ES2356653B2 - Fotobiorreactor para el cultivo de organismos fotótrofos. - Google Patents
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Abstract
Fotobiorreactor para el cultivo de organismos
fotótrofos.
Un fotobiorreactor para el cultivo de organismos
fotótrofos, que comprende un depósito (15, 25, 35, 45, 55, 65) que a
su vez comprende un medio de cultivo y biomasa en el interior de
dicho depósito y en contacto con dicho medio de cultivo. El
fotobiorreactor comprende además al menos una estructura cónica o
troncocónica transparente o translúcida (11, 21, 31, 41, 51, 61)
situada total o parcialmente en el interior de dicho depósito (15,
25, 35, 45, 55, 65) a través de la cual o las cuales una radiación
luminosa penetra en dicho depósito.
Description
Fotobiorreactor para el cultivo de organismos
fotótrofos.
La presente invención corresponde al sector
técnico del cultivo de microorganismos fotótrofos, tales como
microalgas, para la obtención de productos de interés en diversos
sectores de la industria.
\vskip1.000000\baselineskip
Durante los últimos años ha crecido el interés
por el cultivo de microalgas con diferentes objetivos: desde su uso
con fines ambientales como la biorremediación y la fijación de
CO_{2} hasta su producción con fines comerciales en diferentes
sectores de la industria (farmacéutica, nutracéutica, acuicultura,
etc).
Son muchas las aplicaciones que se han
encontrado para los productos extraídos de las microalgas, si bien
recientemente se ha observado su potencial como productoras de
aceites que podrían ser empleados como materia primea para la
elaboración biocombustible.
Entre los diseños existentes para la producción
de organismos fotótrofos se pueden distinguir los sistemas abiertos
y los sistemas cerrados. En los primeros el cultivo está expuesto a
la atmósfera y se lleva a cabo en tanques poco profundos
(15-30 cm), en los que normalmente el medio de
cultivo es impulsado mediante paletas rotatorias. Generalmente
requieren amplias superficies de terreno (500-5000
m^{2}). Como principales ventajas presentan su relativo bajo coste
y su sencillez tanto en la construcción como en la operación, sin
embargo presentan muchas limitaciones como la facilidad de
contaminación por otros organismos, las pérdidas por evaporación, la
ocupación del suelo, etc. Pero sin lugar a dudas una de las grandes
desventajas de este tipo de cultivo es la baja eficiencia en la
utilización de la luz por parte de los organismos debido a la
atenuación de la misma a medida que penetra en profundidad.
Para tratar de paliar estos problemas surgió el
cultivo en sistemas cerrados o fotobiorreactores donde es posible
llevar a cabo un control más exhaustivo de las condiciones mejorando
así el crecimiento y la producción celular y evitando la
contaminación. Sin embargo, a pesar de las ventajas que presentan
los fotobiorreactores, tienen importantes limitaciones en aspectos
como la transferencia de masa, el control de la temperatura, la
acumulación de oxígeno, el control de la iluminación, las
dificultades de limpieza y el consumo energético.
A pesar de los avances logrados en el desarrollo
de fotobiorreactores la producción de organismos fotótrofos sigue
siendo muy costosa y sólo resulta rentable cuando el producto
obtenido es de alto valor económico, no así para otros potenciales
productos como los ácidos grasos que serían empleados en la
producción de biocombustibles. Es por ello que actualmente los
esfuerzos en el campo del cultivo de organismos fotótrofos se centra
en la mejora de los sistemas de producción de biomasa, con el
objetivo de obtener un diseño que reúna las condiciones necesarias
para que las aplicaciones biotecnológicas de este tipo de organismos
sean viables en el mercado.
El principal problema en el cultivo de células
fotosintéticas es lograr una correcta distribución de la energía
luminosa. En muchas configuraciones en las capas más superficiales
la intensidad de luz es demasiado alta, mientras que a medida que la
luz atraviesa la suspensión se atenúa rápidamente hasta situarse en
valores por debajo del mínimo necesario para la fotosíntesis. Es por
ello que el diseño de un fotobiorreactor debe estar basado,
principalmente, en un suministro adecuado de luz que permita un buen
crecimiento de la biomasa, minimizando los procesos de
fotoinhibición y fotolimitación. En un fotobiorreactor con baja
densidad celular y en una capa delgada, aproximadamente todas las
células reciben la misma cantidad de luz, pero al hablar de cultivos
en profundidad y con una elevada densidad celular se dan otros
fenómenos que hacen que las células reciban una determinada cantidad
de luz según su posición. Por una parte en los cultivos en tanques
abiertos con cierta profundidad, aparece un gradiente de iluminación
debido a la atenuación de la energía al atravesar la suspensión
celular. Por otra parte también se produce una dilución de la luz
debido al sombreado que producen unas células sobre otras, de modo
que la posición de las células en cada instante determina la
intensidad de luz a la que están expuestas.
Con el propósito de conseguir una buena
distribución de la luz dentro del fotobiorreactor se han
desarrollado ciertos diseños que utilizan fuentes artificiales de
luz. Lee et al. en su artículo "Photoacclimation of
Chlorella vulgaris to Red Light from
Light-Emitting Diodes Leads to Autospore Release
Following Each Cellular División" Biotechnology Progress
(1996) utilizaron LEDs, mientras que Ogbonna et al. en su
artículo "A Novel Internally Illuminated Stirred Tank
Photobioreactor for Large-Scale Cultivation of
Photosynthetic Cells" Journal of fermentation and
Bioengineering (1996) muestran el empleo de tubos fluorescentes.
