monocultivos extensivos
son uno de los principales enemigos de la biodiversidad.
El fitoplancton representa una solución viable
al problema anteriormente enunciado puesto que en torno al 50% de
la masa en seco de los organismos unicelulares en general es
biocarburante. Por otra parte, la producción anual por hectárea de
biocombustible a partir de fitoplancton es 40 veces más alta que con
el siguiente producto más rentable, el aceite de palma. Un
inconveniente es que la producción de aceite de fitoplancton
requiere cubrir vastas extensiones de tierra con agua poco
profunda, así como la introducción de grandes cantidades de
CO_{2}, un elemento fundamental para que el fitoplancton produzca
aceite. Los sistemas de producción natural, como los estanques de
fitoplancton, tienen un coste relativamente bajo, pero el proceso
de recogida resulta muy laborioso y, por ello, costoso. Por otra
parte, los cultivos de fitoplancton se llevan a cabo en sistemas
abiertos, lo cual hace que sean vulnerables a la contaminación y a
problemas de los cultivos, los cuales pueden llevar a la pérdida
total de la producción. En este mismo sentido una ventaja del
fotoconvertidor descrito en la presente invención es que el sistema
se mantiene cerrado y en condiciones tales que no se produce
contaminación en el cultivo por bacterias, hongos... porque además
de estar cerrado, el cultivo es enriquecido mediante nutrientes que
incorporan fungicidas y antibióticos.
Dentro del campo del diseño de fotobiorreactores
para la producción de biocombustibles a través de microorganismos
fotosintéticos, se podrían diferenciar de una manera clara dos
tipos de fotobiorreactores: los abiertos, en los cuales se permite
un intercambio directo de materia entre el cultivo y el aire que le
rodea, y los fotobiorreactores cerrados, en los que este
intercambio se elimina mediante la interposición de un medio físico
transparente que permite el paso de la radiación electromagnética
pero no el intercambio de materia. Los fotobiorreactores abiertos
presentan multitud de problemas derivados del escaso control de las
condiciones de cultivo y posibles contaminaciones, por lo que se
aplicación queda reducida debido a estos inconveniente. Sin embargo
los fotobiorreactores cerrados, reducen de manera eficiente estos
problemas mediante un mayor control de las condiciones de cultivo y
posibles contaminaciones y pueden llegar a una tasa de producción de
400 veces más que el girasol.
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Hasta el momento no se han descrito sistemas
parecidos al fotobiorreactor objeto de la presente invención, que
incorporen las ventajas de ser un sistema cerrado de gran volumen y
grandes diámetros, que trabaje en continuo, que permita obtener
grandes cantidades de biocombustibles o productos secundarios tales
como las naftas, la glicerina, compuestos derivados del silicio,
como los ferrosilicatos, que además pueda obtener energía térmica y
eléctrica y que no genere contaminación puesto que todos los
posibles residuo, tales como el dióxido de carbono, son recirculados
en el sistema para su aprovechamiento como nutriente para el
fitoplancton, o que recircule el agua utilizada como parte del
medio de cultivo para volver a ser utilizada...
Así mismo la presente invención describe y se
diferencia claramente de cualquier otro tipo de fotobiorreactor en
su capacidad para ser dispuesta o ubicarla sumergida en medio
líquido (océanos, mares, lagos, embalses, ...). Una característica
fundamental de la invención y diferenciadora respecto de las
desarrolladas en medio terrestre es que por su disposición
sumergida facilita la regulación térmica del sistema, lo que a su
vez facilita el control de las poblaciones fitoplanctónicas que se
están cultivando y disminuyen los costes energéticos necesarios para
mantener las condiciones homeotérmicas en el sistema de cultivo. Y
como segunda característica garantiza la disponibilidad de agua sin
ningún tipo de limitación y gastos elevados en infraestructuras.
(al contrario de lo que sucede en tierra).
Como tercera característica diferenciadora con
respecto alo ya descrito, el presenta invención permite de
sumergirlos dentro de todo la zona fótica los fotobiorreactores,
cosa que permite controlar sin gasto energético la presión parcial
de los gases que intervienen en el proceso facilitando así los
procesos de absorción o eliminación de dichos gases según
convenga.
