ES2351566A1 - Método de cultivo de microorganismos y fotobiorreactor empleado en dicho método. - Google Patents
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Abstract
Método de cultivo de microorganismos y fotobiorreactor empleado en dicho método. Comprende un cuerpo (1) vertical transparente de forma cilíndrica, un fondo (2) sobre el que apoya dicho cuerpo (1), una salida en la parte inferior del fondo (2),conectada a un conducto de salida (3), que desemboca en un conducto de recirculación (4) conectado con una entrada superior (6) ubicada en la parte superior del cuerpo(1). Unos medios de inyección (5) inyectan aire y eventualmente CO{sub,2} en el conducto der circulación (4), produciendo un vértice (11) en el interior del cuerpo (1). Además, la invención se refiere a un método para obtención de biomasa a partir de microalgas utilizando dicho fotobiorreactor.
Description
Método de cultivo de microorganismos y
fotobiorreactor empleado en dicho método.
La presente invención se puede incluir dentro
del campo de cultivo de microorganismos en reactores, en concreto
describe un método para obtención de biomasa a partir de algas y un
reactor vertical de alto rendimiento empleado en dicho método.
Las microalgas son seres unicelulares muy
variados en tamaño y forma que existen en casi todos los hábitat
conocidos. La mayor parte son de hábitat acuáticos, tanto marinos
como dulceacuícolas, aunque algunas viven en tierra. Los mares y
océanos contienen enormes cantidades de algas planctónicas,
estimándose que el 90% de la fotosíntesis total de la Tierra es
realizada por estos vegetales acuáticos.
Actualmente, esta biomasa microalgal puede ser
utilizada para aplicaciones como biofertilizantes, en la
purificación de aguas residuales, como acondicionadores de suelo y
como alimento. Asimismo, se ha puesto de manifiesto la potencialidad
de los microalgas para la producción de gran variedad de sustancias,
como ácidos grasos, pigmentos, vitaminas, antibióticos, productos
farmacéuticos y otros productos químicos de interés, así como
hidrógeno, hidrocarburos y otros combustibles biológicos.
Para llevar a cabo la producción de
microorganismos fototrópicos pueden utilizarse los denominados
fotobiorreactores. Siendo imprescindible, para dicha producción,
seleccionar adecuadamente el diseño del reactor que se va a
utilizar, así como una serie de parámetros función del
microorganismo que se va a emplear, como condiciones óptimas de
crecimiento y resistencia a variaciones ambientales. De esta forma,
el diseño de reactores que permitan alcanzar altas productividades a
unos costes mínimos es una de las líneas de trabajo más importantes
en el campo de la biotecnología, y sin cuyo avance será imposible
una expansión mundial de esta industria.
Así, en la solicitud de patente mejicana MX
PA05007801A se describe el diseño de un fotobiorreactor cilíndrico
transparente (de vidrio), de forma cónica en su parte inferior, con
circulación impulsado por aire (airlift). Este fotobiorreactor se
usa para la producción de astaxantina.
La presente invención proporciona un método para
el cultivo de microalgas generadoras de aceites para su uso como
combustibles, así como un reactor empleado en dicho método.
En algunos sistemas cerrados, para cultivos
marinos, se dispone de una disolución acuosa con microalgas que
crecen mediante fotosíntesis por el efecto combinado de la luz solar
e inyección tanto de aire como eventualmente de CO_{2}. El cultivo
de las algas requiere, por tanto, estas dos condiciones básicas; la
entrada de luz que permita la existencia simultanea de zonas
iluminadas y en sombra para proporcionar el ciclo de fotosíntesis y
una agitación del líquido del cultivo que promueva el intercambio de
algas entre ambas zonas.
Para que se den las dos condiciones anteriores,
la presente invención proporciona un fotobiorreactor (en adelante
FBR), vertical avanzado de alta eficiencia para el cultivo de algas,
de forma cilíndrica, con fondo que puede ser cónico o plano, de
material transparente y con un conducto de recirculación externo, en
el cual se genera un efecto vórtice en la parte superior del medio
acuoso que permite una mayor entrada de energía lumínica en el
sistema y una agitación más eficiente del medio, lo que permite
aumentar la producción de biomasa cultivada por unidad de volumen y
superficie.
Dicho vórtice o remolino se genera por efecto de
la entrada tangencial al sistema del propio medio de cultivo, el
cual es impulsado desde la parte inferior del reactor hacia la parte
superior mediante un sistema de inyección de gases situado en el
conducto de recirculación.