Sin embargo, el elevado coste de la producción
de organismos fotosintéticos deriva principalmente del consumo
energético por utilización de fuentes de luz artificiales y por la
agitación necesaria para mantener el sistema en suspensión.
Por estas razones, más recientemente se ha
tratado de utilizar la luz natural solar, ya que supone una gran
ventaja económica y medioambiental. Actualmente la única fuente de
luz con la que podría resultar económicamente viable producir
ciertos derivados de las microalgas como aceites para la producción
de biodiesel, en cultivos en exterior, es la luz solar. Los
principales problemas encontrados al respecto son las variaciones
cíclicas de iluminación y la excesiva intensidad de radiación en las
capas más superficiales del cultivo, produciéndose fotoinhibición.
Para solucionar estos problemas se ha estudiado la posibilidad de
captar, concentrar y redistribuir la luz de forma conveniente dentro
del cultivo. De hecho, hasta hace algunos años se pensaba que el
único modo de suministrar luz solar en cultivos de elevada
productividad volumétrica era mediante su captura, concentración y
redistribución. Sin embargo, este tipo de técnicas encarece el
proceso y en algunos casos reduce la eficiencia debido a pérdidas
energéticas.
Con el objeto de introducir la luz en el
interior del fotobiorreactor han surgido diseños que utilizan fibra
óptica, como el que muestran Ogbonna et al. en su artículo
"An integrated solar and artificial light system for internal
illumination of photobioreactors" Journal of Biotechnology
(1999), pero es un sistema que resulta muy costoso económicamente y
presenta ciertas dificultades técnicas que sería necesario
resolver.
Más recientemente han aparecido diseños que
tratan de distribuir la luz hasta una mayor profundidad en tanques
abiertos, por ejemplo el sistema que presentan Hsieh et al.
en el artículo "A novel photobioreactor with transparent
rectangular chambers for cultivation of microalgae"
Biochemical Engineering Journal (2009), en el cual la luz se
transmite a través de compartimentos vacíos de paredes
transparentes.
Con el objetivo de aprovechar toda la radiación
solar incidente sobre la superficie del reactor sin que se produzca
fotoinhibición en las capas superficiales, Zijffers et al.
muestran en su artículo "Capturing sunlight into a
photobioreactor: Ray tracing simulations of the propagation of light
from capture to distribution into the reactor" Chemical
Engineering Journal (2008), otro diseño en el que se trata de captar
la energía mediante concentradores solares y redistribuirla en el
interior del cultivo mediante una guía de plástico que transporta el
haz de luz concentrado.
Otros diseños que tratan de distribuir la luz
mediante una ampliación de la superficie de recepción de la misma
son los descritos en las solicitudes de patente JP10304872 y
JP10108665 que incluyen elementos para conducir y dispersar la luz
hacia el interior de cultivos celulares. El fotobiorreactor recibe
la luz a través de una abertura estrecha y a continuación es
difundida a través de una superficie mayor. Esta abertura atraviesa
el elemento de difusión de la luz, que puede ser un prisma
rectangular o un prisma triangular. La longitud de estas estructuras
difusoras de luz ocupa toda la longitud del fotorreactor, por lo que
éste queda dividido en varias cámaras separadas por los elementos
difusores. Estos fotobiorreactores están orientados a la producción
de hidrógeno mediante bacterias.
La traducción de patente europea ES 2238275 T3
también presenta un fotobiorreactor consistente en una cámara de
reacción de paredes transparentes en la que la superficie iluminada
es mayor que la superficie plana que envolvería la cámara de
reacción. Esto se consigue mediante prolongaciones transparentes a
la luz que hacen que la sección transversal de la cámara de reacción
tenga forma sinusoidal o de meandros. Además presenta sustancias que
desplazan la longitud de onda de la radiación incidente. Con esta
configuración se aumenta la superficie iluminada respecto a
configuraciones cilíndricas o cúbicas convencionales pero, debido a
las proporciones de las prolongaciones con respecto al volumen del
reactor, no se optimiza la distribución de la luz ni se consigue un
aumento de volumen notable.
Por último, la solicitud de patente
US20090130747 presenta un fotobiorreactor consistente en una cámara
de cultivo con cámaras rectangulares transparentes en su interior, a
través de las cuales penetra la luz y se redistribuye y dispersa a
través de sus paredes. Sin embargo, este fotobiorreactor presenta
alguna limitación como la incorrecta distribución de la luz
ocasionada por la forma de las cámaras y la dificultad de captar la
luz solar.
Además del coste debido a la energía de
iluminación, otros costes de mantenimiento han de tenerse en cuenta,
como la limpieza y la extracción de oxígeno cuando se trata de
sistemas cerrados en los que el intercambio de gases con el exterior
no existe o es muy bajo. Además muchos de los sistemas conocidos y
empleados en la actualidad necesitan grandes superficies de suelo
para su implantación, lo que encarece el proceso.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención trata de resolver los
inconvenientes mencionados anteriormente mediante un fotobiorreactor
que mejora la eficiencia de los actuales sistemas de cultivo.
