ES2387174B1 - CELL CULTURE SYSTEM FOR THE PRODUCTION OF PHOTOSYNTHETIC MICROORGANISMS - Google Patents
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Abstract
Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos.#El sistema constituye lo que es un fotobiorreactor panelar, que comprende una pluralidad de módulos o cámaras de cultivo (1) dispuestas en serie, ampliando así el volumen y comprendiendo también medios de agitación por microburbujas en cada cámara de cultivo (1). También comprende paneles de luces (8) insertables/intercalables, así como medios de control de temperatura y puertos para la entrada de nutrientes y salida de cultivo, así como para la medida y control de los principales parámetros físico-químicos involucrados en el crecimiento del microorganismo y por lo tanto en la evolución del cultivo.Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms. # The system constitutes what is a panelar photobioreactor, comprising a plurality of modules or culture chambers (1) arranged in series, thus expanding the volume and also comprising agitation means by microbubbles in each culture chamber (1). It also includes panels of lights (8) insertable / intercalable, as well as temperature control means and ports for the entry of nutrients and crop output, as well as for the measurement and control of the main physical-chemical parameters involved in the growth of the microorganism and therefore in the evolution of the crop.
Description
- SISTEMA DE CULTIVO CELULAR PARA LA PRODUCCIÓN DE MICROORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS CELL CULTURE SYSTEM FOR THE PRODUCTION OF PHOTOSYNTHETIC MICROORGANISMS
- 5 5
- OBJETO DE LA INVENCIÓN OBJECT OF THE INVENTION
- 1 O 15 20 1 or 15 20
- La presente invención se refiere a un sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, constituyendo lo que se conoce como un fotobiorreactor panelar de lecho fluidizado, basándose en incorporar una serie de módulos materializados en cámaras de cultivo dispuestas en serie, cuyo volumen es ampliable, contando cada módulo o cámara con medios de agitación por micro burbujas. El sistema se enmarca dentro del ámbito de la biotecnología y la ingeniería química y de bioprocesos, y tiene por objeto minimizar la superficie de cultivo con el consiguiente ahorro de terreno necesario, en base a la modularidad del sistema que hace posible acoplar en serie distintos módulos de cultivo, escalando el volumen de cultivo hasta el volumen deseado. The present invention relates to a cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, constituting what is known as a paneled fluidized bed photobioreactor, based on incorporating a series of modules materialized in culture chambers arranged in series, whose volume is expandable, counting each module or chamber with micro bubble agitation means. The system is part of the field of biotechnology and chemical and bioprocess engineering, and aims to minimize the cultivation area with the consequent saving of necessary land, based on the modularity of the system that makes it possible to serially attach different modules of culture, scaling the volume of culture to the desired volume.
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- ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los fotobiorreactores son dispositivos para el cultivo de microorganismos fotosintéticos como microalgas, cianobacterias o bacterias fotosintéticas, en los que es posible el crecimiento y multiplicación del BACKGROUND OF THE INVENTION Photobioreactors are devices for the cultivation of photosynthetic microorganisms such as microalgae, cyanobacteria or photosynthetic bacteria, in which the growth and multiplication of the
- número de células, favoreciéndose la producción de biomasa y/o de number of cells, favoring the production of biomass and / or
- diferentes metabolitos de interés. Están constituidos básicamente por un Different metabolites of interest. They consist basically of a
- recipiente de cultivo expuesto a una fuente de luz, al que se le suministran los culture vessel exposed to a light source, which is supplied with
- nutrientes necesarios para el óptimo crecimiento del cultivo y/o la producción nutrients necessary for optimal crop growth and / or production
- 5 5
- de metabolitos. of metabolites
- Se han empleado hasta ahora múltiples diseños de So far, multiple designs of
- fotobiorreactores para el cultivo de organismos fotoautotróficos, que han photobioreactors for the cultivation of photoautotrophic organisms, which have
- permitido el cultivo intensivo de los mismos. Básicamente pueden allowed intensive cultivation thereof. Can basically
- 1 O 1 o
- distinguirse dos tipos de sistemas o diseños básicos para la producción de distinguish two types of basic systems or designs for the production of
- microorganismos fotoautotróficos; los sistemas abiertos, en los que el cultivo photoautotrophic microorganisms; open systems, in which cultivation
- está en contacto con la atmósfera, y los sistemas cerrados, comúnmente is in contact with the atmosphere, and closed systems, commonly
- llamados fotobiorreactores, en los que el cultivo tiene poco o ningún contacto called photobioreactors, in which the crop has little or no contact
- con la atmósfera. with the atmosphere
- 15 fifteen
- Los pnmeros son los más simples desde el punto de vista The pnmeros are the simplest from the point of view
- tecnológico y, tal vez por ello, han sido tradicionalmente los más empleados. Technological and, perhaps for this reason, have traditionally been the most used.