Además, hay que tener en cuenta que el diseño
óptimo del sistema, dimensiones y/o materiales para la fabricación
de un reactor para la generación de biomasa, viene determinado por
los siguientes parámetros:
- \bullet
- Maximizar el volumen conservando una proporción de volumen iluminado-sombra y de forma que se obtenga un remolino o vórtice global que garantice un tiempo de resistencia adecuado al ciclo de fotosíntesis.
- \bullet
- Evitar las zonas de escasa agitación.
Por lo tanto, un primer aspecto de la presente
invención se refiere a un reactor para el cultivo de
microorganismos, o fotobiorreactor FBR, que comprende un cuerpo
cilíndrico transparente, un fondo situado a continuación del cuerpo
cilíndrico y un conducto de salida conectado a una salida ubicada en
el fondo, caracterizado porque comprende adicionalmente: un conducto
de recirculación cuya entrada está situada a continuación del
conducto de salida y que desemboca en la parte superior del cuerpo
cilíndrico, y medios de inyección, situados en las proximidades de
la entrada del conducto de recirculación, que introducen gases.
El reactor de la invención, es un reactor de
forma cilíndrica, fabricado en un material transparente, que puede
estar incluido, pero sin limitarse, al grupo que comprende fibra de
vidrio, polietileno de baja densidad (LDPE), policarbonato (PC),
polimetilmetacrilato (PMMA) o cualquier otro material que reúna las
condiciones óptimas de transmisión de luz PAR (radiación
fotosintéticamente activa, del inglés Photosynthetically Active
Radiation). Además de las paredes laterales, la superficie superior
del contenedor es transparente o abierta a la atmósfera de forma que
también permite el paso de luz.
El fondo del reactor puede tener forma cónica o
plana, siendo preferiblemente plana.
La altura del reactor puede estar comprendida
entre 1 y 5 metros y el diámetro puede variar entre 15 y 100 cm.
El reactor de la invención contiene una
disolución acuosa que contiene a su vez microalgas que crecen
mediante fotosíntesis por efecto combinado de la luz solar y del
aire, más en su caso CO_{2}, inyectados.
Un segundo aspecto de la presente invención se
refiere a un procedimiento para producir biomasa a partir de un
cultivo de microorganismos utilizando el reactor de la
invención.
Las condiciones que requiere este procedimiento
de cultivo de algas, además del uso de un reactor como el descrito
anteriormente, son: entrada de luz con zonas iluminadas y en zonas
en sombra para permitir la fotosíntesis; y una agitación del líquido
de cultivo que promueva el intercambio de algas entre las zonas
iluminadas y las zonas en sombras.
Dicho reactor es sometido a una iluminación
adecuada para proporcionar zonas iluminadas y zonas en sombras, y a
una agitación del líquido de cultivo mediante una corriente bifásica
autopropulsada por la inyección de gases.
La agitación en el reactor de la invención se
consigue mediante una corriente bifásica líquido-gas
autopropulsada mediante la inyección de gas y su posterior ascensión
en burbujas por flotabilidad. Dicha corriente es eyectada
tangencialmente en el plano formado por la superficie libre del
líquido de cultivo con la pretensión de obtener un remolino
suficientemente intenso para generar una superficie libre cónica
cuyo vértice se sitúa en las proximidades del conducto de salida. El
efecto adicional de aumento de superficie libre incrementa la
superficie de zona iluminada pudiendo aumentar la capacidad del
sistema para capturar luz del medio y transformarlo en materia
vegetal (biomasa).
Como se acaba de indicar, el remolino se obtiene
por medio de introducción de gas en el conducto de recirculación
("riser"), en las proximidades del conducto de salida. El aire
asciende burbujeando por el conducto de recirculación hasta la
altura de la superficie libre del líquido de cultivo. El arrastre de
líquido debido a la inyección continuada de gas, denominado efecto
"holdup", deberá suministrar el impulso necesario para generar
rotación.
Dado que la luz es absorbida por el medio,
existe una longitud de penetración de luz que determina el volumen
de líquido iluminado.
En una realización preferida del procedimiento
de la presente invención, los microorganismos son microalgas que se
pueden seleccionar de la lista que comprende, pero sin limitarse a,
los siguientes géneros: Spirulina, Chlorella, Chlorococcum,
Neochloris Isochrysis,, Tetraselmis, Oocytis Ettlia, Porphyridium,
Nannochloris Synechocystis, Crucigenia, Muriellopsis, Haematococcus,
Clamidomonas, Synechococcus, Phaeodactylum, Platymonas, Amphora,
Auxenochlorella, Ankistrademus, Nanochloropsis, Navicula,
Boekelovia, Scenedesmus o Rhodopseudomonas.