Por lo tanto en la presente invención se
describe un sistema novedoso (fotobiorreactor) que incluye todas
estas características y que permite una gran versatilidad y un gran
respeto hacia el medio ambiente.
La solicitud de patente WO 03/094598 A1 con
título "Photobioreactor and process for biomass production and
mitigation of pollutants in flue gases" describe un modelo de
fotobiorreactor genérico principalmente centrado en la
descontaminación de gases tipo COx, SOx y NOx. Básicamente es un
sistema que trabaja en discontinuo (distinguiendo fotoperíodo
día/noche) y es abierto, no siendo su medio líquido axénico. No
controla las concentraciones de nitrógeno y dióxido de carbono, con
la finalidad de aumentar la producción de biocombustibles. No está
pensado para trabajar con cepas algales monoespecíficas ni
monoclonales. Su diseño no contempla como principal objetivo la
producción de biocombustibles, sino que se centra en la depuración
de gases. Por otra parte respecto de los organismos fotosintéticos a
los que hace referencia no exige condiciones que inhabiliten el
sistema y no tiene recirculación controlada porque el transporte se
hace por flujo turbulento de burbujas.
En comparación con la presente invención objeto
de patente, se presenta un sistema totalmente novedoso, que se basa
por contrapartida en las siguientes características:
- -
- Está concebido fundamentalmente para medio acuático aunque su uso no queda restringido a la superficie terrestre si se le aplica pequeñas modificaciones.
- -
- Es totalmente cerrado.
- -
- Es totalmente axénico.
- -
- Trabaja en continuo sin distinguir fotoperíodo.
- -
- Trabaja con cepas mono específicas y monoclonales.
- -
- Acepta cultivos mixtos autotrofo-autotrofo, autotrofo-heterótrofo, heterótrofo facultativo-heterótrofo facultativo.
- -
- No acepta cualquier organismo fotosintético, sino que exige al menos que no sean formadores bioincrustaciones sobre la superficie interior del fotobiorreactor.
- -
- Acepta organismo heterótrofos facultativos.
- -
- Exige que las especies de fitoplancton no formen colonias.
- -
- Exigen que las especies de fitoplancton no genere exomucilagos.
- -
- Exige que la especie cultivada contenga al menos un 5% de ácidos grasos y al menos un 5% de hidrocarbonos.
- -
- Potencia la utilización de especies fitoplanctónicas no flageladas y flotantes.
- -
- No acepta cualquier tipo de líquidos como medio de cultivo, se centra en el agua dulce, salobre y de mar.
- -
- Centra su principal objetivo en la obtención de compuestos de síntesis metabólica con propiedades energéticas o con propiedades preenergéticas dirigidas fundamentalmente a la obtención de biocombustibles.
\global\parskip1.000000\baselineskip
La presente invención se refiere a un
fotobiorreactor de energía para la obtención de biocombustibles,
entre ellos y sin sentido limitativo, biopetróleo, para la fijación
de dióxido de carbono y gases con efecto invernadero y otros
productos secundarios no por ello de menor importancia.
Se entiende por biopetróleo un líquido
energético producido mediante la conversión de energía
electromagnética en energía química a través de la biomasa de
fitoplancton que es del mismo origen que el combustible fósil,
petróleo, pero en la presente invención se ha conseguido extraer el
mismo producto energético sin que se fosilizase.
Dicho fotobiorreactor de energía puede estar
sumergido en medio líquido y sin sentido limitativo, en mares y
lagos (se conectan a la orilla por tubos de alimentación extracción
de los productos energéticos) que actúan de forma continua y
cerrada, para la producción de biocombustible y de otros productos
de interés, mediante el cultivo masivo de cepas fitoplanctónicas
autotróficas.
La línea de flotación se determina en función
del medio de cultivo y parámetros tales como luz, presión,
temperatura y flujo de convección natural del medioambiente.
La línea de flotación se determina en función
del medio de cultivo y parámetros tales como luz, presión,
temperatura y flujo de convección natural del medioambiente.