Concretamente, en un primer aspecto de la
presente invención, se proporciona un fotobiorreactor para el
cultivo de organismos fotótrofos, que comprende un depósito que a su
vez comprende un medio de cultivo y biomasa. En el interior de dicho
depósito entran en contacto el medio de cultivo, la biomasa y la
radiación luminosa. El fotobiorreactor comprende además al menos una
estructura cónica o troncocónica transparente o translúcida situada
total o parcialmente en el interior del depósito, a través de la
cual o las cuales la radiación luminosa penetra en el depósito.
En una posible realización, la radiación
luminosa es luz solar, comprendiendo el fotobiorreactor un sistema
de orientación configurado para orientar la al menos una estructura
cónica o troncocónica hacia la dirección de la radiación luminosa
solar incidente.
\newpage
En otra posible realización, la radiación
luminosa es luz artificial, comprendiendo el fotobiorreactor una
fuente de luz artificial situada sobre el fotobiorreactor o situada
en el interior de la al menos una estructura cónica o
troncocónica.
troncocónica.
Preferentemente, la base mayor de la al menos
una estructura cónica o troncocónica se sitúa a una altura por
encima del nivel máximo del medio de cultivo comprendido en el
depósito. De esta forma, por un lado se evita que se produzcan
salpicaduras de agua en la base del cono o tronco de cono y, por
otra parte, permite el giro de las estructuras sin que éstas entren
en contacto.
Preferentemente, la estructura cónica o
troncocónica está fabricada en un material plástico transparente o
translúcido. Además, este material plástico transparente o
translúcido puede incluir al menos una sustancia capaz de desplazar
la longitud de onda de la radiación recibida. Este plástico puede
envolver la totalidad de la estructura cónica, o bien puede cubrir
sólo la superficie lateral, estando descubiertas por la base. En
este caso, preferentemente se protege el fotobiorreactor bajo una
cubierta plástica transparente o translúcida, para evitar el
ensuciamiento y el efecto de la lluvia.
Preferentemente, el fotobiorreactor comprende
además un sistema de inyección y difusión de aire que proporciona
turbulencia al fluido compuesto por el medio de cultivo, y además
puede estar enriquecido en CO_{2}, de modo que supone un aporte
adicional de carbono.
Preferentemente, el fotobiorreactor comprende
además un sistema para la separación y extracción de biomasa. Este
sistema puede ser externo al fotobiorreactor o estar integrado en el
mismo fotobiorreactor. Cuando el sistema está incorporado en el
propio fotobiorreactor, puede implementarse de varias formas. En una
posible implementación, el sistema para la separación y extracción
de biomasa se basa en la inclinación de las paredes del depósito,
para favorecer la concentración de biomasa en el fondo del depósito.
Alternativamente, el fotobiorreactor comprende un sistema de
extracción de la materia flotante en la superficie, mediante un
sistema de engranaje y cintas transportadoras que arrastran los
sólidos flotantes hacia un determinado lado del fotobiorreactor.
Preferentemente, el fotobiorreactor comprende
además un sistema de aporte de nutrientes y un sistema de aporte de
agua.
Los organismos fotógrafos son preferentemente
microalgas.
Las ventajas de la invención se harán evidentes
en la descripción siguiente.
\vskip1.000000\baselineskip
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de
las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica del mismo, y para complementar
esta descripción, se acompaña como parte integrante de la misma, un
juego de dibujos, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo. En
estos dibujos:
La figura 1 muestra un esquema de una unidad
elemental de fotobiorreactor según una realización de la presente
invención.
La figura 2 muestra un esquema de un
fotobiorreactor de acuerdo con una realización de la presente
invención, en la que las estructuras cónicas permanecen en posición
vertical.
La figura 3 muestra un esquema de un
fotobiorreactor de acuerdo con una realización de la presente
invención, en la que las estructuras cónicas permanecen en posición
inclinada.
La figura 4 muestra un ejemplo de
fotobiorreactor con separación de biomasa en un sistema de
separación sólido-líquido externo, de acuerdo con
una realización de la invención.
La figura 5 muestra otro ejemplo de
fotobiorreactor con sistema de separación de biomasa mediante
concentración de sólidos en el propio fotobiorreactor, de acuerdo
con una realización de la invención.
La figura 6 muestra otro ejemplo de
fotobiorreactor con sistema de separación de biomasa mediante
flotación y concentración de sólidos en un extremo del propio
fotobiorreactor, de acuerdo con una realización de la inven-
ción.
ción.
\vskip1.000000\baselineskip
En este texto, el término "comprende" y sus
variantes no deben entenderse en un sentido excluyente, es decir,
estos términos no pretenden excluir otras características técnicas,
aditivos, componentes o pasos.
\newpage
Además, los términos "aproximadamente",
"sustancialmente", "alrededor de", "unos", etc. deben
entenderse como indicando valores próximos a los que dichos términos
acompañen, ya que por errores de cálculo o de medida, resulte
imposible conseguir esos valores con total exactitud.
Las siguientes realizaciones preferidas se
proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean
limitativas de la presente invención. Además, la presente invención
cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares
y preferidas aquí indicadas. 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.
En este texto, el término "profundo", se
refiere a la altura de agua que alcanza el reactor en el plano
perpendicular a la superficie de suelo ocupada, en comparación con
la que se alcanza en fotobiorreactores convencionales.
Para lograr una buena productividad de biomasa
en un cultivo es necesario optimizar una serie de factores
ambientales. Algunos de ellos son relativamente fáciles de
controlar, como la temperatura y los nutrientes, pero no ocurre lo
mismo con el suministro de luz, el cual es uno de los más difíciles
de controlar. Desde este punto de vista, los fotobiorreactores
iluminados internamente suponen una interesante alternativa, ya que
de un lado recogen características de los sistemas abiertos, como su
sencillez de construcción, y de otro lado permiten un cierto control
de las condiciones, como ocurre en los fotobiorreactores cerrados.