En una realización más preferida, las microalgas
pueden seleccionarse de entre las siguientes especies:
Phaeodactylum tricornutum, Platymonas sp., Amphora sp.,
Boekelovia sp., Tetraselmis suecica, Navicula sp. Synechococcus sp.,
Scenedesmus quadricuada, Rhodopseudomonas palustres, Muriellopsis
sp. Chlorella sorokiniana, Spirulina platensis, Chlorella sp.,
Neochloris oleoabundans, Scenedesmus sp., Auxenochlorella
protothecoides, Synechocystis sp., Chlorococcum sp., Isochrysis
galbana, Oocytis sp., Ettlia carotinosa, Porphyridium cruentum o
Nannochloris oculata. Crucigenia tetrapedia, Haematococcus
pluviales, Clamidomonas sp., Ankistrademus, sp., Nanochloropsis
occulata o Nanochloropsis gaditana.
Las principales ventajas que presenta el reactor
de la presente invención frente a otros ya conocidos son:
- a)
- Frente a sistemas verticales convencionales. Mejora la disolución de nutrientes y asegura los periodos de luz-oscuridad de las microalgas en cultivos con altas densidades.
- b)
- Frente a sistemas abiertos (Race-Ways): mejor agitación del medio de cultivo y mejor control de las condiciones de cultivo (pH, Temperatura, disolución de nutrientes de forma homogénea) así como evitar la entrada al medio de contaminantes que puedan afectar al rendimiento de la producción de biomasa.
- c)
- Frente a sistemas tubulares helicoidales con tubos de pequeño tamaño: facilidad de operación (control de condiciones del cultivo como pH, Temperatura, disolución de nutrientes de forma homogénea) así como posibilidad de utilizar materiales y sistemas de construcción de costes muy inferiores manteniendo los niveles de producción.
Otro aspecto de la presente invención se refiere
a la biomasa obtenible por el procedimiento de la invención.
Otro aspecto más de la presente invención se
refiere al uso de la biomasa de la invención para la fabricación de
combustible, preferiblemente este combustible es biodiesel aunque
también puede ser utilizada para otros usos energéticos, como por
ejemplo gasificación.
A lo largo de la descripción y las
reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no
pretenden excluir otras características técnicas, elementos,
componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos,
ventajas y características de la invención se desprenderán en parte
de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los
siguientes ejemplos y dibujos se acompañan a la presente descripción
para comprender mejor las características de la invención, como
parte integrante de la misma y a modo de ilustración, no
pretendiendo que sean limitativos de la presente invención.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Representa un esquema de un reactor
FBR de la invención.
Figura 2.- Representa un esquema de
funcionamiento de un reactor FBR de la invención con la válvula
antirretorno cerrada.
Figura 3.- Representa un esquema de
funcionamiento de un reactor FBR de la invención con la válvula
antirretorno abierta.
Para una mejor comprensión del invento, se
pasará a hacer la descripción detallada de alguna de las modalidades
del mismo, mostrada en los dibujos que con fines ilustrativos más no
limitativos se anexan a la presente descripción.
Según se aprecia en la figura 1, el reactor FBR
de la invención se compone de los siguientes elementos:
a) Un cuerpo (1) vertical de forma cilíndrica,
con altura comprendida entre 1 y 5 metros, y un diámetro comprendido
entre 15 y 100 cm, construido en un material transparente, que puede
ser tanto rígido como flexible, como por ejemplo el grupo que
comprende fibra de vidrio, polietilieno de baja densidad (LDPE),
policarbonato (PC), polimetilmetacrilato (PMMA) o cualquier otro
material que reúna las condiciones óptimas de transmisión de luz
PAR. La parte superior del cuerpo (1) está provista de una tapa no
necesariamente estanca que permite la aireación de dicho reactor y
la colocación de diferentes sistemas de control del cultivo
(termopares, medidores de pH, salinidad, concentración de O_{2},
etc.). La parte inferior del cuerpo reposa sobre un fondo (2)
descrito a continuación en el punto b).
b) Un fondo (2) sobre el que se apoya el cuerpo
(1), que puede ser cónico o plano, de material que puede ser opaco,
como por ejemplo acero, aluminio, cloruro de polivinilo (PVC), o
transparente según materiales similares a los descritos para el
cuerpo (1). Sobre la parte superior del fondo (2) reposa el cuerpo
(1) mediante un cierre hermético que asegura la estanqueidad de la
unión entre el cuerpo (1) y el fondo (2). En la parte inferior del
fondo (2) se encuentra una salida, conectada a un conducto de salida
(3), de diámetro entre 2 cm y 15 cm, que conecta a su vez con un
conducto de recirculación (4) descrito seguidamente en el punto
siguiente. El fondo (2) está provisto de un sistema estable,
resistente y seguro para apoyar todo el peso del reactor sobre el
suelo.