Por otra parte los fotobiorreactores de la
presente invención, utilizan un sistema de control de flujo de tipo
Tichelmann, que ello permite dar igualdad de presión a cualquier
parte del mismo y de esta manera se controla la extracción de manera
continua.
Un primer aspecto de la presente invención se
refiere a un fotobiorreactor que está constituido por al menos los
siguientes elementos como se muestra en las figuras 2, 3 y 4:
- -
- torres para la realización de fotosíntesis (1);
- -
- medios de flotación y acumulación (17);
- -
- sistemas electromagnéticos aceleradores de intercambio molecular (37);
- -
- medios de limpieza; y
- -
- medios de extracción y control.
Las torres para la realización de fotosíntesis
(1) son de material transparente preferiblemente PVC, policarbonato
y/o metacrilato y pueden ser de tres tipos:
- -
- circular concéntrica monocámara (Figura 2).
- -
- circular concéntrica bicámara (Figura 4).
- -
- circular compuesta que contienen tubos verticales dispuestos alrededor de un pozo central de luz (Figura 3).
Estos 3 tipos de torres para la realización de
fotosíntesis (1) constituyen el espacio que va desde la cara
externa del pozo de luz hasta la cara interna de la cámara de
fotosíntesis y tienen unas dimensiones de desde 10 a 1 m y una
altura desde 10 a 30 metros.
En este mismo sentido, las torres para la
realización de fotosíntesis (1) circulares concéntricas monocámara
comprenden los siguientes elementos:
- -
- pozos verticales de acceso de control, mantenimiento y emisión de luz artificial (26), los cuales tienen un diámetro comprendido desde 20 centímetros a 2 metros y una altura comprendida desde 10 a 30 metros.
- -
- cámaras de fotosíntesis (27).
Las torres para la realización de fotosíntesis
(1) circulares concéntricas bicámara comprenden los siguientes
elementos:
- -
- pozos verticales de acceso de control, mantenimiento y emisión de luz artificial (26).
- -
- cámaras de fotosíntesis (27).
- -
- cámaras exteriores de estabilización térmica (28).
Las torres para la realización de fotosíntesis
(1) comprenden al menos los siguientes elementos:
- a.
- Válvulas de control de flujo (7).
- b.
- Entradas de luz natural (12).
- c.
- Lámparas de producción de luz artificial (13).
- d.
- Paneles de control (14).
- e.
- Bombas de recirculación (15).
- f.
- Densímetros (16).
- g.
- Válvulas de inyección de CO_{2} (21).
- h.
- Válvulas de inyección de turbulencia (22).
- i.
- Sistemas de iluminación interna (33).
- j.
- Fitoplancton (29).
Las entradas de luz natural (12) están
recubiertas por plástico translucido.
Los paneles de control (14) controlan la
inyección de los diferentes nutrientes, gases, temperatura, pH,
salinidad y conductividad del medio de cultivo.
Las bombas de recirculación (15) producen un
efecto de tipo Venturi el cual consiste en que, en la corriente de
un fluido dentro de un conducto cerrado disminuye la presión del
fluido al aumentar la velocidad cuando pasa por una zona de sección
menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro
conducto, se produce una aspiración del fluido contenido en este
segundo conducto) de recirculación para evitar la destrucción de
las algas por la presión.
Las válvulas electromagnéticas (7) de cambio de
flujo o de extracción están situadas en la base de las torres para
la realización de la fotosíntesis (1) y dependen de fotoválvulas
que operan por diferencia de intensidad lumínica entre dos puntos
(apertura controlada).
Con respecto a los medios de extracción y
control, estos comprenden los siguientes elementos:
- a.
- Tanques de mezcla y compensación (2).
- b.
- Bombas de reinyección y control de presión (3).
- c.
- Intercambiadores de calor (4) para mantener la temperatura del fotobioconvertidor.
- d.
- Atemperadores (5) para la disminución de la temperatura de entrada del CO_{2} (6).
- e.
- Sensores de control (9) del medio de cultivo.
- f.
- Válvulas de extracción de oxígeno (10).
- g.
- Válvulas de extracción de hidrógeno (11).
- h.
- Decantadores (23).
- i.
- Sistemas de extracción y regulación de las lámparas de luz artificial (24).