Por otra parte, conseguir llevar la luz a mayores profundidades de
lo que se ha conseguido hasta la actualidad, permite aumentar el
calado del reactor, disminuyendo al mismo tiempo la superficie de
suelo ocupada para obtener un mismo volumen de cultivo.
En este texto, se describe un fotobiorreactor
que comprende un depósito, contenedor o tanque profundo con
penetración de luz a través de un conjunto de estructuras cónicas
invertidas transparentes. Dichas estructuras se encuentran
dispuestas de tal modo que su base queda en la superficie y su
vértice sumergido en el agua. Por simplicidad, a lo largo de este
texto en ocasiones el "fotobiorreactor" es denominado
"reactor", debiendo entenderse que ambos términos se refieren
al mismo concepto.
El fotobiorreactor que se describe permite el
cultivo de organismos fotótrofos y, en particular, microalgas.
Ejemplos no limitativos de microalgas que pueden producirse con este
reactor son Chlorella vulgaris, Isochrysis galbana, Pavlova
lutheri, etc.
La figura 1 muestra una estructura cónica 11,
que representa una unidad elemental del fotobiorreactor. En
concreto, la estructura cónica está albergada en un cilindro
ficticio, que es una unidad de volumen del fotobiorreactor. Dicho de
otra forma, el fotobiorreactor comprende una serie de unidades
básicas, cada una de las cuales formada por un cilindro ficticio 16
que alberga un cono invertido 11 cuya base 110 coincide con la base
superior del cilindro 16. Cada estructura cónica 11 puede estar
formada por un cono o, alternativamente, puede tratarse de un cono
truncado, que termina en una pequeña base paralela a la base mayor.
Es decir, la estructura es cónica o troncocónica. La disposición de
estas unidades cilíndricas ficticias se optimiza en función de las
características intrínsecas de la especie a cultivar y del sistema
de iluminación elegido, y en caso de ser luz natural, se optimiza
para cada lugar de implantación del fotobiorreactor, pudiendo
encontrarse alineados, al tresbolillo, etc. El depósito, contenedor
o tanque 15 comprende un medio de cultivo.
La estructura cónica 11 está fabricada en un
material que permita pasar la radiación luminosa. El material es
transparente o translúcido, preferentemente un plástico transparente
o translúcido con una alta transmisividad de la luz visible.
Opcionalmente, el material del que se fabrica la estructura cónica
11 puede comprender sustancias, por ejemplo fluorescentes, capaces
de absorber las longitudes de onda menos efectivas para la
fotosíntesis y devolver la luz con longitudes de onda más
aprovechables. Ejemplos no limitativos de materiales que pueden
usarse para fabricar la estructura cónica 11 son: polietileno de
baja densidad (LDPE) y copolímero de etileno y acetato de vinilo
(EVA). Ejemplos no limitativos de sustancias que pueden añadirse al
material plástico para fabricar la estructura cónica 11 son
compuestos de metales de transición. Alternativamente la estructura
cónica puede carecer de base, en cuyo caso el conjunto del
fotobiorreactor es cubierto por una superficie plástica transparente
a modo de techo. Ejemplos no limitativos de materiales que pueden
usarse para fabricar la superficie plástica son: polietileno de baja
densidad (LDPE) y copolímero de etileno y acetato de vinilo
(EVA).
El espacio comprendido entre los límites del
cilindro 16 y las paredes de las estructuras cónicas 11 contiene el
medio de cultivo, que a su vez incorpora los nutrientes necesarios
para el desarrollo de la biomasa a cultivar. Es decir, el medio de
cultivo es una solución acuosa con dichos nutrientes. La superficie
iluminada está conformada por el cuerpo de la estructura cónica 11,
la cual recibe la luz ya sea solar, compuesta por radiación directa
12, difusa 13 y/o reflejada 14 por el propio cono 11, o sea
artificial. Esta luz es transferida al interior del cultivo tras
atravesar el material del cono 11. Una vez en el medio de cultivo,
la luz es captada por las células y es utilizada en el proceso de la
fotosíntesis, en el cual, los organismos utilizan CO_{2}, agua y
luz para, junto con los nutrientes aportados, producir biomasa.
Gracias a esta estructura, el fotobiorreactor
presenta una disminución de la relación superficie
ocupada-volumen de cultivo con respecto de las
geometrías de reactor conocidas y previamente mencionadas. Esto se
consigue gracias al reparto de la luz incidente sobre la base mayor
de las estructuras cónicas, en una superficie mayor (la
correspondiente al cuerpo de estas estructuras). Como consecuencia
es posible ampliar el calado de depósito, y con ello el volumen de
cultivo, manteniendo el área superficial.
La base 110 del cono 11 se sitúa a una altura
por encima de la lámina de agua que viene determinada por el
resguardo mínimo necesario por la turbulencia del medio líquido y el
resguardo necesario para evitar que la base se sumerja en el medio
de cultivo cuando las estructuras cónicas sean inclinadas para
orientarse en el sentido de la radiación solar directa. La
estructura cónica o troncocónica 11 puede estar abierta en su base
superior o estar cerrada. En el caso de que esté abierta,
preferentemente se protege por una superficie plástica transparente
o translúcida a una altura determinada por encima del propio
fotobiorreactor.