- La mayoría de estos sistemas son del tipo carrusel o raceway, que permiten Most of these systems are of the carousel or raceway type, which allow
- alcanzar densidades celulares en torno a lg de células (peso seco) por litro. reach cell densities around lg of cells (dry weight) per liter.
- 20 twenty
- Estos sistemas están constituidos por canales poco profundos (nivel de agua These systems are made up of shallow channels (water level
- de 15-20cm) en forma de circuito cerrado, en los que el medio de cultivo es 15-20cm) in the form of a closed circuit, in which the culture medium is
- impulsado mediante paletas rotatorias. Aunque tienen la ventaja del bajo driven by rotating vanes. Although they have the advantage of bass
- coste de operación, requieren de grandes áreas de terreno, alcanzan bajas operating cost, require large areas of land, reach low
- productividades, tienen un elevado consumo de C02, los cultivos sufren con Productivities, have a high consumption of C02, crops suffer with
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- frecuencia contaminación, la recuperación del producto a partir de los medios Pollution frequency, product recovery from the media
- diluidos que se alcanzan es costosa, y es difícil controlar variables diluted that are reached is expensive, and it is difficult to control variables
- ambientales como la temperatura. Environmental as temperature.
Estos inconvenientes de los sistemas abiertos han estimulado el desarrollo de sistemas cerrados o fotobiorreactores, que tienen un mayor rendimiento en general y un control mucho más exhaustivo de todos los parámetros involucrados en el cultivo, salvando así algunos de los obstáculos que frenan en la actualidad el desarrollo de la tecnología del cultivo de microalgas en general y de su producción a escala industrial a bajo coste. These disadvantages of open systems have stimulated the development of closed systems or photobioreactors, which have a greater overall performance and a much more exhaustive control of all the parameters involved in the crop, thus saving some of the obstacles that currently curb the development of microalgae cultivation technology in general and its production on an industrial scale at low cost.
Dentro de los sistemas cerrados existen, además, variaciones de diseño fundamentalmente relacionadas con la geometría del espacio destinado a albergar el cultivo, y encaminadas en muchos casos a la mejora del aprovechamiento de la luz por parte del microorganismo. En los cultivos en los que otros factores no son limitantes, esta disponibilidad de luz, y su aprovechamiento por parte del microorganismo, determinan la actividad fotosintética y por tanto la velocidad de crecimiento y productividad del sistema. Así, y aunque existen modificaciones de cada una de las siguientes geometrías, pueden diferenciarse básicamente tres tipos de diseños: fotobiorreactores panelares, fotobiorreactores de columna de burbujeo y fotobiorreactores tubulares. Within the closed systems, there are also design variations fundamentally related to the geometry of the space destined to house the crop, and in many cases aimed at improving the use of light by the microorganism. In crops where other factors are not limiting, this availability of light, and its use by the microorganism, determine photosynthetic activity and therefore the speed of growth and productivity of the system. Thus, and although there are modifications of each of the following geometries, three types of designs can be basically distinguished: panelar photobioreactors, bubble column photobioreactors and tubular photobioreactors.
Cada uno de estos sistemas ha sido descrito en diversos documentos científicos y objeto de varias patentes. Each of these systems has been described in various scientific documents and subject to several patents.
Así, en la patente internacional WO 2004/074423-A2, se describe un reactor para el cultivo de microorganismos fotosintéticos basado en una cámara de cultivo delimitada por paredes de material transparente, contenida en una estructura metálica en forma de malla, y fluidizado por aire introducido por la parte inferior. El sistema comprende también un sistema de refrigeración mixto por serpentín y/o rociadores de agua, y la disposición de
Thus, in the international patent WO 2004/074423-A2, a reactor for the cultivation of photosynthetic microorganisms is described based on a culture chamber delimited by walls of transparent material, contained in a metal structure in the form of a mesh, and fluidized by air introduced by the bottom. The system also comprises a mixed cooling system by coil and / or water sprinklers, and the arrangement of
los sensores necesanos para la medida y regulación de los principales the necessary sensors for the measurement and regulation of the main
- parámetros físico-químicos del cultivo. physical-chemical parameters of the crop.
- La patente de Estados Unidos 4952511 describe un fotobiorreactor U.S. Patent 4952511 describes a photobioreactor
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- para el cultivo de microorganismos fotosintéticos. Este fotobiorreactor for the cultivation of photosynthetic microorganisms. This photobioreactor
- comprende un tanque, al menos una cámara de luz, que se extiende hacia it comprises a tank, at least one light chamber, which extends towards
- dentro del tanque, y al menos una lámpara de alta intensidad, cuya luz se inside the tank, and at least one high intensity lamp, whose light is
- dirige a la cámara de luz. Cada una de las cámaras de luz posee al menos una Directs to the light chamber. Each of the light cameras has at least one
- pared transparente y un dispositivo para la distribución esencialmente transparent wall and a device for essentially distribution
- 1 O 1 o
- uniforme de la luz de la lámpara sobre la pared transparente. Uniform lamp light on the transparent wall.