- j.
- Sistemas de extracción mecánica por centrifugación (25).
Los tanques de mezcla y compensación (2) son
cilíndricos o poliédricos de material transparente preferentemente
de PVC, policarbonato y/o metacrilato, tienen un volumen interno
comprendido dentro del intervalo de 3 a 14 m^{3} por
fotobiorreactor y permiten el ensamblaje entre las diferentes
torres de fotosíntesis (1) de manera similar a la estructura de una
colmena. En este mismo sentido, los tanques de mezcla y
compensación (2), contienen la mezcla de nutrientes y gases
necesarios para el desarrollo y cultivo del fitoplancton.
Las bombas de reinyección y control de presión
(3) son de tipo centrifugadoras y tienen un flujo comprendido
dentro del intervalo de 4 a 100 cm/seg.
Los intercambiadores de calor (4) sirven para
mantener la temperatura del sistema y los atemperadores (5) que
tienen la función de disminuir la temperatura de entrada del
CO_{2} y NO_{x} son de tipo laminar a placas.
Los decantadores (23) separan la biomasa
producida por el fitoplancton del agua del medio de cultivo. Estos
decantadores son de tipo estático. La biomasa separada, contiene
entre otros productos y sin sentido limitativo, lípidos, hidratos de
carbono y productos del metabolismo secundario del
fitoplancton.
Los sensores de control (9) controlan la
temperatura, el pH, la salinidad, la conductividad, la
concentración de CO_{2}, de O_{2}, de oligoelementos, de
antibióticos y de fungicidas.
En los sistemas de extracción mecánica por
centrifugación (25) se separa la biomasa que contiene lípidos,
hidratos de carbono, celulosas, hemicelulosas y productos del
metabolismo secundario.
Los medios de flotación y acumulación (17) son
de tipo translúcidos y con estructura reticular de acero inoxidable
y comprenden al menos los siguientes elementos:
- -
- fotosensores (32).
- -
- inyectores de CO_{2} y aire (21).
- -
- válvulas electromagnéticas o neumáticas de extracción (8).
- -
- flotadores (18).
Con respecto a los medios de limpieza, estos
comprenden:
- a)
- Sistemas rotatorios de limpieza (19).
- b)
- Sistemas de limpieza y anti-organismos incrustantes exteriores (20).
Los sistemas rotatorios de limpieza (19) tienen
forma de bolas unidas por un hilo central que mediante un sistema
de movimiento rotatorio helicoidal centrifugo va recorriendo las
paredes internas del fotobiorreactor manteniendo su limpieza.
Los sistemas de limpieza y
anti-organismos incrustantes (20) envuelven a todas
las partes en contacto con el agua exterior del fotobiorreactor y
comprenden los siguientes elementos:
- a)
- malla de hilo de cobre (35) de 0,1 a 0,2 milímetros de calibre y con una luz de malla de 4 cm.
- b)
- electrodos de contacto (36) para la malla dispuestos en los depósitos de flotación (17) y tanques de mezcla y compensación (2).
Las condiciones de cultivo del fitoplancton
presente en las torres para la realización de fotosíntesis (1)
dentro del fotobiorreactor son de:
- -
- temperatura desde 12 a 35 grados Celsius.
- -
- intensidad de luz solar desde 200 a 900 vatios/m^{2}.
- -
- intensidad de luz artificial desde 1 a 50 vatios/m^{2}.
- -
- fotoperíodos desde 18 a 6 horas o desde 12 a 12 horas o de 24 horas.
- -
- salinidad desde 0 por mil hasta 50 por mil.
- -
- concentración de fitoplancton en el medio de cultivo desde 1.000.000 de células/ml a 100.000.000 de células/ml.
- -
- pH desde 7 a 8,9.
Adicionalmente el fotobiorreactor contiene
dispersores de iones (30) que ionizan a los nutrientes y de esta
manera se permite una mejor y más eficiente asimilación de los
mismos por parte del fitoplancton, sensores de gas (31) y
fotosensores (32).
Se entiende por dispersor de iones (30) a
cualquier sistema conocido en el Estado de la Técnica capaz de
ionizar moléculas.