c) Un conducto de recirculación (4) extremo, que
conecta mediante conexiones estancas superior (6) e inferior (no
mostrada) la parte inferior y la parte superior del reactor,
respectivamente. El material del conducto de circulación (4) puede
ser opaco, como por ejemplo acero, aluminio, cloruro de polivinilo
(PVC), o transparente, según materiales similares a los descritos
para el cuerpo (1). Adicionalmente la conexión superior (6) está
ubicada de forma que el medio de cultivo accede al reactor de manera
tangencial a la superficie de dicho reactor. El conducto de
recirculación (4) incorpora, en las proximidades del conducto de
salida (3), una tercera conexión (8) a la que se conecta un inyector
(5), que inyecta aire o mezcla aire + CO_{2} al reactor.
El reactor de la invención comprende una válvula
antirretorno (12) ubicada en el conducto de salida (3). Según se
aprecia en las figuras 2 y 3, cuando dicha válvula antirretorno (12)
está abierta y el aire asciende burbujeando por el conducto de
recirculación (4) hasta la altura de la superficie libre del líquido
de cultivo, gracias al efecto "hold up" de las burbujas de aire
generadas, se crea un movimiento recirculante del medio de cultivo
el cual genera un efecto vórtice en la parte superior del medio
acuoso que permite una mayor entrada de energía lumínica en el
reactor y una agitación más eficiente del medio. El conducto de
recirculación (4), en su tramo inferior está provisto de un conducto
de purga (9) para facilitar el vaciado del reactor. Adicionalmente
el sistema de recirculación está provisto de un conducto de desvío
(10) que permite desviar la recirculación del medio de cultivo a
cualquier otro elemento como pudiera ser un segundo reactor, un
depósito de cosechado o un desagüe.
Una vez ensamblados todos los elementos del
reactor según lo descrito anteriormente, dicho reactor deberá
llenarse hasta un nivel máximo preestablecido con una solución
acuosa que hará de medio de cultivo para las microalgas. Además, se
incorporará a este medio un inóculo suficiente de individuos
unialgares para iniciar la fase de crecimiento. Tras esta primera
etapa de llenado, se inicia la etapa de puesta en marcha de la
recirculación. Para ello se inyecta aire a través de los medios de
inyección (5), con un caudal de 20-150 l/min. El
efecto "hold up" de las burbujas creadas, impulsará de manera
ascendente el medio de cultivo a través del sistema de recirculación
hasta la entrada superior (6) del cuerpo (1), generando un
movimiento circular en la superficie que finalmente se transformará
en un vórtice (11). En este momento podemos considerar que el
reactor de la invención se ha puesto en marcha. Transcurrido el
periodo de crecimiento fijado en función de la especie de microalga
que se cultive se procederá al proceso de cosechado haciendo uso o
bien del conducto de purga (9) o bien del conducto de desvío (10),
situados en el conducto de recirculación (4).
A continuación se detallan, en la tabla 1, los
siguientes valores de producción, en cultivos de diferentes
microalgas, llevado a acabo mediante el procedimiento descrito.
Donde:
"PSSC máx." es el peso seco sin cenizas
máximo.
"Rango PSSC" es el rango óptimo de
cosechado,
"g" es el tiempo de generación en días,
"\mu" es la tasa de crecimiento,
P vol. es la media de la producción volumétrica
para las diferentes especies ensayadas en el exterior (E) y en el
invernadero (I) en FFBR.
(*) El cultivo de Spirulina plantensis se
llevó a cabo durante todo el año, ensayando en el mismo diferentes
rangos de cosechado con el fin de determinar el más adecuado para
conseguir una mayor producción sostenida en el tiempo. En la tabla 2
se muestran los valores medios de producción para los diferentes
rangos de cosechado utilizados.
BNA son los códigos de microalgas depositadas en
el Banco Nacional de Algas situado en Las Palmas de Gran Canaria
(España).
Los valores de PSSC se calcularon a partir de la
relación entre la densidad óptica del cultivo a 680 nm y el peso
seco sin cenizas para cada especie/cepa.