El fotobiorreactor puede ser utilizado tanto con
luz solar como artificial. Cuando el fotobiorreactor utiliza luz
artificial, éste permanece estático y con las estructuras cónicas en
posición vertical, como ilustra la figura 2. En este caso, recibe la
iluminación bien desde una parrilla superior, no ilustrada en la
figura 2, o bien desde el interior de las estructuras cónicas
transparentes 21. Como muestra la figura 2, los conos 21 se sumergen
en una cámara de reacción 25 que contiene el medio de cultivo. Como
se ha indicado, la base del cono 21 se sitúa a una altura por encima
del resguardo mínimo necesario 29 por la turbulencia del medio
líquido. Las estructuras cónicas 21 sumergidas en el tanque se
apoyan en una estructura portante móvil 221, cuyos detalles
estructurales quedan fuera del alcance de esta invención.
El dióxido de carbono, necesario para el
crecimiento de los organismos fotótrofos, puede ser aportado por
diversos métodos: mediante difusión desde el aire atmosférico,
mediante la inyección en el fotobiorreactor de una corriente de
aire, o de aire enriquecido en CO_{2}, o mediante la utilización
simultánea de estos dos métodos. La decisión entre una corriente de
aire enriquecida o no en CO_{2} está vinculada a los requisitos
metabólicos de la especie a cultivar y a la finalidad del cultivo.
Para esta inyección de aire o de aire enriquecido con CO_{2}, el
fotobiorreactor dispone de un sistema de inyección de aire mediante
difusores 28 ubicados en el fondo del fotobiorreactor. Estos
difusores inyectan el aire en el medio de cultivo mediante la
difusión de burbujas que se desplazan ascendentemente en el interior
del fotobiorreactor. La aireación, además de proporcionar el carbono
necesario para el crecimiento de las microalgas, favorece la mezcla
y agitación del cultivo, permitiendo una correcta homogeneización de
todo el contenido del fotobiorreactor. En caso de ser necesario, se
pueden disponer agitadores 220 sumergidos en el interior del
fotobiorreactor para aumentar la intensidad de la mezcla. Estos
agitadores, a través del movimiento circular de sus aspas,
transmiten una turbulencia al medio de cultivo líquido, evitando que
la biomasa en suspensión se deposite y favoreciendo el paso de la
misma de unas zonas a otras del fotobiorreactor caracterizadas por
sus diferentes condiciones de iluminación.
Cuando se utiliza luz natural las estructuras
cónicas 31 se orientan en la dirección solar incidente 32
(implementación de la figura 3). Para ello el fotobiorreactor
dispone de un sistema de seguimiento solar, no ilustrado en la
figura 3, que hace que las estructuras de penetración de luz (es
decir, las estructuras cónicas 31) se inclinen con un ángulo
dependiente de la altura solar en cada momento. De este modo, la
intensidad lumínica aportada al cultivo de microalgas es tal que
permite una máxima productividad evitando en todo lo posible los
procesos de fotolimitación y fotoinhibición. Las estructuras cónicas
31 sumergidas en el tanque se apoyan en una estructura portante
móvil 331, cuyos detalles estructurales quedan fuera del alcance de
esta invención.
Además, cuando el fotobiorreactor se construye
para ser utilizado con luz solar, como el de la figura 3, debe
tenerse en cuenta un resguardo adicional al necesario 39 por la
turbulencia del medio acuoso. En este caso además hay que tener en
cuenta el resguardo necesario 332 para evitar la inmersión de la
base superior del cono 31 en el agua cuando la estructura es
inclinada con el máximo ángulo. El ángulo de inclinación del eje de
revolución del cono coincide con el ángulo de la altura solar en
cada momento, que a su vez depende de la hora del día, del momento
del año y de la latitud en la que se sitúe el fotobiorreactor. A su
vez, la altura del resguardo total (la suma del resguardo mínimo
necesario por turbulencia 39 más el resguardo mínimo necesario para
evitar la inmersión por la inclinación del cono 332) determina la
distancia mínima necesaria entre los conos adyacentes para que al
ser inclinados no entren en contacto.
Cuando el cono recibe la radiación solar, la
energía directa recibida sobre su cara interior es homogénea en toda
su superficie y es igual a la irradiación por unidad de superficie
terrestre para el lugar geográfico en el que esté situado el
reactor. La energía recibida por unidad de superficie depende de la
inclinación de la cara lateral del cono 31, por lo tanto se puede
ajustar la cantidad de energía que pasa al medio de cultivo según
sean las necesidades de las especies a cultivar. La energía directa
recibida en la superficie del cono 31, no es transmitida por
completo al interior del cultivo, sino que parte de la radiación es
reflejada en mayor o menor proporción en función del ángulo de
incidencia y del coeficiente de refracción del material con el que
está fabricado el cono 31. La energía incidente 32, se refleja de
forma mixta, es decir, una parte se refleja de forma especular (con
el mismo ángulo con respecto a la normal que la radiación incidente)
y otra parte se refleja de forma difusa (los ángulos de los haces
reflejados se distribuyen de forma aleatoria). La parte que se
refleja en forma de radiación especular determina diferentes zonas
con pequeñas diferencias de iluminación. Debido a la forma y
disposición de los conos 31, la mayor parte de la energía reflejada
está dirigida hacia el fondo del cultivo, por lo que se minimizan
las pérdidas de luz por reflexión en la superficie.