- Para el desarrollo industrial de la tecnología del cultivo de For the industrial development of the cultivation technology of
- microorganismos fotoautótrofos es necesario realizar el escalado de los photoautotrophic microorganisms it is necessary to perform the scaling of
- sistemas fotobiorreactores cerrados. Este escalado presenta aún limitaciones closed photobioreactor systems. This escalation still has limitations
- 15 fifteen
- importantes, ya que hay cuestiones clave que deben ser aún resueltas como el important, as there are key issues that must still be resolved as the
- efectivo y eficiente aprovechamiento de luz, el suministro de co2 con las effective and efficient use of light, the supply of co2 with the
- menores pérdidas posibles, o la eliminación del oxígeno generado durante la lowest possible losses, or the elimination of oxygen generated during the
- fotosíntesis, cuya acumulación puede inhibir el metabolismo y producir photosynthesis, whose accumulation can inhibit metabolism and produce
- daños en el cultivo. crop damage.
- 20 twenty
- Con este propósito se han ensayado sistemas tubulares, tanto For this purpose tubular systems have been tested, both
- verticales como horizontales de columna de burbujeo o panelares. Los vertical like horizontal of column of bubbling or panelares. The
- intentos más decididos en cuanto al escalado de estos sistemas se han more determined attempts regarding the scaling of these systems have been
- producido en sistemas tubulares, considerados como los más adecuados para produced in tubular systems, considered the most suitable for
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- el cultivo comercial de microalgas a gran escala. Sin embargo, siguen Commercial cultivation of large-scale microalgae. However, they continue
- apareciendo algunos de los problemas fundamentales antes mencionados, appearing some of the fundamental problems mentioned above,
- como la acumulación de oxígeno disuelto (producto de la fotosíntesis), el such as the accumulation of dissolved oxygen (product of photosynthesis), the
- agotamiento de C02, o las variaciones de pH, que limitan la longitud de los C02 depletion, or pH variations, that limit the length of
- tubos y en consecuencia el escalado del sistema. Por tanto, los reactores tubes and consequently the scaling of the system. Therefore the reactors
- tubulares no pueden escalarse indefinidamente, y las plantas de producción a Tubular cannot be scaled indefinitely, and production plants to
- gran escala dependen en parte de multiplicar el número de unidades de large scale depend partly on multiplying the number of units of
- reactores. reactors
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- Además del escalado, otro de los problemas fundamentales a la In addition to scaling, another of the fundamental problems to the
- hora de obtener altas productividades de biomasa está relacionado con la time to obtain high biomass productivity is related to the
- óptima distribución de la luz en el interior del cultivo. Las células en un Optimum distribution of light inside the crop. Cells in a
- fotobiorreactor están expuestas a altas intensidades de luz en las photobioreactors are exposed to high light intensities in the
- 1 O 1 o
- proximidades de la pared, mientras que en las zonas centrales pueden llegar a near the wall, while in the central areas they can reach
- estar en oscuridad debido al efecto del autosombreado. Las corrientes en el being in darkness due to the effect of self-name. The currents in the
- medio líquido mueven las células a través de zonas con diferente iluminación liquid medium move cells through areas with different lighting
- produciéndose una fluctuación en el régimen de luz para cada célula there is a fluctuation in the light regime for each cell
- individual que pasa por las diferentes zonas, iluminadas o no. En este sentido, individual that passes through the different areas, illuminated or not. In this sense,
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- podría hablarse de tres zonas de luz en el reactor: una zona exterior, cercana a one could speak of three light zones in the reactor: an outer zone, close to
- la pared, que está expuesta a elevadas intensidades de luz y puede provocar the wall, which is exposed to high intensities of light and can cause
- fotoinhibición (daños por exceso de luz); una zona intermedia con photoinhibition (damage due to excess light); an intermediate zone with
- iluminación ideal; y una zona interna con falta de luz y elevada velocidad de ideal lighting; and an internal area with lack of light and high speed of
- respiración. breathing.
- 20 twenty
- DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN DESCRIPTION OF THE INVENTION
- El sistema que se preconiza ha sido concebido para resolver la The system that is recommended has been designed to solve the
- problemática anteriormente expuesta, previéndose en primer lugar una problem described above, first providing a
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- modularidad del mismo que hace posible acoplar distintos módulos de cultivo modularity of the same that makes it possible to couple different crop modules
- ensene. teach
- Igualmente, la especial configuración y geometría del sistema, que Likewise, the special configuration and geometry of the system, which
en adelante se describirá, en forma de paneles verticales, permiten minimizar from now on it will be described, in the form of vertical panels, to minimize
- la superficie de cultivo, con el consiguiente ahorro de terreno. the cultivation area, with the consequent saving of land.