\newpage
Adicionalmente las torres para la realización de
la fotosíntesis (1) pueden contener electroimanes (34) en el
exterior para acelerar el intercambio electrónico molecular
(37).
Según un segundo aspecto fundamental de la
presente invención, el uso del fotobiorreactor es para la obtención
de biocombustibles, para la obtención de productos de farmacopea
del tipo de los ácidos grasos y Luteína, para la obtención de
productos de cosmética del tipo de la glicerina, pigmentos y
sustancias emulgentes, para la obtención de productos industriales
con contenido en sílice del tipo de los borosilicatos y
ferrosilicatos, para la obtención de productos fertilizantes,
agrícolas, industriales y ganaderos para la obtención de celulosas
y hemicelulosas, para la obtención de taninos y compuestos
astringentes, para la fijación de CO_{2}, CH_{4}, SH_{2},
NO_{2}, NO_{3} y otros gases de gases de efecto invernadero.
Cuando se habla de nutrientes nos referimos a
dióxido de carbono, en adelante CO_{2}, NOx, vitaminas,
antibióticos, fungicidas, agua, oligoelementos y ácido
ortofosfórico.
Los antibióticos añadidos al cultivo son una
mezcla de penicilina y estreptomicina a un rango de concentraciones
de 100 a 300 mg/l cada uno de ellos, preferentemente se a un rango
de concentraciones de 150 a 250 mg/l y más preferentemente a una
concentración de 200 mg/l para cada uno de los componentes de la
mezcla.
Los fungicidas añadidos al cultivo son una
mezcla de griseofulvira y nistatina a un rango de concentraciones
de 100 a 300 mg/l cada uno de ellos, preferentemente se a un rango
de concentraciones de 150 a 250 mg/l y más preferentemente a una
concentración de 200 mg/l para cada uno de los componentes de la
mezcla.
El agua añadida para el cultivo del fitoplancton
puede ser de tipo dulce, salobre o salada.
La figura 1 muestra un esquema representativo de
la evolución del cultivo en el fotobiorreactor objeto de la
presente invención con cada una de sus partes y conectores para el
aprovechamiento de la energía electromagnética solar y artificial,
con el fin de obtener entre otros productos, biocombustibles,
celulosas hemiceluosas y de reducir los gases de efecto invernadero
en la atmósfera, especialmente el CO_{2}, CH_{4}, NOx y
SOx.
La figura 2 muestra un esquema del
fotobiorreactor de energía sumergido en medio líquido de tipo
circular concéntrico monocámara. Dicho tipo de fotobiorreactor de
energía se encuentra sumergido en mares y lagos, se conectan a la
orilla por tubos de alimentación extracción de los productos
energéticos y actúan de forma continua y cerrada, para la
producción de biocombustible y de otros productos de interés,
mediante el cultivo masivo de cepas fitoplanctónicas
autotróficas.
La figura 3 muestra un esquema del
fotobiorreactor de energía sumergido en medio líquido de tipo
circular compuesta que contienen tubos verticales dispuestos
alrededor de un pozo central de luz. Dicho tipo de fotobiorreactor
de energía se encuentra sumergido en mares y lagos, se conectan a
la orilla por tubos de alimentación extracción de los productos
energéticos y actúan de forma continua y cerrada, para la
producción de biocombustible y de otros productos de interés,
mediante el cultivo masivo de cepas fitoplanctónicas
autotróficas.
La figura 4 muestra un esquema del
fotobiorreactor de energía sumergido en medio líquido de tipo
circular concéntrico bicámara. Dicho tipo de fotobiorreactor de
energía se encuentra sumergido en mares y lagos, se conectan a la
orilla por tubos de alimentación extracción de los productos
energéticos y actúan de forma continua y cerrada, para la
producción de biocombustible y de otros productos de interés,
mediante el cultivo masivo de cepas fitoplanctónicas
autotróficas.