Claims (13)
1. Fotobiorreactor para el cultivo de
microorganismos que comprende:
- un cuerpo (1) vertical cilíndrico
transparente,
- un fondo (2) situado a continuación del cuerpo
(1), sobre el que se apoya dicho cuerpo (1), y
- un conducto de salida (3) conectado a una
salida ubicada en la parte inferior del fondo (2),
caracterizado porque comprende
adicionalmente:
- un conducto de recirculación (4) conectado al
conducto de salida (3) y a la entrada superior (6) del cuerpo
(1),
- medios de inyección (5) situados en el
conducto de circulación (4), en las proximidades del conducto de
salida (3), que inyectan gases, que producen un vórtice (11) que
aumenta la producción de biomasa,
- un conducto de purga (9), ubicado en el tramo
inferior del conducto de recirculación (4), para facilitar el
vaciado, y
- un conducto de desvío (10), ubicado en el
conducto de recirculación (4), empleado para extraer el cultivo
hacia el exterior.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Fotobiorreactor según reivindicación 1,
caracterizado porque el fondo (2) presenta forma plana.
3. Fotobiorreactor según reivindicación 1,
caracterizado porque el fondo (2) presenta forma cónica.
4. Fotobiorreactor según reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de inyección (5) están
adaptados para la circulación de gases que comprenden aire y/o
CO_{2}.
5. Fotobiorreactor según reivindicación 1,
caracterizado porque el cuerpo está fabricado en un material
seleccionado entre:
- fibra de vidrio,
- polietileno de baja densidad (LDPE),
- policarbonato (PC), y
- polimetilmetracrilato (PMMA).
\vskip1.000000\baselineskip
6. Fotobiorreactor según la reivindicación 1,
caracterizado porque la parte superior del cuerpo (1)
comprende una tapa transparente.
7. Fotobiorreactor según la reivindicación 1,
caracterizado porque la parte superior del cuerpo está
abierta.
8. Procedimiento para producir biomasa a partir
de microorganismos que comprende:
- someter a iluminación el reactor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que contiene un cultivo de microorganismos, y
- agitar el líquido de dicho cultivo de microorganismos mediante la inyección de gases.
\vskip1.000000\baselineskip
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
donde los microorganismos son microalgas.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
donde las microalgas se seleccionan de la lista que comprende
Spirulina, Chlorella, Chlorococcum, Neochloris Isochrysis,
Tetraselmis, Oocytis Ettlia, Porphyridium, Nannochloris
Synechocystis, Crucigenia, Muriellopsis, Haematococcus,
Clamidomonas, Synechococcus, Phaeodactylum, Platymonas, Amphora,
Auxenochlorella, Ankistrademus, Nanochloropsis, Navicula,
Boekelovia, Scenedesmus o Rhodopseudomona.
11. Procedimiento según la reivindicación 10,
donde las microalgas se seleccionan de la lista que comprende
Phaeodactylum tricornutum, Platymonas sp., Amphora sp.,
Boekelovia sp., Tetraselmis suecica, Navicula sp. Synechococcus sp.,
Scenedesmus quadricuada, Rhodopseudomonas palustres, Muriellopsis
sp. Chlorella sorokiniana, Spirulina platensis, Chlorella sp.,
Neochloris oleoabundans, Scenedesmus sp., Auxenochlorella
protothecoides, Synechocystis sp., Chlorococcum sp., Isochrysis
galbana, Oocytis sp., Ettlia carotinosa, Porphyridium cruentum o
Nannochloris oculata. Crucigenla tetrapedia, Haematococcus
pluviales, Clamidomonas sp., Ankistrademus, sp., Nanochloropsis
occulata o Nanochloropsis gaditana.
12. Biomasa obtenible mediante el procedimiento
según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11.
13. Uso de la biomasa según la reivindicación
12, para la fabricación de biodiesel.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200900652A ES2351566B1 (es) | 2009-03-09 | 2009-03-09 | Método de cultivo de microorganismos y fotobiorreactor empleado en dicho método. |
| PCT/ES2010/070132 WO2010103154A2 (es) | 2009-03-09 | 2010-03-09 | Método de cultivo de microorganismos y fotobiorreactor empleado en dicho método |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| ES200900652A ES2351566B1 (es) | 2009-03-09 | 2009-03-09 | Método de cultivo de microorganismos y fotobiorreactor empleado en dicho método. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2351566A1 true ES2351566A1 (es) | 2011-02-08 |
| ES2351566B1 ES2351566B1 (es) | 2012-06-14 |
Family
ID=42584974
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200900652A Expired - Fee Related ES2351566B1 (es) | 2009-03-09 | 2009-03-09 | Método de cultivo de microorganismos y fotobiorreactor empleado en dicho método. |
Country Status (2)
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|---|---|
| ES (1) | ES2351566B1 (es) |
| WO (1) | WO2010103154A2 (es) |
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