- 5 1 O 5 1 O
- Mas concretamente, el sistema de la invención, constitutivo de un fotobiorreactor panelar de lecho fluidizado, comprende una pluralidad de módulos en serie, escalable, estando cada módulo formado por una cámara estanca de cultivo establecida por un marco delimitado por dos placas transparentes, unidos entre si por medios mecánicos o hidráulicos, estando placas y marco de la cámara de cultivo montados sobre una plataforma horizontal y dispuestos verticalmente sobre un sistema de raíles. More specifically, the system of the invention, constituting a fluidized bed panelar photobioreactor, comprises a plurality of modules in series, scalable, each module being formed by a sealed culture chamber established by a frame delimited by two transparent plates, joined between if by mechanical or hydraulic means, plates and frame of the culture chamber being mounted on a horizontal platform and arranged vertically on a rail system.
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- El módulo o cámara de cultivo, y concretamente el marco a partir del cual se constituye, está dotado de diferentes puertos, en unos casos para entrada de nutrientes, en otros casos para salida del cultivo, así como para entrada de gases y para el montaje de diferentes sensores que permiten realizar el seguimiento de la evolución del cultivo, sensores que pueden ser específicos para conocer el pH, el oxígeno disuelto, el C02, la temperatura, etc. The module or culture chamber, and specifically the framework from which it is constituted, is equipped with different ports, in some cases for nutrient entry, in other cases for crop exit, as well as for gas input and for assembly of different sensors that allow you to track the evolution of the crop, sensors that can be specific to know the pH, dissolved oxygen, CO2, temperature, etc.
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- Por su parte, las placas que participan en la cámara de cultivo, podrán ser de grosor variable en función del paso de luz requerido para el cultivo, al igual que el marco, que será metálico o de plástico, de manera tal que el citado grosor puede regularse variando el espesor de la placa que se monta en el marco, o bien añadiendo nuevos marcos para conseguir el paso de luz deseado. On the other hand, the plates that participate in the culture chamber, can be of variable thickness depending on the passage of light required for the crop, as well as the frame, which will be metallic or plastic, so that the said thickness It can be adjusted by varying the thickness of the plate that is mounted on the frame, or by adding new frames to achieve the desired light path.
- El sistema incluye medios que que dirigen luz desde el exterior al espacio de cultivo, es decir a la cámara, elementos que pueden colocarse The system includes means that direct light from the outside to the cultivation space, that is to the camera, elements that can be placed
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- anexos a cada módulo o cámara de cultivo o bien ser paneles de luz insertables entre módulos de cultivo adyacentes, suministrando luz por ambas caras, con la particularidad de que los paneles de luz pueden tener como fuentes de emisión, lámparas de luz blanca acalórica, diodos LED 's, o cualquier otra fuente de luz aprovechable por la célula. annexes to each module or cultivation chamber or to be insertable light panels between adjacent culture modules, providing light on both sides, with the particularity that the light panels can have as emission sources, white-light lamps, diodes LED's, or any other source of light usable by the cell.
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- El sistema puede complementarse con módulos de refrigeración anexos a cada módulo o cámara de cultivo, en aquellos casos en que la fuente de luz eleve la temperatura por encima del valor óptimo para el crecimiento celular y/o la producción de metabolitos de interés. The system can be complemented with cooling modules attached to each module or culture chamber, in those cases where the light source raises the temperature above the optimum value for cell growth and / or the production of metabolites of interest.
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- Esos eventuales módulos de refrigeración están constituidos mediante un marco adyacente al módulo de cultivo, con el que comparte una de sus placas, con lo que esa placa compartida constituye una amplia superficie de contacto a través de la cual se lleva a cabo la transferencia de calor por conducción entre el fluido refrigerante y el cultivo. These eventual refrigeration modules are constituted by a frame adjacent to the culture module, with which one of its plates shares, with which this shared plate constitutes a large contact surface through which heat transfer is carried out by conduction between the cooling fluid and the culture.
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- Cabe decir que en cada caso el módulo de refrigeración está conectado a un equipo de frío que mantiene la temperatura del fluido refrigerante en el valor apropiado para el crecimiento del microorganismo y/o la producción de metabolitos de interés. It should be said that in each case the refrigeration module is connected to a refrigeration unit that maintains the temperature of the refrigerant fluid at the appropriate value for the growth of the microorganism and / or the production of metabolites of interest.
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- Otra característica que presenta el sistema de la invención es su carácter modular y facultad de desmontaje, para facilitar su limpieza y versatilidad. Another feature presented by the system of the invention is its modular nature and ability to disassemble, to facilitate cleaning and versatility.