Como en el caso del fotobiorreactor iluminado
por luz artificial, el iluminado por luz natural también recibe
preferentemente un aporte de dióxido de carbono, bien mediante la
inyección de una corriente de aire, o bien de aire enriquecido en
dióxido de carbono, gracias a un sistema de inyección de aire
mediante difusores 38 ubicados en el fondo del fotobiorreactor.
También como en el caso del fotobiorreactor iluminado por luz
artificial, el iluminado por luz natural puede disponer de
agitadores 320 sumergidos en el interior del fotobiorreactor para
aumentar la intensidad de la mezcla.
\newpage
La figura 4 muestra una posible implementación
del fotobiorreactor objeto de la presente invención, que incluye un
sistema externo para la separación sólido-líquido,
es decir, para la separación biomasa-agua, lo cual
permite la extracción de la biomasa. Este sistema puede aplicarse
tanto a fotobiorreactores que reciben luz natural como artificial.
El sistema para la separación sólido-líquido de la
figura 4 se implementa mediante una unidad externa al
fotobiorreactor 440, que mediante métodos como decantación,
flotación, centrifugación, filtración u otros, permite extraer 445
la biomasa de microalgas. En ese caso, el efluente líquido de la
unidad de separación sólido líquido 440 se devuelve a través de una
conducción 445 al fotobiorreactor, pudiendo aportar en dicha
corriente los nutrientes necesarios para el desarrollo celular y el
agua, en caso de ser necesaria. Además se realiza un aporte externo
de agua 442 y nutrientes 443 que, de manera alternativa, se puede
realizar mediante un sistema de dosificación directa al
fotobiorreactor. La implementación de la figura 4 muestra también la
conducción de entrada de aire o aire enriquecido en CO_{2} 444 y
el sistema de inyección del mismo 48.
Como alternativa a la separación
sólido-líquido externa, el fotobiorreactor puede
integrar el separador sólido-líquido en el interior
del reactor, mediante paredes inclinadas en el fondo del
fotobiorreactor para concentrar los sólidos, o mediante un sistema
de barrido y recogida en la superficie del mismo, o ambos.
La figura 5 ilustra una implementación de
fotobiorreactor que integra el separador
sólido-líquido en el interior del reactor. Como
puede observarse, el separador sólido-líquido se
implementa mediante paredes inclinadas 550 en el fondo del
fotobiorreactor, para favorecer la concentración de sólidos en el
fondo. El fundamento para la separación consiste en la decantación
de la biomasa de microalgas. Por efecto de la fuerza de la gravedad
todas aquellas partículas más densas que el agua sedimentan hacia el
fondo del fotobiorreactor, donde las paredes inclinadas favorecen su
concentración. El sistema de extracción de biomasa 560 permite
retirar la biomasa decantada en el fotobiorreactor. Para ello, en el
extremo inferior de la zona de concentración de sólidos con paredes
inclinadas se dispone una conducción para la extracción de la
biomasa bien por gravedad o bien de manera forzada mediante el
funcionamiento de una bomba. Los difusores de aire 520, en caso de
que los haya, deben colocarse a una determinada altura permitiendo
albergar por debajo de los mismos la zona de concentración de
sólidos con paredes inclinadas 550 sin influencia de la aireación.
La implementación de la figura 5 muestra también la entrada de aire
o aire enriquecido en CO_{2} 544 y el sistema de inyección del
mismo 58.
La figura 6 ilustra una implementación de
fotobiorreactor con sistema de extracción de biomasa mediante
barrido y recogida superficial de sólidos flotantes en el propio
fotobiorreactor. En caso de barrido y recogida superficial el
fenómeno aprovechado es la flotación, característico de la biomasa
ligera (menos densa que el agua) y favorecido por la inyección de
aire, mostrado mediante la entrada de aire o aire enriquecido en
CO_{2} 644 y el sistema de inyección del mismo 68. El sistema de
barrido y recogida superficial se coloca en una zona de
tranquilización, es decir, una zona sin estructuras cónicas y no
afectada por la turbulencia causada por la difusión y la agitación.
Para el barrido de biomasa flotante se dispone un tren de
estructuras planas barredoras suspendidas de un sistema de cadenas y
poleas, de material metálico o plástico, que avanzan por la
superficie de agua en el fotobiorreactor, parcialmente sumergidas.
De esta manera se produce el transporte de la biomasa flotante hacia
una zona donde se ubica una tolva de recogida. Las estructuras
barredoras introducen la biomasa flotante en dicha tolva mediante su
movimiento de traslación. El sistema de cadenas y poleas accionado
por un motor permite el retorno de las estructuras barredoras a su
posición inicial por el exterior del agua. Alternativamente se
pueden utilizar otros sistemas que cumplan la misma función.
Adicionalmente, en la implementación de la figura 6 se muestra el
fotobiorreactor con sistema de extracción de flotantes 661 y con
sistema de extracción de biomasa 660 desde una zona de concentración
de sólidos 650 en el fondo del reactor. El funcionamiento de este
sistema de extracción y de la zona de concentración es el explicado
anteriormente, y puede ser utilizado en combinación con el sistema
de extracción de flotantes.