Se introduce un inóculo de cepa fitoplanctónica
(Nannochloropsis gaditana) por los tanques de mezcla y
compensación (2), se añade medio de cultivo, nutrientes, CO_{2},
aire y nutrientes que son detectados y regulados mediante los
sensores de gas (31) y los fotosensores (32) de la misma manera que
en los tanques de mezcla y compensación (2). De esta manera se
empieza la circulación para establecer un flujo continuo dentro del
cual van a viajar las células fitoplanctónicas reproduciéndose al
mismo tiempo a través de las torres de realización de la
fotosíntesis (1) en donde se está insuflando con dióxido de carbono
(6a) procedente de los atemperadores (5) que controlan la
temperatura y es ionizado mediante dispersores de iones (30) y
luego pasarán a las torres de realización de la fotosíntesis (1)
captando la energía electromagnética para realizar la fotosíntesis.
Es allí donde se controla la intensidad luminosa mediante (pozo de
luz) y es en los electroimanes (34) en donde el campo
electromagnético ayuda a la polarización de las moléculas de
CO_{2} ayudando así a su disolución y de esta manera facilitar la
captación de éste y aumentar la biomasa producida, rica en lípidos,
hidratos de carbono, celulosas y hemicelulosas, entre otros
productos. El proceso se repite en cada torre de fotosíntesis (1).
En el interior de cada torre de fotosíntesis se libera y pierde
O_{2} mediante válvulas de extracción de O_{2} (10) y es
detectado por los sensores de control del medio de cultivo (9), de
igual manera para el H_{2} las válvulas de extracción de H_{2}
(11) y es detectado por (9). Se realiza un proceso de recirculación
mediante las bombas de recirculación (15) dentro de un proceso de
equilibrio de presión de tipo Tichelmann, hasta que la biomasa del
fitoplancton sea suficiente y detectada por los densímetros (16)
para empezar parte de ella su extracción a través de las válvulas
electromagnéticas o neumáticas de extracción (8) y desde allí va la
parte extraída a los decantadores (23), en el cual el agua se
separa de la biomasa y es reconducida hasta los sistemas de
recirculación que va finalmente a los tanques de mezcla y
compensación (2).
El inoculo inicial de cepa fitoplanctónica
productora se realiza de forma que, el volumen inicial de agua
contenida en cada torre de fotosíntesis arranque con una
concentración celular de al menos 1.000.000 células/ml. Entre 6 y 8
días después la concentración celular en las torres de fotosíntesis
oscilará en un intervalo de 100 a 200 millones de células/ml.
Alcanzado este momento se acometerán las extracciones de biomasa de
forma periódica según la concentración existente en cada
momento.
Todos estos datos se muestran en la tabla 1 y
los resultados en la figura 1.
El pH será uno de los principales indicadores de
la estabilidad productiva del sistema. Debe de ser mantenido
utilizando el caudal de CO_{2} introducido, el caudal de aire
introducido y mediante lechos de material inerte rico en carbonato
cálcico, que estarán dispuestos en el interior de los tanques de
mezcla y flotación. El intervalo de oscilación del pH será de 7.0 -
8.9
La irradiación lumínica necesaria oscilará entre
los 15,0 MJ m^{-2} d^{-1} y los 1.0 MJ m^{-2} d^{-1}. Esta
será dispuesta a través del pozo de luz (33).
Claims (43)
1. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles caracterizado porque comprende
al menos los siguientes elementos:
- a.
- torres para la realización de fotosíntesis (1);
- b.
- medios de flotación y acumulación (17);
- c.
- sistemas electromagnéticos aceleradores de intercambio molecular (37);
- d.
- medios de limpieza; y
- e.
- medios de extracción y control.
2. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque las torres para la realización de
fotosíntesis (1) comprenden al menos los siguientes elementos:
- a.
- válvulas de control de flujo (7);
- b.
- entradas de luz natural (12);
- c.
- lámparas de producción de luz artificial (13);
- d.
- paneles de control (14);
- e.
- bombas de recirculación (15);
- f.
- densímetros (16);
- g.
- válvulas de inyección de CO_{2} (21);
- h.
- válvulas de inyección de turbulencia (22);
- i.
- sistemas de iluminación interna (33); y
- j.
- fitoplancton (29).
3. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado las torres para la realización de la
fotosíntesis (1) contienen sistemas de iluminación interna
(33).
4. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque las torres para la realización de
fotosíntesis (1), son de material transparente preferiblemente PVC,
policarbonato y/o metacrilato.
5. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque los torres para la realización de
fotosíntesis (1), contienen adicionalmente electroimanes (34) en el
exterior para acelerar el intercambio electrónico molecular.
6. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 2,
caracterizado porque las bombas de recirculación (15) tienen
un flujo comprendido dentro del intervalo de 4 a 100 cm/seg.
7. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 2,
caracterizado porque las bombas de recirculación (15) son de
tipo centrifugadoras.
8. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 2,
caracterizado porque las entradas de luz natural (12) están
recubiertas por plástico translucido.
9. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 2,
caracterizado porque los paneles de control (14) controlan la
inyección de los diferentes nutrientes, gases, temperatura, pH,
salinidad y conductividad del medio de cultivo.
10. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque las torres para la realización de
fotosíntesis (1) son de tipo circular concéntricas monocámara.
11. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque las torres para la realización de
fotosíntesis (1) son de tipo circular concéntrica bicámara.
12. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque las torres para la realización de la
fotosíntesis (1) son de tipo circular compuesta que contienen tubos
verticales dispuestos alrededor de un pozo central de luz.
13. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 10,
caracterizado porque las torres para la realización de
fotosíntesis (1) circulares concéntricas monocámara comprenden los
siguientes elementos:
- a.
- pozos verticales de acceso de control, mantenimiento y emisión de luz artificial (26); y
- b.
- cámaras de fotosíntesis (27).
14. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 13,
caracterizado porque los pozos verticales (26) tienen un
diámetro comprendido desde 20 centímetros a 2 metros y una altura
comprendida desde 10 a 30 metros.
15. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 11,
caracterizado porque las torres para la realización de
fotosíntesis (1) circulares concéntricas bicámara comprenden los
siguientes elementos:
- a.
- pozos verticales de acceso de control, mantenimiento y emisión de luz artificial (26);
- b.
- cámaras de fotosíntesis (27); y
- c.
- cámaras exteriores de estabilización térmica (28).
16. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de extracción y control
comprenden los siguientes elementos:
- a.
- tanques de mezcla y compensación (2);
- b.
- bombas de reinyección y control de presión (3);
- c.
- intercambiadores de calor (4) para mantener la temperatura del fotobioconvertidor;
- d.
- atemperadores (5) para la disminución de la temperatura de entrada del CO_{2} (6);
- e.
- sensores de control (9) del medio de cultivo;
- f.
- válvulas de extracción de oxígeno (10);
- g.
- válvulas de extracción de hidrógeno (11);
- h.
- decantadores (23);
- i.
- sistemas de extracción y regulación de las lámparas de luz artificial (24); y
- j.
- sistemas de extracción mecánica por centrifugación (25).
17. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 16,
caracterizado porque los tanques de mezcla y compensación (2)
son cilíndricos o poliédricos.
18. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 16,
caracterizado porque los tanques de mezcla y compensación (2)
permiten el ensamblaje entre las diferentes torres de fotosíntesis
de manera similar a la estructura de una colmena.
19. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 16,
caracterizado porque los tanques de mezcla y compensación (2)
contienen la mezcla de nutrientes y gases necesarios para el
desarrollo y cultivo del fitoplancton.
20. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 16,
caracterizado porque los tanques de mezcla y compensación
(2), son de material transparente preferentemente de PVC,
policarbonato y/o metacrilato.
21. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 16,
caracterizado porque los tanques de mezcla y compensación
(2), tienen un volumen interno comprendido dentro del intervalo de
3 a 14 m^{3} por fotobiorreactor.
22. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 16,
caracterizado porque los intercambiadores de calor (4) y los
atemperadores (5) son de tipo laminar a placas.
23. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 16,
caracterizado porque los sensores de control (9) controlan la
temperatura, el pH, la salinidad, la conductividad, la
concentración de CO_{2}, de O_{2}, de oligoelementos, de
antibióticos y de fungicidas.
24. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque en los sistemas de extracción mecánica
por centrifugación (25) se separa la biomasa que contiene lípidos,
hidratos de carbono, celulosas, hemicelulosas y productos del
metabolismo secundario.
25. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque los depósitos de flotación y acumulación
(17) son de tipo translúcidos y con estructura reticular de acero
inoxidable.
26. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según las reivindicaciones 1 y 25,
caracterizado porque los depósitos de flotación y
acumulación (17) comprenden al menos los siguientes elementos:
- a.
- fotosensores (32);
- b.
- válvulas de CO_{2} y aire (21);
- c.
- válvulas electromagnéticas o neumáticas de extracción (8); y
- d.
- flotadores (18).
27. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de limpieza comprende los
siguientes elementos:
- a.
- sistemas rotatorios de limpieza; y
- b.
- sistemas de limpieza y anti-organismos incrustantes exteriores.
28. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 27,
caracterizado porque los sistemas rotatorios de limpieza (19)
tienen forma de bolas unidas por un hilo central que mediante un
sistema de movimiento rotatorio helicoidal centrifugo va
recorriendo las paredes internas del fotobiorreactor manteniendo su
limpieza.
29. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 27,
caracterizado porque los sistemas de limpieza y anti
organismos incrustantes (20) envuelven a todas las partes en
contacto con el agua exterior del fotobiorreactor.
30. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 27,
caracterizado porque los sistemas de limpieza y anti
organismos incrustantes (20) comprenden los siguientes
elementos:
- a.
- malla de hilo de cobre (35) de 0,1 a 0,2 milímetros de calibre y con una luz de malla de 4 cm; y
- b.
- electrodos de contacto (36) para la malla dispuestos en los depósitos de flotación (17) y tanques de mezcla y compensación (2).
31. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque adicionalmente contiene dispersores de
iones (30).
32. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 31,
caracterizado porque los dispersores de iones (30), ionizan a
los nutrientes.
33. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque adicionalmente contiene sensores de gas
(31).
34. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque adicionalmente contiene fotosensores
(32).
35. Fotobiorreactor vertical sumergible para la
obtención de biocombustibles según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende las siguientes condiciones de
cultivo del fitoplancton presente en las torres para la realización
de fotosíntesis:
- a.
- temperatura desde 12 a 35 grados Celsius;
- b.
- intensidad de luz solar desde 200 a 900 vatios/m^{2};
- c.
- intensidad de luz artificial desde 1 a 50 vatios/m^{2};
- d.
- fotoperíodos desde 18 a 6 horas o desde 12 a 12 horas o de 24 horas;
- e.
- salinidad desde 0 por mil hasta 50 por mil;
- f.
- concentración de fitoplancton en el medio de cultivo desde 1.000.000 de células/ml a 100.000.000 de células/ml; y
- g.
- pH desde 7 a 8,9.
36. Uso del fotobiorreactor vertical sumergible
para la obtención de biocombustibles según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 35, para la obtención de biocombustibles.
37. Uso del fotobiorreactor vertical sumergible
para la obtención de biocombustibles según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 35, para la obtención de productos de
farmacopea del tipo de los ácidos grasos y Luteína.
38. Uso del fotobiorreactor vertical sumergible
para la obtención de biocombustibles según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 35, para la obtención de productos de cosmética
del tipo de la glicerina, pigmentos y sustancias emulgentes.
39. Uso del fotobiorreactor vertical sumergible
para la obtención de biocombustibles según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 35, para la obtención de productos
industriales con contenido en sílice del tipo de los borosilicatos
y ferrosilicatos.
40. Uso del fotobiorreactor vertical sumergible
para la obtención de biocombustibles según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 35, para la obtención de productos
fertilizantes, agrícolas, industriales y ganaderos.
41. Uso del fotobiorreactor vertical sumergible
para la obtención de biocombustibles según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 35, para la obtención de celulosas y
hemicelulosas.
42. Uso del fotobiorreactor vertical sumergible
para la obtención de biocombustibles según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 35, para la obtención de taninos y compuestos
astringentes.
43. Uso del fotobiorreactor vertical sumergible
para la obtención de biocombustibles según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 35, para la fijación de CO_{2}, CH_{4},
SH_{2}, NO_{2}, NO_{3} y otros gases de gases de efecto
invernadero.
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