- En cuanto al medio de agitación por microburbujas en cada cámara de cultivo, el mismo se basa en unos difusores a través de los cuales As for the microbubble stirring medium in each culture chamber, it is based on diffusers through which
se inyectan por la parte inferior de la cámara los gases al interior de la misma, produciendo una agitación efectiva del cultivo, de manera que esos difusores estarán constituidos preferentemente por un material poroso que ocupará total the gases inside the chamber are injected through the lower part of the chamber, producing an effective agitation of the crop, so that these diffusers will preferably consist of a porous material that will occupy total
o parcialmente la superficie de la base del módulo o cámara de cultivo, promoviendo una agitación interna mediante la formación de microburbujas. or partially the surface of the base of the module or culture chamber, promoting internal agitation by forming microbubbles.
El sistema puede complementarse igualmente con medios de humidificación de gas antes de su entrada a la cámara de cultivo, evitando con ello evaporaciones. The system can also be complemented with gas humidification means before entering the culture chamber, thereby preventing evaporation.
También se ha previsto que opcionalmente se incluyan medios de control del pH del medio de cultivo, conectado con los medios de inyección de C02, lo que permite controlar el pH mediante inyección de C02 a demanda, en función del valor medido en el interior del cultivo. It has also been provided that optionally, pH control means of the culture medium, connected with the injection media of C02, are included, which allows the pH to be controlled by injection of C02 on demand, depending on the value measured inside the culture .
El medio de cultivo se adiciona sobre la cámara a través de una entrada o puerto previsto en la parte superior, conectándose con el correspondiente tanque de alimentación del medio de cultivo a la cámara, pudiendo dicho tanque de alimentación disponer de un tanque adicional pulmón de C02, que minimice el consumo del mismo. The culture medium is added to the chamber through an entrance or port provided at the top, connecting with the corresponding feeding tank of the culture medium to the chamber, said feeding tank being able to have an additional lung tank of C02 , which minimizes its consumption.
También se han previsto en la parte supenor puertos para adicionar una sustancia antiespumante en caso necesario (para evitar una excesiva formación de espumas), estando esos puertos conectados con el sensor correspondiente para controlar la formación de espuma mediante la apertura/cierre de la respectiva válvula de adición de antiespumante en caso necesano.
Ports are also provided in the upper part to add an antifoam substance if necessary (to avoid excessive foaming), these ports being connected to the corresponding sensor to control the formation of foam by opening / closing the respective valve defoamer addition if necessary.
También se ha previsto que opcionalmente el sistema pueda incluir un condensador de gases ( aire/C02), paras mantener el balance de aire/C02 en el interior de la cámara de cultivo, evitando evaporaciones, para lo cual está conectado a la unidad de frío, condensando así el gas evaporado durante el proceso. It is also provided that the system may optionally include a gas condenser (air / C02), to maintain the air balance / C02 inside the culture chamber, avoiding evaporation, for which it is connected to the cold unit , thus condensing the evaporated gas during the process.
También se ha previsto que se incluya un sensor de gases (C02 y 0 2 disuelto), que permite monitorizar en caso necesario la cantidad de gas consumido por el cultivo. It is also planned to include a gas sensor (C02 and 0 2 dissolved), which allows monitoring if necessary the amount of gas consumed by the crop.
Por último decir que la configuración modular del sistema puede seguir una secuencia determinada que será modificada en caso de no requerir medios de refrigeración. Finally, say that the modular configuration of the system can follow a certain sequence that will be modified if it does not require cooling means.
El sistema así constituido, además de servir para la producción de microorganismos fotosintéticos, puede funcionar como sumidero de C02, monitorizando la velocidad de fijación de este gas de efecto invernadero mediante el cultivo de microorganismos. The system thus constituted, in addition to serving for the production of photosynthetic microorganisms, can function as a C02 sink, monitoring the rate of fixation of this greenhouse gas through the cultivation of microorganisms.
Igualmente, previo acondicionamiento de corrientes ricas en C02, como puede ser el caso de efluentes industriales, el sistema puede emplearse para reducir emisiones de industrias generadoras de C02, convirtiendo dicho gas en biomasa y formando parte de un hipotético proceso de tratamiento de efluentes para adecuar los niveles de este gas emitido a la atmósfera a aquellos recogidos en la legislación en materia de emisiones.
Likewise, after conditioning currents rich in C02, such as industrial effluents, the system can be used to reduce emissions from C02 generating industries, converting said gas into biomass and forming part of a hypothetical effluent treatment process to adapt the levels of this gas emitted into the atmosphere to those included in the emission legislation.
Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, 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: To complement the description that will then be made and in order to help a better understanding of the features of the invention, according to a preferred example of practical implementation thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:
La figura 1.-Muestra una representación esquemática de lo que puede considerarse como una posible configuración de uno de los módulos o cámaras de cultivo, en el que participa un marco de cultivo y un marco para albergar el fluido de refrigeración. Figure 1.- Shows a schematic representation of what can be considered as a possible configuration of one of the modules or culture chambers, in which a culture frame and a frame to house the cooling fluid participate.
La figura 2.-Muestra un detalle ampliado y frontal del marco correspondiente al módulo o cámara de cultivo, en donde se dejan ver los puertos para las entradas, salidas, conexiones de sensores, etc. Figure 2.- Shows an enlarged and frontal detail of the frame corresponding to the module or culture chamber, where the ports for the inputs, outputs, sensor connections, etc. are shown.
La figura 3.-Muestra una representación esquemática según una perspectiva en explosión de la posible instalación de uno de los módulos del sistema de la invención. Figure 3.- Shows a schematic representation according to an exploding perspective of the possible installation of one of the modules of the system of the invention.
La figura 4.-Muestra, finalmente, una posible secuencia de la configuración modular del sistema, en el caso de requerir refrigeración de los cultivos.
Figure 4.- Finally, it shows a possible sequence of the modular configuration of the system, in the case of requiring crop cooling.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
- Como se puede ver en las figuras referidas, el sistema de la As you can see in the referred figures, the system of
- invención comprende una pluralidad de módulos formados por cámaras de invention comprises a plurality of modules formed by cameras of
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- cultivo (1 ), conectadas en serie como se deja ver en la figura 4, crop (1), connected in series as shown in Figure 4,
- comprendiendo cada cámara un marco (2), denominado marco de cultivo, al each chamber comprising a frame (2), called a culture frame, at
- que se asocian una pareja de placas de material transparente (3), así como una which are associated with a pair of plates of transparent material (3), as well as a
- placa (4) conductora de calor, de manera que en el caso de requerir heat conductive plate (4), so that if required
- refrigeración, el marco de cultivo (2) se complementa con un marco (5) refrigeration, the culture frame (2) is complemented by a frame (5)
- 1 O 1 o
- correspondiente a un dispositivo de refrigeración, completándose la cámara corresponding to a cooling device, the camera being completed
- con marcos externos (6) para fijar las placas (3) al marco de cultivo (2). with external frames (6) to fix the plates (3) to the culture frame (2).
- El marco (5) del dispositivo de refrigeración corresponde al The frame (5) of the cooling device corresponds to the
- módulo de refrigeración (7) representado en las figuras 3 y 4, en las que cooling module (7) represented in figures 3 and 4, in which
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- además se ha representado un panel de luces (8). In addition, a panel of lights (8) has been represented.
- En la figura 3 se muestra concretamente una posible instalación de Figure 3 shows in particular a possible installation of
- uno de los módulos del sistema, donde la cámara de cultivo (1) y one of the system modules, where the culture chamber (1) and
- concretamente el marco de cultivo (2), comprende una serie de puertos (9) specifically the culture frame (2), includes a series of ports (9)
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- para distintos tipos de sensores, tales como de pH, oxígeno disuelto, de for different types of sensors, such as pH, dissolved oxygen, of
- temperatura, nivel, etc., para seguimiento y control de la evolución del temperature, level, etc., for monitoring and controlling the evolution of the
- cultivo, así como para acoplar los medios necesarios para el mantenimiento cultivation, as well as to attach the necessary means for maintenance
- del mismo, tales como condensador, adición de antiespumante, etc. En ese thereof, such as condenser, antifoam addition, etc. In that
- mismo marco está establecido un puerto ( 1 O) para entrada de C02, así como same port is established a port (1 O) for C02 input, as well as
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- puertos (11) para entrada de gases, incluyendo en correspondencia con una ports (11) for gas inlet, including in correspondence with a
- parte superior puertos (12) para salida de cultivo. Upper ports (12) for crop output.
- También se incluye en la parte supenor un puerto (13) para A port (13) is also included in the upper part for
entrada del medio de cultivo. entrance of the culture medium.
- Pasando a la figura 3, se ve la posible instalación de uno de los Turning to figure 3, the possible installation of one of the
- módulos del sistema, con la cámara de cultivo (1 ), con los puertos y system modules, with the culture chamber (1), with the ports and
- 5 5
- elementos anteriormente referidos, el panel de luces (8), el dispositivo de elements referred to above, the light panel (8), the device
- refrigeración (7), asociado a un equipo de frío (14), viéndose además un cooling (7), associated with a cold equipment (14), also seeing a
- tanque (15) para la alimentación del medio de cultivo a la cámara (1 ), a través tank (15) for feeding the culture medium to the chamber (1), through
- de la parte superior de ésta, mientras que la introducción de co2 se realiza a from the top of it, while the introduction of co2 is done at
- partir de un botellón de suministro (16), y se introduce, junto con el aire, por from a supply bottle (16), and is introduced, along with the air, by
- 1 O 1 o
- los correspondientes puertos, con la ayuda de un compresor (17), que incluye the corresponding ports, with the help of a compressor (17), which includes
- un filtro (18) y un humidificador de aire (19), previéndose válvulas de flujo a filter (18) and an air humidifier (19), flow valves being provided
- (20) y un equipo de control (21 ). (20) and a control team (21).