Aunque en las implementaciones de las figuras 4,
5 y 6 las estructuras cónicas 41 51 61 se han dispuesto en vertical,
como corresponde a un fotobiorreactor alimentado con luz artificial,
esto debe considerarse ilustrativo, de forma que los sistemas de
separación de biomasa explicados de acuerdo a esas figuras pueden
igualmente usarse en fotobiorreactor alimentados con luz
natural.
A continuación se proporciona un ejemplo
concreto de implementación del fotobiorreactor descrito en este
texto. Para analizar la viabilidad del fotobiorreactor, se ha
realizado un modelo y se ha aplicado al reactor de la invención y a
un reactor consistente en un tanque abierto convencional cuya
superficie de ocupación de suelo es exactamente la misma que la del
primero. Esta superficie de ocupación corresponde a un círculo cuyo
radio es igual al radio de un cono más el radio necesario para
poderse inclinar hasta un cierto ángulo sin entrar en contacto con
los conos adyacentes. Las hipótesis que se han asumido en la
aplicación del modelo son:
- \bullet
- La actividad fotosintética depende de la densidad de flujo de fotones en cada punto.
- \bullet
- Se asume que cualquier intensidad de luz por encima de la intensidad de saturación produce la actividad fotosintética máxima, ya que no se alcanzan valores tan elevados como para que se produjera fotoinhibición.
- \bullet
- El espectro de radiación utilizado por las microalgas para su crecimiento y mantenimiento celular es el comprendido entre 400 y 700 nm.
- \bullet
- La intensidad en cualquier punto del cultivo es función de la radiación total incidente en la superficie del cultivo, de las propiedades ópticas del cultivo y de la distancia del punto a la superficie.
- \bullet
- Se supone una composición celular representada por C_{5}H_{7}NO_{2}.
- \bullet
- Sólo existe producción durante las horas de insolación.
- \bullet
- De la biomasa producida durante el proceso de la fotosíntesis, se considera que el 40% es utilizado en el mantenimiento celular, mientras que el 60% es lo que se emplea en producir nueva biomasa.
\vskip1.000000\baselineskip
Los datos y parámetros de partida del modelo son
los siguientes:
Datos y parámetros de la cinética de
actividad fotosintética:
Especie de microalga: Chlorella
vulgaris
Actividad fotosintética máxima: 140 gO_{2}
kg^{-1} h^{-1}
Tasa de respiración: 4 gO_{2} kg^{-1}
h^{-1}
Constante de semisaturación: 50 \mumol de
fotones m^{-2} s^{-1}
\vskip1.000000\baselineskip
Parámetros ópticos:
Coeficiente de extinción de la luz: 125 m^{2}
kg^{-1}
Índice de refracción del aire: 1,00
Índice de refracción del agua: 1,33
Índice de refracción del plástico: 1,50
Factor especular: 0,40
\vskip1.000000\baselineskip
Parámetros físicos:
Diámetro de la base del cono: 0,20 m
Diámetro de la superficie de ocupación del
fotorreactor: 0,54 m
Altura del cono: 1,09 m
Calado del reactor: 1,29 m
Inclinación de la cara lateral del cono: 5º
Ángulo de inclinación máximo del cono: 24º
\vskip1.000000\baselineskip
Datos geográficos y de irradiación de la
ubicación del fotobiorreactor:
Ciudad: Santander
Latitud: 43,5º
Intensidad de radiación horaria media anual:
3970 Wh m^{-2}
Tiempo de insolación diario medio anual: 9 h
Ratio radiación difusa/radiación global: 0,5
\newpage
A continuación se muestra una tabla comparativa
de los resultados obtenidos:
Como puede observarse, los resultados obtenidos
con el fotobiorreactor de la invención son considerablemente
superiores al caso del reactor convencional con configuración de
tanque abierto, pudiendo destacarse como principal ventaja la
distribución de la luz en la superficie del reactor. Los
fotobiorreactores convencionales expuestos a la luz solar, reciben
un exceso de energía en su capa superficial, atenuándose a medida
que penetra hacia el interior. Con el fotobiorreactor de la
invención se aprovecha el exceso de energía al hacerla incidir sobre
una superficie mayor de la que se tendría si no estuvieran las
estructuras cónicas. La penetración de dichas estructuras hacia el
fondo del depósito hace que se pueda aumentar el calado del mismo, y
con ello se consigue un aumento de volumen respecto a un
fotobiorreactor que no tiene estas estructuras.
Los resultados muestran un aumento de 2.29 veces
en la superficie iluminada respecto al fotobiorreactor convencional.
Además se consigue aumentar el volumen de cultivo en 4.91 veces, lo
que supone un aumento de la producción de biomasa de 2.36 veces, ya
que el volumen de cultivo en el reactor de la invención tiene
características más aptas para el crecimiento de biomasa que en el
reactor convencional. Esto se debe a que en un tanque abierto sin
estructuras cónicas la capa iluminada se ve reducida por la
atenuación de la luz al atravesar el cultivo. Para lograr una mayor
penetración existe la posibilidad de reducir la concentración
celular de trabajo, pero esto también redunda en una menor
producción. El fotobiorreactor de la invención tiene una mayor
proporción de volumen iluminado respecto al fotobiorreactor con el
que se compara. Además, como la luz no tiene que recorrer
trayectorias tan grandes como en el caso del fotobiorreactor
convencional, es posible trabajar con concentraciones celulares
mayores. Estos dos factores son los que hacen que el aumento de
volumen no sea proporcional al aumento de producción de biomasa, y
que además se pueda conseguir con la misma ocupación de suelo que en
el reactor con configuración en tanque abierto.