- En esa figura 3 se deja ver la salida de cultivo (22), que In that figure 3 we can see the crop outlet (22), which
- 15 fifteen
- lógicamente estará conectada a los puertos (12), viéndose igualmente la logically it will be connected to the ports (12), also seeing the
- salida de toma de muestras (23), y las entradas (24). En la parte superior sampling output (23), and inputs (24). On top
- existe una conexión (25) para un sensor de nivel, así como para entrada de there is a connection (25) for a level sensor, as well as for input of
- antiespumante (26). antifoam (26).
- 20 twenty
- Los módulos, de acuerdo con lo descrito, pueden acoplarse en The modules, as described, can be coupled in
- serie, escalando el volumen de cultivo hasta el volumen deseado, siempre series, scaling the culture volume to the desired volume, always
- según una disposición de paneles verticales que consiguen minimizar la according to an arrangement of vertical panels that minimize the
- superficie de cultivo. cultivation area
- 25 25
- La optimización de la distribución de luz en las correspondientes Optimization of light distribution in the corresponding
- cámaras de cultivo (1 ), está condicionada al grosor entre las placas (3) del culture chambers (1), is conditioned to the thickness between the plates (3) of the
- módulo o cámara de cultivo (1 ), siendo el grosor de esas placas variable de module or culture chamber (1), the thickness of these plates being variable from
- forma que pueden emplearse pasos de luz adecuados a la densidad de cultivo, so that light passages appropriate to the culture density can be used,
para optimizar la productividad. to optimize productivity.
Por su parte, para optimizar el régimen lumínico (ciclos luzoscuridad), se inyectan los gases ( aire/C02) por la parte inferior del módulo 5 de cultivo, determinando un medio de agitación por microburbujas, de forma que la frecuencia de los ciclos referidos promueve un aumento de productividad, asociada en cada caso a la intensidad de luz empleada, siendo esta intensidad también regulable mediante los paneles de luces (8) ya referidos con anterioridad, provistos de potenciómetro variador de intensidad, For its part, to optimize the light regime (light and dark cycles), the gases (air / C02) are injected through the lower part of the culture module 5, determining a microbubble stirring medium, so that the frequency of the referred cycles it promotes an increase in productivity, associated in each case with the intensity of light used, this intensity being also adjustable by means of the light panels (8) already referred to above, provided with intensity varying potentiometer,
10 por lo que el ajuste adecuado de estas variables (paso de luz-intensidad de luz-agitación), asociado a la densidad celular, permite la optimización de la distribución de luz en el sistema. 10 so that the appropriate adjustment of these variables (light-intensity-light-agitation step), associated with cell density, allows the optimization of the light distribution in the system.
También hay que tener en cuenta que en la parte superior de cada You also have to keep in mind that at the top of each
15 cámara de cultivo (1) se establece una cámara de aire que permite el intercambio gaseoso con el cultivo, así como la posibilidad de remover el oxígeno disuelto generado para evitar valores de concentración del mismo que comprometan el crecimiento del microorganismo.
A culture chamber (1) establishes an air chamber that allows the gaseous exchange with the crop, as well as the possibility of removing the dissolved oxygen generated to avoid concentration values that compromise the growth of the microorganism.
Claims (1)
- 5 1 O 5 1 O
- 1a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, constitutivo de un fotobiorreactor panelar de lecho fluidizado, caracterizado porque comprende una pluralidad de módulos en serie, escalable, estando cada módulo formado por una cámara estanca de cultivo (1) establecida por un marco (2) delimitado por dos placas transparentes (3), unidas entre si por medios mecánicos o hidráulicos, con la particularidad de que placas (3) y marco (2) de la cámara de cultivo (1) van montados en disposición vertical. 1a__ Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, constituting a fluidized bed panelar photobioreactor, characterized in that it comprises a plurality of modules in series, scalable, each module being formed by a sealed culture chamber (1) established by a frame (2) delimited by two transparent plates (3), joined together by mechanical or hydraulic means, with the particularity that plates (3) and frame (2) of the culture chamber (1) are mounted vertically.
- 15 fifteen
- 2a.Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 1, caracterizado porque el marco (2) de la cámara de cultivo (1) comprende puertos (9) para distintos sensores de pH, oxígeno disuelto, C02 y temperatura, para seguimiento y control de la evolución del cultivo, comprendiendo además dicho marco de cultivo (2) puertos (12) para salida de cultivo, un puerto (13) para entrada del medio de cultivo, y puertos (lO y 11) para entrada de aire y C02 • 2a. Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, according to claim 1, characterized in that the frame (2) of the culture chamber (1) comprises ports (9) for different sensors of pH, dissolved oxygen, CO2 and temperature, for monitoring and controlling the evolution of the crop, said culture frame (2) ports (12) for crop output, a port (13) for the entrance of the culture medium, and ports (10 and 11) for the entrance of air and C02 •
- 20 25 20 25
- 3a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grosor del marco (2) de la cámara de cultivo (1) es variable, en función del paso de luz requerido para el cultivo, siendo ese grosor regulable en base a la variación del espesor de las placas (3) asociadas al propio marco (2). 3a__ Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, according to previous claims, characterized in that the thickness of the frame (2) of the culture chamber (1) is variable, depending on the passage of light required for the culture, that thickness being adjustable based on the variation of the thickness of the plates (3) associated with the frame itself (2).
- 4a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 1, caracterizado porque 4a__ Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, according to claim 1, characterized in that
- suministrar luz por ambas caras. Supply light on both sides.
- 5 5
- 5a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 4, caracterizado porque los paneles de luz (8) incluyen como fuentes de emisión lámparas de luz blanca acalórica, diodos LED's o cualquier otra fuente de luz aprovechable. 5a__ Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, according to claim 4, characterized in that the light panels (8) include as emission sources acaloric white light lamps, LEDs or any other usable light source.
- 1 O 15 1 or 15
- 6a.Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque opcionalmente se incluyen dispositivos de refrigeración (7) anexos a cada cámara de cultivo (1 ), para refrigeración de la temperatura en caso de elevación de ésta por la fuente de luz, por encima del valor óptimo para el crecimiento celular y/o la producción de metabolitos de interés, estando dicho dispositivo de refrigeración asociado a un equipo productor de frío (14). 6a. Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, according to claims 1 and 2, characterized in that optionally refrigeration devices (7) attached to each culture chamber (1) are included, for temperature cooling in case of elevation of this by the light source, above the optimum value for cell growth and / or the production of metabolites of interest, said cooling device being associated with a cold producing equipment (14).
- 20 twenty
- 7a__ Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicación 6, caracterizado porque los dispositivos de refrigeración (7) se constituyen a partir de un marco (5) adyacente al marco alrededor de la cámara de cultivo (1 ), compartiendo una de las placas (3) de ésta. 7a__ Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, according to claim 6, characterized in that the cooling devices (7) are constituted from a frame (5) adjacent to the frame around the culture chamber (1), sharing a of the plates (3) of this one.
- 25 25
- 8a.Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la entrada de gases a través de los puertos ( 1 O y 11) se realiza mediante difusores a través de los cuales se producen microburbujas y la correspondiente agitación efectiva del cultivo, con la particularidad de que 8a. Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, according to claims 1 and 2, characterized in that the entry of gases through the ports (1 O and 11) is carried out by diffusers through which microbubbles are produced and the corresponding effective agitation of the crop, with the particularity that
13a__ Sistema de cultivo celular para la producción de
13a__ Cell culture system for the production of
- 5 5
- microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque opcionalmente se incluyen medios de control de espumas a través del correspondiente puerto previsto en la parte superior del marco (2) de cultivo, complementándose con medios de inyección de una sustancia antiespumante en caso necesario para evitar la formación de espumas. Photosynthetic microorganisms, according to claims 1 and 2, characterized in that optionally foam control means are included through the corresponding port provided in the upper part of the culture frame (2), being complemented by means of injection of an antifoam substance if necessary to Avoid foaming.
- 1 O 1 o
- 14a.Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones 1, 2 y 6, caracterizado porque opcionalmente se incluye un condensador de gases para mantener el balance de éstos en el interior, estando ese condensador de gases conectado a la unidad de frío (14) asociada al dispositivo de refrigeración (7), para la condensación del gas evaporado durante el proceso. 14a. Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, according to claims 1, 2 and 6, characterized in that optionally a gas condenser is included to maintain their balance inside, that gas condenser being connected to the unit of cold (14) associated with the cooling device (7), for the condensation of the evaporated gas during the process.
- 15 fifteen
- 15a.Sistema de cultivo celular para la producción de microorganismos fotosintéticos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se incluye un equipo de control (21) para el correcto funcionamiento de los distintos equipos y componentes del sistema. 15a. Cell culture system for the production of photosynthetic microorganisms, according to previous claims, characterized in that a control equipment (21) is included for the correct operation of the different equipment and components of the system.
- 20 twenty
- 25 25
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WO2010042478A2 (en) * | 2008-10-07 | 2010-04-15 | Arizona Board Of Regents For And On Behalf Of Arizona State University | Modular experimental platform for microorganism physiology and scale-up studies |
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