En resumen, se ha presentado un fotobiorreactor
que ofrece un aprovechamiento óptimo de la superficie ocupada y de
la energía lumínica irradiada sobre el mismo. Entre la amplia lista
de posibles aplicaciones de este fotobiorreactor, citamos a modo de
ejemplo la producción de biomasa de microalgas para la obtención de
diversos productos con interés en diferentes sectores de la
industria. Algunos de los productos que pueden ser obtenidos son
ácidos grasos, proteínas, pigmentos, etc; los cuales tienen interés
en industrias como la alimentaria, la energética o la
farmacéutica.
Claims (14)
1. Un fotobiorreactor para el cultivo de
organismos fotótrofos, que comprende un depósito (15, 25, 35, 45,
55, 65) que a su vez comprende un medio de cultivo y biomasa en el
interior de dicho depósito y en contacto con dicho medio de
cultivo,
caracterizado por que dicho depósito (15,
25, 35, 45, 55, 65) está diseñado para albergar una pluralidad de
estructuras, y donde dicho depósito (15, 25, 35, 45, 55, 65)
comprende además al menos una estructura cónica o troncocónica,
donde dicha al menos una estructura cónica o troncocónica es una
pieza independiente de dicho depósito (15, 25, 35, 45, 55, 65),
transparente o translúcida (11, 21, 31, 41, 51, 61), sumergida
parcialmente en el interior de dicho depósito (15, 25, 35, 45, 55,
65), mediante la cual o las cuales una radiación luminosa penetra en
dicho depósito y es propagada a dicho medio de cultivo a través de
la superficie lateral de dicha estructura (11, 21, 31, 41, 51, 61),
estando la base si se trata de una estructura cónica (11, 21, 31,
41, 51, 61)o su base mayor si se trata de una estructura
troncocónica (11, 21, 31, 41, 51, 61) situada en la parte superior
del depósito (15, 25, 35, 45, 55, 65) a una altura superior al nivel
máximo (27, 37, 47, 57, 67) del medio de cultivo comprendido en el
depósito (15, 25, 35, 45, 55, 65), encontrándose la parte de dicha
al menos una estructura cónica o troncocónica (11, 21, 31, 41, 51,
61) que está sumergida en el interior de dicho depósito (15, 25, 35,
45, 55, 65) rodeada en su exterior por dicho medio de cultivo.
\vskip1.000000\baselineskip
2. El fotobiorreactor de la reivindicación 1,
donde dicha radiación luminosa es luz solar, comprendiendo dicho
fotobiorreactor un sistema de orientación configurado para orientar
dicha al menos una estructura cónica o troncocónica (31) hacia la
dirección de dicha radiación luminosa solar incidente.
3. El fotobiorreactor de la reivindicación 1,
donde dicha radiación luminosa es luz artificial, comprendiendo
dicho fotobiorreactor una fuente de luz artificial situada sobre
dicho fotobiorreactor o situada en el interior de dicha al menos una
estructura cónica o troncocónica (21).
4. El fotobiorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, donde dicha estructura cónica o
troncocónica (11, 21, 31, 41, 51, 61) está fabricada en un material
plástico transparente o translúcido.
5. El fotobiorreactor de la reivindicación 4,
donde dicho material plástico transparente o translúcido comprende
al menos una sustancia capaz de desplazar la longitud de onda de la
radiación recibida.
6. El fotobiorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, donde la estructura cónica o
troncocónica (11, 21, 31, 41, 51, 61) tiene su base mayor abierta y
se halla protegido por una superficie plástica transparente o
translúcida a un altura determinada por encima del propio
fotobiorreactor.
7. El fotobiorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende además un sistema de
inyección y difusión de aire (28, 38, 48, 58, 68) que proporciona un
aporte adicional de carbono.
8. El fotobiorreactor de la reivindicación 7,
donde dicho sistema de inyección y difusión de aire (28, 38, 48, 58,
68) proporciona aire enriquecido en CO_{2}.
9. El fotobiorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende además un sistema para la
separación de biomasa de un organismo fotótrofo y líquido que
comprende un dispositivo (440) externo al fotobiorreactor,
configurado para extraer (445) la biomasa y para recircular (444) el
líquido hacia el depósito (45).
10. El fotobiorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones 1-8, que comprende además un
sistema para la separación de biomasa y líquido, integrado en el
propio fotobiorreactor.
11. El fotobiorreactor de la reivindicación 10,
donde dicho sistema para la separación de biomasa y líquido,
integrado en el propio fotobiorreactor, se basa en la inclinación de
las paredes (550) del depósito, para favorecer la concentración de
dicha biomasa en el fondo del depósito.
12. El fotobiorreactor de la reivindicación 10,
donde dicho sistema para la separación de biomasa y líquido,
integrado en el propio fotobiorreactor, comprende al menos un
dispositivo (660) extractor de materia flotante en la
superficie.
13. El fotobiorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende además un sistema de
aporte de nutrientes (443, 543, 643) y un sistema de aporte de agua
(442, 542, 642).
14. El fotobiorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, donde dichos organismos fotótrofos son
microalgas.
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| ES201001463A ES2356653B8 (es) | 2010-11-11 | 2010-11-11 | Fotobiorreactor para el cultivo de organismos fotótrofos. |
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| ES201001463A ES2356653B8 (es) | 2010-11-11 | 2010-11-11 | Fotobiorreactor para el cultivo de organismos fotótrofos. |
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